【壓縮機(jī)網(wǎng)】近日，由中國船舶集團(tuán)所屬重慶江增船舶重工有限公司自主研制的國內(nèi)首臺6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機(jī)組完成機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，順利出廠交付用戶，標(biāo)志著江增重工核心技術(shù)成功應(yīng)用于又一全新領(lǐng)域。

　　作為目前國內(nèi)唯一一家取得商業(yè)合同的廠家，江增重工自主研制的我國首臺6兆瓦級大功率高效超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機(jī)組，進(jìn)口壓力超過20MPa，溫度高達(dá)600℃，綜合性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

　　該機(jī)組完全由江增重工技術(shù)中心設(shè)計(jì)開發(fā)、全資子公司昆山江錦機(jī)械承制。在該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中，專項(xiàng)研發(fā)小組克服重慶、江蘇兩地距離帶來的不便，高效協(xié)同、精誠合作，制定了詳細(xì)的開發(fā)計(jì)劃及實(shí)施方案，從工藝文件制定、鑄鍛件原材料采購，再到零件加工，裝配及試驗(yàn)，做到“精組織、重部署、強(qiáng)管理、嚴(yán)落實(shí)”?；诓牧系奶厥庑浴⒔Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、尺寸的高精度等特點(diǎn)，工藝方案中制定了首件加工驗(yàn)證，技術(shù)員全程跟蹤，確保零件加工零風(fēng)險。

　　超臨界二氧化碳發(fā)電基本原理

 

　　超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)是一種以超臨界狀態(tài)的二氧化碳為工作介質(zhì)的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)（注：布雷頓循環(huán)Brayton Cycle是典型的熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，亦稱焦耳循環(huán)或氣體制冷機(jī)循環(huán)，是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹及等壓吸熱四個過程，與蒸汽壓縮式制冷機(jī)的四個工作過程相近）。

 

　　其循環(huán)過程是：首先，超臨界二氧化碳經(jīng)過壓縮機(jī)升壓；然后，利用換熱器將工質(zhì)等壓加熱；其次，工質(zhì)進(jìn)入渦輪機(jī)，推動渦輪做功，渦輪帶動電機(jī)發(fā)電；最后，工質(zhì)進(jìn)入冷卻器，恢復(fù)到初始狀態(tài)，再進(jìn)入壓氣機(jī)形成閉式循環(huán)。

 

　　為了提高換熱效率，通常會采用中間回?zé)岬姆绞?，利用渦輪出口工質(zhì)的余溫預(yù)熱壓縮機(jī)出口的工質(zhì)。循環(huán)還可采用多級壓縮中間冷卻技術(shù)進(jìn)一步提高效率。

 

　　超臨界二氧化碳特性

 

　　工程上，將某流體所處的壓力（P）和溫度（T）均超過臨界壓力（Pc）與臨界溫度（Tc）時的這種狀態(tài)稱為超臨界。超臨界流體是區(qū)別于氣體、液體而存在的第三流體。

　　在能作為超臨界流體的化合物中，二氧化碳由于其性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、不易燃易爆、價廉以及較低的臨界壓力（7.3MPa）和較低的臨界溫度（31.05℃）而得到廣泛發(fā)展。二氧化碳超臨界流體介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點(diǎn)，其密度接近液體，而粘度近似于氣體，其擴(kuò)散系數(shù)是液體的近百倍。超臨界二氧化碳所具有的所有特性是超臨界發(fā)電最為合適的工作介質(zhì)。

 

　　透平壓縮機(jī)

 

　　要讓二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，最為重要的一個條件就是使其處于一定壓力之下，因此壓縮機(jī)就是超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的“心臟”。由于超臨界二氧化碳工質(zhì)的物性獨(dú)特，在臨界點(diǎn)附近變化劇烈，導(dǎo)致對壓縮機(jī)相關(guān)的高速轉(zhuǎn)子、高壓密封、軸承等成套技術(shù)有很高的要求。

 

　　超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)中所用壓縮機(jī)通常為透平壓縮機(jī)，這是一種具有高速旋轉(zhuǎn)葉輪的動力式壓縮機(jī)。它依靠旋轉(zhuǎn)葉輪與氣流間的相互作用力來提高氣體壓力，同時使氣流產(chǎn)生加速度而獲得動能，然后氣流在擴(kuò)壓器中減速，將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，進(jìn)一步提高壓力。在壓縮過程中氣體流動是連續(xù)的。

