中国科学院工程热物理研究所 中国科学院北京分院
重点研究领域:轻型动力、煤炭高效清洁利用、分布式供能与储能、新能源及可再生能源研究、传热传质技术研究等
所在地:北京市,北京
机构简介:

工程热物理研究所的前身系吴仲华先生1956年创建的中国科学院动力研究室,目前已经建设成为以“动力与电气工程”和“能源科学技术”并举的战略高技术研究所。建所以来,研究所取得了一系列有目共睹的成绩,共获国家级二等和院、部级二等奖以上奖项40余项,国家级三等和院、部级三等奖50余项。 研究所共有职工474名,专业技术人员442名,其中中国科学院院士2人,正高级43人,副高级113名。具有国家“动力工程及工程热物理”一级学科博士与硕士学位授予权和“环境科学与工程”一级学科硕士学位授予权,设有国家博士后流动站,现有在站博士后21人,在读博士生106人,硕士生140人。在人才队伍培养方面成效显著,2015年新增中国科学院特聘研究员6人,中科院“百人计划”评估优秀1人,“优青”1人,中国科学院关键技术人才1人,中国科学院“青年创新促进会”会员4人,中国科学院创新交叉团队1个,吴仲华优秀青年学者奖1人。 2015年,为确保国家863、973、“一三五”、先导专项等科研任务顺利结题,打好收官之战,研究所全面跟踪科研任务实施进度确保任务完成,继续深化战略规划增强学科实力,进一步加强队伍建设提高科技创新能力,持续完善规章制度强化科学管理,完善分类考核考评机制,持续开展“和谐研究所建设”,新成立纪监审办公室,为研究所持续健康快速发展打下基础。 2015年,研究所科研进展平稳,争取科研经费再创新高,重大重点项目进展顺利。全年研究所共新增科研项目100项,新签署合同经费约5.6亿元,到所科研经费约3.56亿元。研究所共申报国家发明专利94项,实用新型专利44项,PCT国际阶段专利3项,PCT国家阶段专利6项,申请软件著作权5项。授权发明专利61项,其中国际专利2项,实用新型专利48项,软件著作权登记6项。全年发表SCI收录论文138篇,EI收录论文297篇。 2015年,在全所同仁的努力下,“一三五”规划中重大突破方向“先进轻型动力技术”和重点培育方向“多能源互补的分布式供能技术”、“新型燃气轮机关键技术”获评“院优秀”。各科研方向进展顺利:轻型动力方面,利用自主研制的80公斤推力涡喷发动机,和兄弟单位联袂完成了X代机模飞机在复杂环境下自主起降的模飞试验,青岛轻型动力研发基地和巢湖微小型燃气轮机研发与产业化基地按计划稳步推进;煤炭高效清洁利用方面,“25000Nm3/h循环流化床煤制工业燃气技术”、“40000Nm3/h常压循环流化床煤气化制清洁工业燃气技术”通过省部级鉴定;分布式供能与储能方面,牵头编写的我国首部分布式能源系列国家标准“分布式能源系统节能率”通过标准审定会审定,国家能源大规模物理储能研发中心落户贵州毕节,10MW级超临界压缩空气储能系统研发进展顺利;新能源及可再生能源研究方面,“适合中国风资源特点的风电叶片设计技术”团队荣获2015年度中国科学院科技促进发展奖“科技贡献二等奖”;传热传质技术研究方面,建成国内首座高温高压液态铅铋合金-氦气流动换热综合实验测试平台并投入运行;研发的多COB集成光源300W LED诱鱼灯目前已进入批量生产和销售阶段;工业燃气轮机研究方面,完成具有完全自主知识产权的H级参数指标的重型燃气轮机初步设计方案,为争取两机专项相关任务奠定了基础。 2015年,组织并顺利通过院“轻型动力重点实验室”的评估工作,组织召开了院“风能利用重点实验室”学术委员会。依托所级公共技术服务中心,对研究所科研仪器设备的使用和共享进行管理,11月底通过了院条财局组织的所级中心择优支持评审。廊坊基地二期18812平米的科研试验综合大楼正式开工建设,进一步确立了以中关村本部为核心基础平台,以廊坊研发基地为综合实验平台,以京外科研基地、分所为专业化研究平台的基地建设布局。 2015年,研究所与地方政府及企业间的合作进一步加强,全年与企业新签横向合同45项,签约额高达32647万元,全年实现到所经费8450余万元。研究所将持有的24.275%中科合肥微小型燃气轮机研究院有限责任公司的股权进行对外转让,实现研究所股权增值和科技成果转化以及运营收益最大化,为研究所今后科技成果转化提供更多的资金支持。 2015年,研究所国际合作步上新台阶,4项院“国际人才计划”项目获资助,5项国家国际科技合作专项项目进展顺利。全年研究所派出出国(境)43批109人次,去往俄罗斯、美国、英国等17个国家进行合作研究与学术交流。2015年,研究所重视与国外合作者间的高层互访,所长率代表团参加第12届ISAIF会议,并在大会开幕式上致辞,在国际舞台上展示了研究所的形象。先后接待了朝鲜国家科学院、英国阿尔斯特大学、芬兰阿尔托大学等来访。全年共吸引国外科学家、学者来所访问、合作考察及合作研究20批25人次。 《工程热物理学报》与 Journal of Thermal Science 两个学报连续三年获得中国学术文献国际评价研究中心授予的“中国国际影响力优秀学术期刊”称号。《工程热物理学报》开通网上自由投稿系统,建立审稿专家信息库,引入中国知网科技期刊学术不端文献检测系统,采取多项措施提高期刊质量。

