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中国科学院工程热物理研究所

中国科学院工程热物理研究所

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  工程热物理研究所主要从事能源、动力和环境等领域的研究,其中包括工程热力学、内流气动热力学、燃烧学和传热传质学等分支学科。研究所的科技发展战略是面对新世纪科技技术不断进步的挑战,发展工程热物理领域内的前沿、新兴与交叉学科,为国家能源、动力和环境领域内科学研究与技术研发提供支撑,为基础科学知识创新、国家战略目标需求和人类社会可持续发展做出贡献。

  2013年,研究所新争取科研项目共85项,其中包括973课题、863课题、自然科学基金项目、国际合作、非民口及院重要部署项目等基础研究和高技术研究项目;仪器研制、功能开发和修购专项等条件建设项目;“青年千人”等人才计划项目以及院地合作项目。全年新签署合同经费共计1.1亿元,到所总资金突破3亿元,其中科研经费近2.4亿元。

  主要科研进展及成果

  三项重大突破方向

  突破一:IGCC/联产系统及关键技术

  2012年,继续开展国家863计划“以煤气化为基础的多联产示范工程”重大项目3个课题和“重型燃气轮机关键技术与系统”重大项目2个协作课题的研发工作。其中,863计划重大项目课题“低污染合成气燃气轮机改造技术”和“IGCC与联产系统优化集成及设计技术”于12月通过科技部验收。粉煤加压密相输运床气化技术:建成了加压滴管炉试验装置,开展了加压条件下煤热解、气化反应研究;小试装置主体、配管和控制系统安装完毕;中试气化炉安装完成80%,煤气余热锅炉安装完毕;气固流动实验台、气力输送实验台、排渣实验台完成建设,正在调试。

  中低热值燃料燃气轮机燃烧室:完成E级燃烧室合成气负荷性能试验及合成气氮气、蒸气稀释试验;完成F级燃烧室轻柴油和天然气点火试验,轻柴油/ 合成气、轻柴油/天然气切换试验,轻柴油、合成气、天然气负荷试验;完成F级燃烧室过渡段冷却罩方案设计和全温全压全尺寸试验件设计;R0110燃气轮机完成装配,正在进行厂内试车。系统集成与示范:提出了基于B、E、F级燃气轮机和输运床纯氧及空气气化的IGCC参考电站热力系统;潞安油电联产示范工程完成了燃气轮机多种负荷单独运行及燃气轮机和余热锅炉联合运行条件下的工程试验和数据采集。先进动力循环:完善了HAT循环动态特性仿真平台,开发了HAT循环启、停、事故停机等过程及变负荷调节控制策略,对百千瓦级HAT循环控制系统进行了改进和完善。

  突破二:循环流化床燃烧技术

  承担的中科院战略性先导科技专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”取得重要进展。建成了0.3 MW循环流化床热解燃烧试验系统,实现125小时连续运行,标志着采用自主研发技术的循环流化床热解燃烧耦合技术取得阶段性成功,实现了从实验室基础研究到中试的重大突破。100 kW循环流化床富氧燃烧试验平台烟气再循环系统热态调试顺利完成,标志着研究所成功研制出了目前国内热功率最大、国际上氧气浓度最高的循环流化床富氧燃烧热态实验平台,燃烧最高氧气浓度达到50%。

  兆瓦级多种燃料燃烧实验平台成功进行了连续27小时的热态调试,形成了0.15MW-0.3MW-0.6MW系列循环流化床热态实验平台,可为多种燃料的循环流化床燃烧关键技术热态试验研究提供多种试验规模选择;建成“600-1000MW”超(超)临界循环流化床锅炉环形炉膛冷态试验台,是目前国内最大的循环流化床冷态试验台。完成的“生物质循环流化床直燃发电锅炉技术研发和示范”项目获得了2011年度国家能源科技进步奖二等奖;与企业合作的高温高压生物质直燃循环流化床锅炉通过了省部级新产品鉴定,鉴定委员会一致认为“达到国际先进水平”。

