【壓縮機網】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，順利出廠交付用戶，標志著江增重工核心技術成功應用于又一全新領域。

　　作為目前國內唯一一家取得商業合同的廠家，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電機組，進口壓力超過20MPa，溫度高達600℃，綜合性能達到國際領先水平。

　　該機組完全由江增重工技術中心設計開發、全資子公司昆山江錦機械承制。在該產品的設計制造過程中，專項研發小組克服重慶、江蘇兩地距離帶來的不便，高效協同、精誠合作，制定了詳細的開發計劃及實施方案，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”。基于材料的特殊性、結構的復雜性、尺寸的高精度等特點，工藝方案中制定了首件加工驗證，技術員全程跟蹤，確保零件加工零風險。

　　超臨界二氧化碳發電基本原理

 

　　超臨界二氧化碳發電系統是一種以超臨界狀態的二氧化碳為工作介質的布雷頓循環系統（注：布雷頓循環Brayton Cycle是典型的熱力學循環系統，亦稱焦耳循環或氣體制冷機循環，是以氣體為工質的制冷循環，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的四個工作過程相近）。

 

　　其循環過程是：首先，超臨界二氧化碳經過壓縮機升壓；然后，利用換熱器將工質等壓加熱；其次，工質進入渦輪機，推動渦輪做功，渦輪帶動電機發電；最后，工質進入冷卻器，恢復到初始狀態，再進入壓氣機形成閉式循環。

 

　　為了提高換熱效率，通常會采用中間回熱的方式，利用渦輪出口工質的余溫預熱壓縮機出口的工質。循環還可采用多級壓縮中間冷卻技術進一步提高效率。

 

　　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）時的這種狀態稱為超臨界。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穩定、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，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電最為合適的工作介質。

 

　　透平壓縮機

 

　　要讓二氧化碳處于超臨界狀態，最為重要的一個條件就是使其處于一定壓力之下，因此壓縮機就是超臨界二氧化碳發電系統的“心臟”。由于超臨界二氧化碳工質的物性獨特，在臨界點附近變化劇烈，導致對壓縮機相關的高速轉子、高壓密封、軸承等成套技術有很高的要求。

 

　　超臨界二氧化碳發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力式壓縮機。它依靠旋轉葉輪與氣流間的相互作用力來提高氣體壓力，同時使氣流產生加速度而獲得動能，然后氣流在擴壓器中減速，將動能轉化為壓力能，進一步提高壓力。在壓縮過程中氣體流動是連續的。

 

　　透平壓縮機是在通風機的基礎上發展起來的。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，透平壓縮機主要分為軸流式和離心式兩類。在軸流壓縮機中，氣體近似地沿軸向流動。在離心壓縮機中，氣體主要沿著徑向流動。另外還有一種斜流（混流）壓縮機，其氣體流動方向介于這兩者之間。排氣壓力在0.15MPa～0.2MPa范圍內的透平壓縮機又稱作透平鼓風機。排氣壓力低于0.15MPa的則屬于通風機，不再稱為透平壓縮機。

　　6“兆瓦”的意義

 

　　兆瓦是表示功率的單位，常用來指發電機組在額定情況下單位時間內能發出來的電量。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間內做功的描述，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。

 

　　發展前景與技術進展

 

　　目前，超臨界二氧化碳（SCO2）發電技術裝置已經從國家級科研機構與高校的研究及實驗階段發展到商業化的臨界點。眾多的商業機構如發電公司、零部件供應商、設計研發企業開始形成產業聯合體。世界范圍內已經有多臺1-10MW級別的機組處于商業示范運營階段。更高功率和參數等級的機組正在設計研發階段，各研究及商業機構均試圖搶占最前沿的技術領域和未來產品市場。

 

　　從國別來看，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展了較多的工作。美國目前是毋庸置疑的技術領先者，預期其在近年內完成商業示范，在3-5年將形成1-10MW級超臨界二氧化碳機組完整產業鏈和成功商業案例。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，少數廠商有試制計劃和生產能力，與美國差距較為明顯。

 

　　2018年9月，中國科學院工程熱物理研究所衡水基地傳來喜訊，新工質發電團隊完成了我國首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機實驗平臺的建設工作。兆瓦級SCO2 壓縮機通用實驗平臺的建成投運，終結了我國相關研究缺乏實驗條件的歷史，為研究所深入開展SCO2循環發電系統的研究打下堅實的基礎，也為國內從事此項研究的其它科研單位提供了實驗支撐。

 

　　該實驗平臺是用于測試SCO2壓縮機工作性能和開展SCO2流體壓縮特性相關基礎實驗的通用平臺，還可以用于開展高速轉子測試、軸承測試和密封測試等實驗。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壓縮機實驗平臺，也是世界上規模最大等級最高的同類實驗平臺。