高效低碳燃气轮机试验装置项目试验平台初步设计-低碳超临界CO2循环试验台

2019年9月9日21:28:55高效低碳燃气轮机试验装置项目试验平台初步设计-低碳超临界CO2循环试验台已关闭评论 6 views

(一)采购标的需实现的功能或者目标,以及为落实政府采购政策需满足的要求

(1)试验台功能

本项目建设热功率5MWt的低碳超临界CO2循环试验台,为国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”建设项目试验台之一,项目建设具体地点为上海临港。

超临界二氧化碳(sCO2)循环是以超临界二氧化碳为工质的燃气轮机循环,因其具有紧凑、高效、经济、低碳和环保以及在多领域应用的巨大潜力而成为新型动力循环发展的国际前沿。

本项目拟建设的sCO2循环试验台将为开展sCO2循环及关键单元特性试验提供试验条件。试验台既能开展sCO2循环特性试验,也能开展构成循环的压缩机、透平、回热器等关键单元试验。在循环特性方面,具体包括:

  • 简单回热sCO2循环特性试验研究
  • 再压缩回热sCO2循环特性试验研究
  • 循环的启停特性试验研究
  • 循环的部分负荷特性试验研究
  • 循环的动态特性试验研究
  • 循环的控制策略试验研究
  • 循环的流程优化试验研究

在循环的关键部件研究方面,具体包括:

  • sCO2压缩机特性试验研究
  • sCO2回热器特性试验研究
  • sCO2的换热特性试验研究
  • sCO2透平特性试验研究

本项目试验台建成后,将成为总体技术水平和研究支撑能力位居世界前列的试验装置,支持超临界CO2循环等高效低碳新型循环燃气轮机的科学与技术问题研究。

本项目超临界CO2试验台主要技术参数如下表。

超临界CO2循环试验台主要技术参数表

单位 数值
超临界CO2循环流量 kg/s ≥25
超临界CO2预热温度 ≥600-700
超临界CO2最大压力 MPa ≥24
循环热功率 MWth ≥5

(2)试验台主要构成

试验台由压缩系统、回热系统、加热系统、膨胀做功及耗功系统、冷却系统、CO2存储及供给系统、管路系统、自动控制仪表及电气系统等构成。压缩系统用于循环试验系统内CO2的增压和循环。回热系统和加热系统用于对升压后的CO2进行升温。膨胀做功及耗功系统用于循环系统的膨胀做功,对高压高温CO2进行减压和减温。冷却系统的作用是对超临界CO2进行冷却。CO2存储及供给系统为循环系统提供所需的CO2量。系统自动控制仪表系统用于实现不同类型循环测试过程控制。电气系统用于循环系统各个设备的配、供电。

(3)试验台基本流程与参数

循环试验台基本流程图

本流程既可以简单回热循环运行,也可以再压缩回热循环流程运行。压缩机和透平不同轴。

其中,再压缩循环流程:近临界点的CO2进入CO2主压缩机,在CO2主压缩机中被加压缩以后,经过低温回热器加热,在低温回热器中升温,然后与CO2再循环压缩机出口的CO2混合,混合后的CO2送入高温回热器,在高温回热器中与透平排出的高温CO2气换热,高温回热器出口CO2接着进入加热器(燃气和/或电加热)被进一步加热到600℃-700℃。高温高压的CO2工质送入透平,在透平中膨胀做功,同时CO2的温度压力降低,透平出口的CO2依次经高温回热器、低温回热器,然后一部分CO2送入再循环CO2压缩机进口,另一部分CO2进一步冷却以后送至CO2主压缩机进口。

试验台以最高温度700℃和600℃参数运行时的节点参数如表所示。

透平进口温度700℃℃时的节点参数

节点 温度 ℃ 压力 MPa 质量流量 kg/s
1 700 23.72 23.3
2 577 8.96 23.3
3 189 8.83 23.3
4 78 8.69 23.3
5 78 8.69 15.1
6 35 8.55 15.1
7 68 24.1 15.1
8 179 23.99 15.1
9 78 8.69 8.2
10 179 23.99 8.2
11 179 23.99 23.3
12 530 23.86 23.3