  突破三:先进轻型动力技术

  作为核心机主设计单位参与的国家高技术研究发展计划(863计划)先进能源技术领域微型燃气轮机重点项目课题“1 MW级微型燃气轮机及其供能系统研制”,通过科技部验收,标志着我国首台高性能1 MW级燃气轮机研制成功;采用最新发动机设计理念自主研发的某新型发动机取得重大突破,其性能指标与目前国际同类先进发动机性能指标基本相当;高速离心试验台完成平台建设工作。承担的院知识创新工程重要方向项目“某型燃气轮机技术研发与验证”完成核心机设计和设计评审,顺利通过院高技术局组织的中期评估。承担的973课题“钢铁生产过程的能源高效配置与余能梯级利用”对叶轮机械叶片全三维反问题优化设计方法进行研究,开发了相应的流场正问题计算和叶片反问题设计程序;建成中低热值伴生气燃烧室实验台,开展冷热态实验。

  五个重点培育方向

  培育一:多能源互补的分布式供能系统承担的国家863 目标导向“内燃机分布式冷热电联供技术与工程示范”课题顺利通过科技部验收。完成了1200 kW燃气内燃机发电、1160 kW吸收式制冷和100 kW吸收式除湿为主要设备的分布式冷热电联供示范工程建设。经华电电力科学研究院测试,该系统在额定工况下一次能源综合利用率达74%,与冷热电分产系统相比,系统节能率为29.3%,技术指标达到国内领先。

  培育二:新型燃气轮机关键技术

  完成了新型压气机试验件的加工与系统集成、暂冲式压气机实验台改造、新型压气机两级匹配规律研究、对转涡轮的气动优化设计及高负荷涡轮叶栅的流动特性实验;完成了换热器预冷的空气涡轮冲压发动机总体方案设计和性能分析;完成了廊坊实验基地暂冲式压气机/涡轮实验台的结构设计与场区平面设计、超音叶栅实验台的方案设计。建成了非相变传热机理试验平台,研究了适用于系统运行的高温工质,开展了系统结构、充装平台与试验平台设计建设等工作。

  培育三:风能利用技术

  对风力机非定常气动过程的流动特点和载荷变化规律开展了相关研究,优化了叶片设计和风力机控制策略,实现了致动线方法在风力机叶片整体载荷和截面气动力计算中的高效、准确应用;完成了风电叶片无损检测与现场检测等设备的招标采购工作;顺利通过了院风能利用重点实验室评估;完成了“适合中国风资源低风速特点的系列化风轮叶片研究开发”科技成果鉴定,获得了以师昌旭、倪维斗院士为首的鉴定委员会的高度评价,成果真正达到了国际先进水平;获得国家能源科技进步二等奖一项。

  培育四:太阳能热利用技术

  在中低温太阳能热化学互补发电技术方面原创研制了15kW槽式太阳能驱动甲醇裂解合成气的内燃机发电装置,成功实现了300℃太阳能燃料发电,太阳能年均净发电效率达到25%,标志着太阳能热化学发电实验样机研制的重大突破,为该技术向产业化迈进提供了坚实基础。建立了百kW槽式太阳能热化学发电系统设计方法和太阳能互补利用测试平台,开展了太阳能热化学互补发电关键过程研究,为研发百kW级太阳能热化学发电样机奠定了基础。在MW级光煤互补发电技术研究方面,提出了变辐照聚光集热岛与动力岛耦合的混联新型流程;探索性提出了太阳能热发电效率最优的全工况系统集成设计方法。

  培育五:大规模空气储能技术

  完成了15 kW超临界空气储能系统实验平台的建设与调试,开展了1000余小时超临界空气蓄热与蓄冷循环实验;1.5 MW先进储能研发与实验平台完成关键设备加工,正在进行安装与调试;10 MW超临界空气储能系统完成方案设计。完成了填充床材料密度、比热及比表面积等物性分析;进行了超临界空气-填充床储冷储热技术、过热蒸汽/水储热技术、潜热型功能热流体储热技术、喷淋填充床式中高温储热技术和中高温熔融盐相变储热技术等多方面的研究,均取得了一定进展。

  2013年,研究所共申报国家发明专利82项、实用新型专利35项,PCT国家阶段专利8项,申请软件著作权1项。授权发明专利42项、实用新型专利42项、外观设计专利1项,软件著作权登记1项。全所共发表论文367篇,其中SCI收录77篇、EI收录128篇,出版/参编专著3部。

  2013年,研究所完成的“我国城镇用能方式研究”获得2012年度国家能源局软科学研究优秀成果二等奖。