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科研成果
环境保护与资源综合利用

城市生活垃圾焚烧发电技术(循环流化床技术)

项目概况: 循环流化床垃圾焚烧炉的炉内循环灰作为热载体,蓄热量大,燃烧稳定性好,温度均匀。流化床燃烧温度在850~950℃之间,过量空气系数小,氮氧化物生成量少,有害气体生成易于在炉内得到控制,为新一代“清洁”焚烧炉。 通过采用外置换热器技术,彻底解决金属管材在高温烟气区的氯化氢腐蚀问题,不仅延长设备使用寿命,而且提高了过热蒸汽参数和发电效率,可以实现与我国常规汽轮机组配套。 垃圾焚烧发电厂由垃圾预处理系统,垃圾给料系统,循环流化床垃圾焚烧系统、烟气净化系统、排渣系统、灰渣综合处理系统、汽水系统、仪表控制系统、水处理系统、电气控制系统、汽轮机及发电系统、输配电系统等组成。 技术创新性: 1. 最能适应中国垃圾高水分、低热值的特点。 2. 助燃煤掺烧热值比例可控制在20%以下,大城市可实现不掺烧助燃煤,符合国家产业政策。 3. 能够有效控制垃圾焚烧过程中有害气体(二噁英)的产生。 4. 通过添加石灰石实现炉内脱硫,通过尾气处理后,大大降低了有害气体排放,其中二噁英类物质含量超国家标准,可达到欧盟标准。 5. 通过喷洒活性炭和消石灰可有效脱除烟气中氯化氢、氟化氢、二氧化硫等有害气体。 6. 燃烧彻底,垃圾减量98%以上,减容90%以上。 7. 灰渣无臭味,可直接填埋,也可用于生产建筑材料。 主要应用范围: 1. 余热利用:可用于10~20万人口,中等发展水平,土地资源紧张,地下水水位较高的小型城市。 2. 上网发电:适用100万人口以上的城市、经济发达城市、旅游城市。如珠江三角洲、长江三角洲等区域。 市场前景: 1、在环境友好方面:循环流化床优于炉排焚烧技术。循环流化床分级燃烧,温度均匀,NOx生成量少;炉内添加石灰石脱硫,灰渣燃尽率高;渗沥液同时被消纳;烟道中二噁英生成的催化作用被遏制。 2、在建设投资方面:循环流化床低于炉排焚烧炉,循环流化床拥有自主知识产权,全部国产化;燃烧强度高,炉体尺寸小,占地小,耗钢量少;焚烧炉本体无运动部件,制造难度小。 3、在运行费用及收益方面:循环流化床优于炉排焚烧技术。可不用燃油而用煤稳定燃烧,且用量低,渗沥液入炉消纳,不必专设污水处理站;无运动炉排,维护费用低蒸汽过热器不与烟气接触;无HCl腐蚀之忧,蒸汽参数高,发电效率高,售电收益高。 合作案例: 四川彭州垃圾焚烧厂:2×100吨/日垃圾焚烧炉。本项目是中科院循环流化床焚烧技术产业化的第一个项目。2002年初投入运行后,处理规模、运行与排放指标全部达到了设计目标,获得良好的社会影响和环保效益。 浙江嘉兴垃圾焚烧发电厂:2×250吨/日垃圾焚烧炉+12MW汽轮发电机组。本项目是中科院循环流化床焚烧发电技术第一个产业化项目。由浙江某民营企业投资,运用中科院循环流化床焚烧发电技术。项目于2003年5月开始并网发电,当年8月通过了国家环境保护总局国家环境分析测试中心的严格测试,各项焚烧排放指标均达到并优于国家环保标准限值,2004年6月通过了浙江省环境监测中心站“建设项目竣工环境保护验收监测与评价报告”。 广东东莞垃圾焚烧发电厂(BOT):3×400吨/日垃圾焚烧炉+2×15MW汽轮发电机组。东莞垃圾焚烧发电厂是中科集团参与投资建设的第一个垃圾焚烧发电项目。东莞项目总投资为3.5亿元人民币、日处理垃圾1200吨,年发电量可达2.3亿度,采用中科集团拥有自主知识产权的循环流化床焚烧发电技术。项目于2003年10月开工建设,于2007年1月正式运营。目前,该项目运营情况良好,基本达到了政府和投资者的预期。该项目是中科集团循环流化床焚烧发电技术的又一次成功实践,标志着该技术产业化进入了一个崭新的阶段。 宁波镇海区垃圾焚烧发电厂(BOO):2×400吨/日垃圾焚烧炉+2×12MW汽轮发电机组。宁波镇海垃圾焚烧发电项目是中科集团主导投资建设的第一个垃圾焚烧发电项目。项目总投资2亿元左右,日处理生活垃圾600吨,年上网电量可达1亿度,采用循环流化床焚烧发电专利技术。镇海项目于2005年10月开工,并于2006年12月建成投产。目前,镇海项目运行情况良好。镇海项目建成投产是中科集团进军能源环保产业的一个里程碑,标志着中科集团具备了投资、建设和运营垃圾焚烧发电厂的实力。此外,镇海项目入选“建设部2007年科学技术项目计划——市政公用科技示范工程”。