 

透平进口温度600℃时的节点参数

节点 温度 ℃ 压力 MPa 质量流量 kg/s
1 600 23.72 25.2
2 486 8.96 25.2
3 189 8.83 25.2
4 78 8.69 25.2
5 78 8.69 16.3
6 35 8.55 16.3
7 68 24.13 16.3
8 179 23.99 16.3
9 78 8.69 8.9
10 179 23.99 8.9
11 179 23.99 25.2
12 441 23.86 25.2

 

(二)采购标的需执行的国家相关标准、行业标准、地方标准或其他标准、规范

本项目参考的相关标准包括但不限于:

TSG 21-2016 固定式压力容器安全技术监察规程;

TSG D0001-2009 压力管道安全技术监察规程-工业管道;

GB 50235-2010 工业金属管道施工规范;

GB 50316-2008 工业金属管道设计规范;

GB/T 25630-2010 透平压缩机性能试验规程;

API 617-2014 轴流、离心和膨胀透平压缩;

ASME PTC-10-1998 压缩机性能试验;

GB/T 8117.1-2008 汽轮机热力性能验收试验规程;

JB/T 9021-2010 汽轮机主轴和转子锻件的热稳定性试验方法;

GB/T 11348.2-2012 汽轮机组机械振动标准;

GB50093-2013 自动化仪表工程施工及验收规范;

HG/T 20507-2014 自动化仪表选型设计规范;

HG/T 20508-2014 控制室设计规范;

HG/T 20509-2014 仪表供电设计规范;

HG/T 20510-2014 仪表供气设计规范;

HG/T 20512-2014 仪表配管配线设计规范;

HG/T 20514-2014 仪表及管线伴热和绝热保温设计规范;

HG/T 20515-2014 仪表隔离和吹洗设计规范;

GB 50052-2009 供配电系统设计规范;

GB 50054-2011 低压配电设计规范;

GB 50055-2011 通用用电设备配电设计规范;

GB 50217-2007 电力工程电缆设计规范。

(三)采购标的需满足的质量、安全、技术规格、物理特性等要求

3.1 试验台工艺流程与参数

建成热功率5MWt的超临界CO2循环试验台,最终实现再压缩循环流程:近临界点的CO2进入CO2主压缩机,在CO2主压缩机中被加压缩以后,经过低温回热器加热,在低温回热器中升温,然后与CO2再循环压缩机出口的CO2混合,混合后的CO2送入高温回热器,在高温回热器中与透平排出的高温CO2气换热,高温回热器出口CO2接着进入加热器(燃气和/或电加热)被进一步加热到600℃~700℃。高温高压的CO2工质送入透平,在透平中膨胀做功,同时CO2的温度压力降低,透平出口的CO2依次经高温回热器、低温回热器,然后一部分CO2送入再循环CO2压缩机进口,另一部分CO2进一步冷却以后送至CO2主压缩机进口。附:在开展部件试验时,主压缩机与再压缩机不运行,通过CO2泵实现增压。

试验介质为纯度99.99%的超临界CO2,介质总流量范围25kg/s~50kg/s,介质压力范围为8~24MPa,介质高温范围为600~700℃。

低碳超临界CO2循环试验台系统要求具备不少于3种典型循环工艺流程,包括但不限于:简单回热超临界CO2循环、再压缩回热超临界CO2循环、跨临界CO2循环。

招标人已经给出了循环的基本流程和参数,投标人应根据本试验台的功能要求,进一步优化循环的工艺流程和参数。投标人应充分考虑本循环试验台需满足多种循环的试验,在工艺流程上要实现各种流程的切换,循环中各设备的选择要兼顾各种循环试验的需求。投标人在工艺流程基础上给出循环的PID图,及循环的启停、运行、变负荷、事故工况处理等的控制方法说明。

