【壓縮機(jī)網(wǎng)】近日，由中國(guó)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(guó)內(nèi)首臺(tái)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(guó)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(guó)首臺(tái)6兆瓦級(jí)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(guò)20MPa，溫度高達(dá)600℃，綜合性能達(dá)到國(guó)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(kāi)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(guò)程中，專(zhuān)項(xiàng)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(chéng)合作，制定了詳細(xì)的開(kāi)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(gòu)，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?、結(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(xiǎn)。

　　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(chēng)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(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(jī)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(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(dòng)渦輪做功，渦輪帶動(dòng)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(huì)采用中間回?zé)岬姆绞剑脺u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(jí)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(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(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(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(gè)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(duì)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(dòng)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(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(kuò)壓器中減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)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(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(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(jī)主要分為軸流式和離心式兩類(lèi)。在軸流壓縮機(jī)中，氣體近似地沿軸向流動(dòng)。在離心壓縮機(jī)中，氣體主要沿著徑向流動(dòng)。另外還有一種斜流（混流）壓縮機(jī)，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(nèi)的透平壓縮機(jī)又稱(chēng)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(chēng)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(lái)指發(fā)電機(jī)組在額定情況下單位時(shí)間內(nèi)能發(fā)出來(lái)的電量。兆瓦是功率基礎(chǔ)單位瓦的數(shù)量級(jí)衍生單位，而功率本身是對(duì)于單位時(shí)間內(nèi)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(guó)家級(jí)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(kāi)始形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體。世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多臺(tái)1-10MW級(jí)別的機(jī)組處于商業(yè)示范運(yùn)營(yíng)階段。更高功率和參數(shù)等級(jí)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(lái)產(chǎn)品市場(chǎng)。

 

　　從國(guó)別來(lái)看，美國(guó)、日本、韓國(guó)、法國(guó)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(kāi)展了較多的工作。美國(guó)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(jí)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(guó)國(guó)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(guó)差距較為明顯。

 

　　2018年9月，中國(guó)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(tuán)隊(duì)完成了我國(guó)首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)工作。兆瓦級(jí)SCO2 壓縮機(jī)通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建成投運(yùn)，終結(jié)了我國(guó)相關(guān)研究缺乏實(shí)驗(yàn)條件的歷史，為研究所深入開(kāi)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(guó)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(tái)是用于測(cè)試SCO2壓縮機(jī)工作性能和開(kāi)展SCO2流體壓縮特性相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的通用平臺(tái)，還可以用于開(kāi)展高速轉(zhuǎn)子測(cè)試、軸承測(cè)試和密封測(cè)試等實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)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(jí)SCO2壓縮機(jī)的精密連續(xù)測(cè)試，是目前我國(guó)唯一的兆瓦級(jí)SCO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是世界上規(guī)模最大等級(jí)最高的同類(lèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。