【壓縮機網(wǎng)】近日，由中國船舶集團所屬重慶江增船舶重工有限公司自主研制的國內首臺6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機組完成機械運轉試驗，機組運行情況良好，達到設計要求，順利出廠(chǎng)交付用戶(hù)，標志著(zhù)江增重工核心技術(shù)成功應用于又一全新領(lǐng)域。

　　作為目前國內唯一一家取得商業(yè)合同的廠(chǎng)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)電機組，進(jìn)口壓力超過(guò)20MPa，溫度高達600℃，綜合性能達到國際領(lǐng)先水平。

　　該機組完全由江增重工技術(shù)中心設計開(kāi)發(fā)、全資子公司昆山江錦機械承制。在該產(chǎn)品的設計制造過(guò)程中，專(zhuān)項研發(fā)小組克服重慶、江蘇兩地距離帶來(lái)的不便，高效協(xié)同、精誠合作，制定了詳細的開(kāi)發(fā)計劃及實(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，做到“精組織、重部署、強管理、嚴落實(shí)”?；诓牧系奶厥庑?、結構的復雜性、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（注：布雷頓循環(huán)Brayton Cycle是典型的熱力學(xué)循環(huán)系統，亦稱(chēng)焦耳循環(huán)或氣體制冷機循環(huán)，是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過(guò)程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹及等壓吸熱四個(gè)過(guò)程，與蒸汽壓縮式制冷機的四個(gè)工作過(guò)程相近）。

 

　　其循環(huán)過(guò)程是：首先，超臨界二氧化碳經(jīng)過(guò)壓縮機升壓；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，推動(dòng)渦輪做功，渦輪帶動(dòng)電機發(fā)電；最后，工質(zhì)進(jìn)入冷卻器，恢復到初始狀態(tài)，再進(jìn)入壓氣機形成閉式循環(huán)。

 

　　為了提高換熱效率，通常會(huì )采用中間回熱的方式，利用渦輪出口工質(zhì)的余溫預熱壓縮機出口的工質(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(guò)臨界壓力（Pc）與臨界溫度（Tc）時(shí)的這種狀態(tài)稱(chēng)為超臨界。超臨界流體是區別于氣體、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)穩定、無(wú)毒、不易燃易爆、價(jià)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，其擴散系數是液體的近百倍。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

 

　　要讓二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，最為重要的一個(gè)條件就是使其處于一定壓力之下，因此壓縮機就是超臨界二氧化碳發(fā)電系統的“心臟”。由于超臨界二氧化碳工質(zhì)的物性獨特，在臨界點(diǎn)附近變化劇烈，導致對壓縮機相關(guān)的高速轉子、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)電系統中所用壓縮機通常為透平壓縮機，這是一種具有高速旋轉葉輪的動(dòng)力式壓縮機。它依靠旋轉葉輪與氣流間的相互作用力來(lái)提高氣體壓力，同時(shí)使氣流產(chǎn)生加速度而獲得動(dòng)能，然后氣流在擴壓器中減速，將動(dòng)能轉化為壓力能，進(jìn)一步提高壓力。在壓縮過(guò)程中氣體流動(dòng)是連續的。

 

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

　　6“兆瓦”的意義

 

　　兆瓦是表示功率的單位，常用來(lái)指發(fā)電機組在額定情況下單位時(shí)間內能發(fā)出來(lái)的電量。兆瓦是功率基礎單位瓦的數量級衍生單位，而功率本身是對于單位時(shí)間內做功的描述，類(lèi)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(wàn)瓦；1兆瓦=1000千瓦；1兆瓦=0.1萬(wàn)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(shí)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)從國家級科研機構與高校的研究及實(shí)驗階段發(fā)展到商業(yè)化的臨界點(diǎn)。眾多的商業(yè)機構如發(fā)電公司、零部件供應商、設計研發(fā)企業(yè)開(kāi)始形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體。世界范圍內已經(jīng)有多臺1-10MW級別的機組處于商業(yè)示范運營(yíng)階段。更高功率和參數等級的機組正在設計研發(fā)階段，各研究及商業(yè)機構均試圖搶占最前沿的技術(shù)領(lǐng)域和未來(lái)產(chǎn)品市場(chǎng)。

 

　　從國別來(lái)看，美國、日本、韓國、法國均在系統研究、機組設計、零部件加工及系統示范驗證方面開(kāi)展了較多的工作。美國目前是毋庸置疑的技術(shù)領(lǐng)先者，預期其在近年內完成商業(yè)示范，在3-5年將形成1-10MW級超臨界二氧化碳機組完整產(chǎn)業(yè)鏈和成功商業(yè)案例。中國國內目前還處在理論研究和小型示范機組建設規劃籌建階段，少數廠(chǎng)商有試制計劃和生產(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(lái)喜訊，新工質(zhì)發(fā)電團隊完成了我國首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機實(shí)驗平臺的建設工作。兆瓦級SCO2 壓縮機通用實(shí)驗平臺的建成投運，終結了我國相關(guān)研究缺乏實(shí)驗條件的歷史，為研究所深入開(kāi)展SCO2循環(huán)發(fā)電系統的研究打下堅實(shí)的基礎，也為國內從事此項研究的其它科研單位提供了實(shí)驗支撐。

 

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