投标人须知,在设计中既要实现循环试验台的功能,又必须充分考虑尽量减少投资和运行费用。

3.2 压缩系统

压缩系统包括主压缩机、再压缩机和CO2泵。

主压缩机技术参数及要求:

工作介质:超临界CO2;进口压力:约8MPa;进口温度:≦40℃;出口压力:约24MPa;出口温度:≦70℃;设计流量约50kg/s;轴功率:≦0.5MW。

再压缩机技术参数及要求:

工作介质:超临界CO2;进口压力:约8MPa;进口温度:≦80℃;出口压力:约24MPa;出口温度:≦180℃;设计流量约9kg/s;轴功率:≦0.7MW。

CO2泵技术参数及要求:

工作介质:液态CO2;进口压力:约8MPa;进口温度:≦30℃;出口压力:约24MPa。

上述为压缩系统的基本参数,除上述基本参数外,CO2压缩系统至少还需满足如下功能要求:

(1)主压缩机和再循环压缩机均采用电机驱动,本循环试验台可以单独开展主压缩机和再压缩机试验,主压缩机和再压缩机同时也作为循环试验的一部分,在开展循环试验时与其他部件构成完整的循环。

(2)单独开展主压缩机试验时,在入口CO2处于超临界点附近,出口压力25MPa条件下,压缩机最大驱动功率4MW,压缩机最大流量50kg/s,最高转速不低于40000rpm。

(3)在CO2压缩机不工作时,可以通过CO2泵为开展循环试验及回热器、透平等部件试验提供24MPa以上的超临界CO2

投标人需在初步设计中给出压缩机的气动、结构、密封、轴系、轴向力平衡、驱动、性能测量及运行控制等基本设计方案。

投标人须对国内外典型厂家的CO2压缩及密封的方案进行调研分析,提出本试验台CO2压缩机的建议方案并完成初步设计。

投标人须对采用离心、活塞等类型的CO2泵就投资、占地、运行维护费用、泄露等进行比较,提出本试验台CO2泵的建议方案并完成初步设计。投标人须对CO2泵的入口温度限制研究提出建议方案,该方案应尽量提高CO2泵的入口温度,以减小CO2的冷却负荷和制冷的需求。

投标人须对采用溶液吸收式CO2升压(溶液在低压下吸收CO2,通过泵加压,在高压下再生,从而实现CO2升压的CO2增压方案)进行研究和初步设计。

投标人在压缩系统设计时,应充分考虑到本试验台为通用试验台,试验台的接口设计等应充分考虑不同用户开展压缩机试验的需求。试验台设计中要尽量的考虑模块式和可替换、可移动、可拆卸、可扩展。

3.3 回热系统

回热系统包括低温回热器和高温回热器。

低温回热器技术参数及要求:

冷流体侧:超临界CO2,入口温度≦70℃,入口压力约24MPa,流量约16kg/s,出口温度≦180℃,最大允许压降约140kPa;

热流体侧:超临界CO2,入口温度≦190℃,入口压力约8MPa,流量约25kg/s,出口温度≦80℃,最大允许压降约140kPa。

高温回热器技术参数及要求:

冷流体侧:超临界CO2,入口温度≦180℃,入口压力约24MPa,流量约25kg/s,出口温度≦450℃,最大允许压降约130kPa;

热流体侧:超临界CO2,入口温度≦500℃,入口压力约8MPa,流量约25kg/s,出口温度≦190℃,最大允许压降约130kPa。

上述给出了回热器的基本设计参数需求。投标人需对采用管壳式换热器和印刷电路板式换热器(PCHE)式的回热器方案进行基本设计与比较。

投标人在初步设计中应在本项目可行性研究的基础上进一步论证本项目试验台采用的回热器存在的安全、可靠性、性能等方面的风险,并在循环设计中考虑相应的措施。

投标人在设计中,还需考虑到,除上述参数低温回热器和高温回热器外,本循环试验台还需具备为用户测试新型回热器的功能需求,即本项目试验台能为用户测试新型回热器提供条件。

