工程熱物理所兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機測試取得進展
2020-12-03 中國科學院工程熱物理所兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機測試取得進展
2019-12-27 工程熱物理研究所
語音播報
超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術是世界各國在爭相研究的國際前沿技術。該技術採用超臨界狀態的二氧化碳作為循環介質，在相同條件下，比傳統的水蒸汽朗肯循環發電技術效率高出5%~10%，同時設備體積和重量大大減少。得益於這兩大突出優勢，該技術在太陽能光熱發電、中小型核電和艦船動力領域具有廣泛的應用前景。
壓縮機和透平是超臨界二氧化碳布雷頓循環系統的核心部件，其實驗研究技術難度大、投入成本高，多年來國內外相關實驗研究鮮有報導。中國科學院工程熱物理研究所新工質發電團隊從2016年開始開展兆瓦級超臨界二氧化碳發電關鍵技術實驗研究，在中科院先導專項、衡水高新區院地合作項目支持下，於2018年9月建成我國首座兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機測試平臺，並投入運行。實驗臺建成後，先後完成了控制系統調試、系統聯調聯試，開展了二氧化碳充裝和超臨界二氧化碳狀態調製、高速轉子空載和輕載測試等一系列實驗，驗證了實驗系統工藝流程的可行性和可靠性，獲得了一系列珍貴的實驗數據，改變了超臨界二氧化碳離心式壓縮機數值分析缺少可靠實驗數據的現狀。
近日，團隊完成了國內首臺兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機樣機的測試。壓縮機首次實現全載測試運行，進口總壓7.3~7.9MPa，進口總溫305.4K，實驗進口狀態為超臨界態，且在臨界點附近，壓縮機運行穩定；壓縮機出口總壓最高達到14.9MPa，總壓比約1.9，流量達到12~17 kg/s，等熵絕熱效率70~80%。實驗結果顯示，壓縮機等熵效率、工作邊界、間隙洩漏量等與理論設計基本相符，從而實現了第一次對超臨界二氧化碳壓縮機氣動設計理論和方法的驗證。
本次壓縮機實驗測試的成功是國內兆瓦級超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術研究的重要階段性成果。首先，國際上除了美國SANDIA實驗室的100kW級測試數據外，尚無公開報導的大型等尺寸壓縮機測試數據，且本實驗測得的壓縮機效率具有明顯優勢。測試過程中積累了大量原始實驗數據，對於國內外相關單位驗證數值模擬以及設計理論，進而優化設計具有重要意義；其次，近臨界點附近壓縮機運行的穩定性問題一直以來是困擾該領域研究人員的關鍵科學難題，本次實驗測試結果對該問題進行了初步的解答；最後，作為國內首套兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用測試平臺，本次測試充分驗證了該測試平臺的穩定性與可靠性，具備了提供超臨界二氧化碳壓縮機實驗測試服務的能力，對該領域發展具有重要意義。
圖1 兆瓦級壓縮機測試現場
圖2 壓縮機測試結果曲線圖
超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術是世界各國在爭相研究的國際前沿技術。該技術採用超臨界狀態的二氧化碳作為循環介質，在相同條件下，比傳統的水蒸汽朗肯循環發電技術效率高出5%~10%，同時設備體積和重量大大減少。得益於這兩大突出優勢，該技術在太陽能光熱發電、中小型核電和艦船動力領域具有廣泛的應用前景。
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本次壓縮機實驗測試的成功是國內兆瓦級超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術研究的重要階段性成果。首先，國際上除了美國SANDIA實驗室的100kW級測試數據外，尚無公開報導的大型等尺寸壓縮機測試數據，且本實驗測得的壓縮機效率具有明顯優勢。測試過程中積累了大量原始實驗數據，對於國內外相關單位驗證數值模擬以及設計理論，進而優化設計具有重要意義；其次，近臨界點附近壓縮機運行的穩定性問題一直以來是困擾該領域研究人員的關鍵科學難題，本次實驗測試結果對該問題進行了初步的解答；最後，作為國內首套兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用測試平臺，本次測試充分驗證了該測試平臺的穩定性與可靠性，具備了提供超臨界二氧化碳壓縮機實驗測試服務的能力，對該領域發展具有重要意義。
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