 

　　透平壓縮機(jī)是在通風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它廣泛用于各種工藝過程中輸送空氣和各種氣體，并提高其壓力。按氣體流動方向的不同，透平壓縮機(jī)主要分為軸流式和離心式兩類。在軸流壓縮機(jī)中，氣體近似地沿軸向流動。在離心壓縮機(jī)中，氣體主要沿著徑向流動。另外還有一種斜流（混流）壓縮機(jī)，其氣體流動方向介于這兩者之間。排氣壓力在0.15MPa～0.2MPa范圍內(nèi)的透平壓縮機(jī)又稱作透平鼓風(fēng)機(jī)。排氣壓力低于0.15MPa的則屬于通風(fēng)機(jī)，不再稱為透平壓縮機(jī)。

　　6“兆瓦”的意義

 

　　兆瓦是表示功率的單位，常用來指發(fā)電機(jī)組在額定情況下單位時間內(nèi)能發(fā)出來的電量。兆瓦是功率基礎(chǔ)單位瓦的數(shù)量級衍生單位，而功率本身是對于單位時間內(nèi)做功的描述，類似毫瓦、千瓦等名詞。兆瓦與千瓦、瓦之間的換算關(guān)系是：1兆瓦=100萬瓦；1兆瓦=1000千瓦；1兆瓦=0.1萬千瓦；1兆瓦=0.01億瓦。1瓦定義是每秒做功1焦耳，即每小時做功3600焦耳。

 

　　發(fā)展前景與技術(shù)進(jìn)展

 

　　目前，超臨界二氧化碳（SCO2）發(fā)電技術(shù)裝置已經(jīng)從國家級科研機(jī)構(gòu)與高校的研究及實(shí)驗(yàn)階段發(fā)展到商業(yè)化的臨界點(diǎn)。眾多的商業(yè)機(jī)構(gòu)如發(fā)電公司、零部件供應(yīng)商、設(shè)計(jì)研發(fā)企業(yè)開始形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體。世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多臺1-10MW級別的機(jī)組處于商業(yè)示范運(yùn)營階段。更高功率和參數(shù)等級的機(jī)組正在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，各研究及商業(yè)機(jī)構(gòu)均試圖搶占最前沿的技術(shù)領(lǐng)域和未來產(chǎn)品市場。

 

　　從國別來看，美國、日本、韓國、法國均在系統(tǒng)研究、機(jī)組設(shè)計(jì)、零部件加工及系統(tǒng)示范驗(yàn)證方面開展了較多的工作。美國目前是毋庸置疑的技術(shù)領(lǐng)先者，預(yù)期其在近年內(nèi)完成商業(yè)示范，在3-5年將形成1-10MW級超臨界二氧化碳機(jī)組完整產(chǎn)業(yè)鏈和成功商業(yè)案例。中國國內(nèi)目前還處在理論研究和小型示范機(jī)組建設(shè)規(guī)劃籌建階段，少數(shù)廠商有試制計(jì)劃和生產(chǎn)能力，與美國差距較為明顯。

 

　　2018年9月，中國科學(xué)院工程熱物理研究所衡水基地傳來喜訊，新工質(zhì)發(fā)電團(tuán)隊(duì)完成了我國首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)工作。兆瓦級SCO2 壓縮機(jī)通用實(shí)驗(yàn)平臺的建成投運(yùn)，終結(jié)了我國相關(guān)研究缺乏實(shí)驗(yàn)條件的歷史，為研究所深入開展SCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為國內(nèi)從事此項(xiàng)研究的其它科研單位提供了實(shí)驗(yàn)支撐。

 

　　該實(shí)驗(yàn)平臺是用于測試SCO2壓縮機(jī)工作性能和開展SCO2流體壓縮特性相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的通用平臺，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測試、軸承測試和密封測試等實(shí)驗(yàn)。該平臺可調(diào)制7～9MPa、0～35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳，壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)到20MPa 以上；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高可達(dá)40000r/min以上，流量最大達(dá)到30kg/s；可進(jìn)行百kW到MW級SCO2壓縮機(jī)的精密連續(xù)測試，是目前我國唯一的兆瓦級SCO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，也是世界上規(guī)模最大等級最高的同類實(shí)驗(yàn)平臺。