3.4  加热系统

工作介质:超临界CO2;流量约25kg/s;进口压力:约24MPa;出口压力:约24MPa;最大压力损失:约150kPa;进口温度≦450℃;最大出口温度:700℃;热功率:约5MW。

投标人应给出本循环试验台采用天然气燃烧烟气作为热源以及采用电加热作为热源的加热方案。

投标人在加热系统的设计中,应充分考虑加热系统的节能以及加热系统的变负荷能力是否能够满足循环不同工况运行的需要。

投标人应充分论证加热系统的安全、可靠性、性能等方面的风险,并在循环设计中考虑相应的措施。

3.5  膨胀做功及耗功系统

膨胀做功及耗功系统主要由透平机械和水力测功机组成。

透平技术参数及要求:

工作介质:超临界CO2;进口温度:约600℃;进口压力:约24MPa;出口压力:约8MPa;出口温度:<500℃;热负荷:>3MW。

膨胀透平和水力测功机的转速和功率范围应该能够匹配。

投标人的设计范围还应包括水力耗功机的给水与相应的水循环。

投标人应该在初步设计中对第三方单位给出的透平设计方案进行审核,并充分考虑本循环试验台可作为单独开展膨胀做功透平试验试验台的功能需求,试验台的接口设计等应充分考虑不同用户开展膨胀透平试验的需求。试验台设计中要尽量的考虑模块式和可替换、可移动、可拆卸、可扩展。

3.6 冷却系统

冷却系统包括预冷器(主压缩机前)、冷凝器、冷却/加热器(缓冲罐前)和冷却器(透平旁路)。

预冷器技术参数及要求:

CO2流量35kg/s,入口≦80℃/≦9MPa,出口≦35℃/≦8MPa。

冷凝器技术参数及要求:

CO2流量25kg/s,入口≦35℃/≦8MPa,出口≦15℃/≦8MPa。

冷却/加热器技术参数及要求:

CO2流量25kg/s,入口≦180℃/≦8MPa,出口≦80℃/≦8MPa。

冷却器技术参数及要求:

CO2流量25kg/s,入口≦600℃/≦24MPa,出口≦500℃/≦24MPa。

上述给出了冷却器的基本参数。

投标人须对上述换热器进行设计并比较采用管壳式换热器和PCHE换热器的设计方案。

3.7 CO2存储及供给系统

CO2存储及供给系统主要由CO2储罐、低温泵、汽化器和加热器四部分组成。

CO2储罐技术参数及要求:

工作压力:2.16MPa,工作温度:-40℃。

CO2泵技术参数及要求:

最大出口压力:10MPa;流量:18000L/h;进口压力:约2MPa。

汽化器技术参数及要求:

汽化量:10000Nm3/h;出口温度:25℃;工作压力:10MPa。

缓冲罐技术参数及要求:

适用于工作压力≤10MPa、工作温度≤100℃超临界二氧化碳的储存。

上述给出了CO2存储及供应系统的基本参数要求,投标人应根据循环需要进一步优化上述参数,并开展相应的设计工作。

3.8 管道系统及阀门

根据系统功能需求和各管段的运行参数(包括介质压力、温度、流量和密度等),设计管道系统和设定各管段设计压力和温度。考虑流速和流阻,同时满足设计压力和温度,来选择管径和壁厚、以及材料。

用于切断管道内流体的阀门及材质应满足系统运行工况和功能需求,并符合相关标准和规范。

3.9 自动控制系统

系统自动控制仪表系统用于实现不同类型循环测试工程中压缩升压、加热升温、透平做功、预冷降温等过程控制,以及关键部件运行参数、介质温度、压力、流量等参数的测试;并实现试验过程中温度、压力安全控制与保护。

控制的初步设计方案包括不限于P&ID图,管道、仪表、阀门清单,测控系统组成与网络结构,中控室方案等。具体如下:

P&ID图至少应包括不限于:必要的工艺管道、手动阀门、电控阀门、仪表。

管道、仪表、阀门清单包括不限于:管道选型参数、仪表规格参数、阀门规格参数。

测控系统组成与网络结构,包括不限于控制网络示意图、测控系统I/O清单、控制系统硬件配置清单、控制机柜布局等。

中控室方案。要求操作工位6个以上,视频监控集中显示,试验台中控显示和操作,包括不限于中控室占地、布局,土建、电气和信息化要求等。

3.10  电气系统

电气系统用于超临界CO2循环工艺系统配、供电。电气系统为压缩系统、加热系统、膨胀做功及耗功系统、冷却系统、CO2存储及供给系统、排气系统、自动控制系统等主要用电设备供电。

UPS、单独仪表地、电气地设计要求和初步方案。

上述给出了试验台的主要系统构成,投标人的工作范围还应包括为满足循环试验台功能需求所需的其他必要系统如CO2的排放等的设计。上述sCO2循环热力系统及部件参数并非最终参数,投标人在初步设计中应根据招标人需求对热力系统方案开展优化工作。

试验台所需的公用工程不是本试验台的设计范围,但是水力耗功机的水循环包括在本循环试验台的设计范围内。

试验台厂房的设计不是本招标书的工作范围,但是试验台的初步设计需提出各设备及试验台的土建条件。

(四)采购标的的数量、采购项目交付或者实施的时间和地点;

投标人完成初步设计后,需提供满足本试验台初步设计评审所要求深度和范围的可编辑版本资料,包括但不限于:

内容 交付形式
试验设备与子系统的功能说明 报告
总体设计方案
工艺说明书
试验设备的总体参数、各子系统主要参数
设备及系统/子系统说明书
管道系统说明书
管道等级表
管道材料表
阀门规格书
自动控制及仪表说明书
测控系统I/O清单
控制系统硬件配置清单
仪表数据表
自控系统材料估算表
电气说明书
电气设备表
电气材料估算表
对交付周期较长的部件的说明
需要进行分析、计算的项目及拟采用的方法
对合同技术要求的偏离,偏离的影响评估
对较高风险项的初步识别,提供控制与应对措施
调试和验收程序概要
试验设备与公共工程(水、电、气等)相关接口的初步说明
工艺流程图 设计图纸
初步的厂房布局图
初步的设备总体布局图
P&ID图
控制网络示意图
联锁系统逻辑图
中控室布置图
气体检测报警布置图
初步的管道布局图
初步的电气及控制原理图
配电间布置图
电气单线图
测试原理图
各设备的设备条件图
标准单体设备的主要规格参数、原产地、供货周期和初步报价 设备清单
非标单体设备的设计输入参数、初步方案、供货周期和初步报价
投资概算及单价100万以上外购设备的概算依据 概算表

注:不包括土建和公用工程。

除上述资料外,投标人需配合招标人完成试验台初步设计材料的归档,提供相关的必要资料。

(五)采购标的需满足的服务标准、期限、效率等要求;

服务标准:按时完成服务工作,与业主保持良好沟通,及时解答业主问题,按时、保质、保量完成业主提出的服务要求。本试验台是中国科学院工程热物理研究所承担的国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”的一部分,投标人所形成的初步设计深度需至少满足该项目通过初步设计评审的需求。

服务期限:签订合同后60日内。

服务效率:服务期内如需沟通或交付材料,供方在接到通知后,及时响应,按时、保质、保量完成服务任务。

(六)采购标的的验收标准;

执行相关标准规范、合同、招标文件及中标人投标文件条款,达到验收合格标准。本试验台是中国科学院工程热物理研究所承担的国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”的一部分,“高效低碳燃气轮机试验装置”项目的初步设计评审(包括技术评审和概算评审)验收视同本试验台初步设计的验收。

(七)采购标的的其他技术、服务等要求。

履行合同要求的同时,按照采购人要求提供后续相关服务。

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