先进制造技术

斯特林发动机与太阳能碟式热发电技术

项目概况: 斯特林机,又称为热气机,是一种外燃机,即依靠外部的热源对密封在机器中的工质加热,进行封闭式循环,推动活塞做功。斯特林机对外燃方法无特殊要求,只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可,因此加热方式灵活:既可以使用传统的化石燃料,又可以使用太阳能、生物质能,以及具有一定温度的工业废热作为热源,或者几种形式的热源混合利用。 在石化能源危机越来越严重的今天,斯特林机由于其不受热源形式限制的突出优点,备受人们关注;加上运行噪音低,热效率高等优点,有望发展成为一种成熟可靠的用于分布式供能系统的动力设备。但其关键技术在世界上仍只掌握在美国、德国、瑞典等少数几个国家相关研究机构和企业手里,并且对中国属于禁运产品。 基于国家863计划支持下,中科院工程热物理所经过多年对斯特林机关键技术的研究和探索,已掌握了一些关于斯特林机的关键技术,申请专利近10项,已获得授权4项,目前已研制出: (一)用于太阳能碟式热发电系统的1kW—20kW范围的斯特林机; (二)生物燃气驱动的40kW以内功率范围的斯特林机; (三)基于上述热源驱动的斯特林机的分布式冷热电联供系统。 应用领域: 中国的太阳能和生物质资源都非常丰富,由于斯特林机的外燃性,可以实现用太阳能—生物燃气互补的方式驱动,使得该系统能够连续稳定地工作,达到充分利用太阳能和生物质资源的目的。目前,该技术可用于: 1. 太阳能碟式热发电(成本低于光伏发电,发电效率可达到光伏的一倍); 2. 秸秆燃烧发电; 3. 沼气燃烧发电; 4. 余热发电。 项目市场: 中国广袤的农村地域既有利于太阳能的获取和利用,又有丰富的生物质来源,为斯特林机互补式发电系统创造了优良的客观条件,因此其潜在市场巨大,该技术可用于以下地区或场合: 1. 高耗能企业工厂或农村自给发电; 2. 在海边别墅区自给发电; 3. 中国西北沙漠地区建造太阳能发电厂; 4. 无法拉电网的地区,用于自给发电。 项目现状: 该技术已完成实验室理论样机阶段,关键技术都已掌握。

先进制造技术

大规模先进空气储能技术研发与示范

项目概况: 电力储能系统是可再生能源大规模利用、提高常规电力系统效率和安全性,以及智能电网和分布式能源系统的关键技术。预计到2020年我国电力储能装机容量需要达到60GW以上(新增50GW),占全国电力总装机容量4.0~4.5%;以2009年不变价格计算,我国储能系统的市场规模可达5000亿元,市场潜力巨大而紧迫。开展电力储能系统的研发与示范具有强烈的科技和产业化需求,在国内外有相当广泛的应用前景和市场需求,在科技应用方面有明确的工程背景和重要的研究价值。 压缩空气储能系统是最有发展潜力的大规模储能系统。但是传统的压缩空气储能系统存在两个主要问题:依赖化石燃料和大型储气洞穴。中科院工程热物理所在2009年提出并自主研发了大规模先进空气储能系统,该技术在传统的压缩空气储能系统中加入了蓄热装置,并将压缩空气的压力大幅提高,从而解决传统压缩空气存在的主要问题。 本项目研发具有完全自主知识产权的大规模先进空气储能系统关键部件与系统集成技术;建立大规模先进空气储能系统集成验证平台;完成MW级先进空气储能系统的样机研制与应用示范,形成一定的产业化能力。由此推动大规模电力储能技术的产业发展,并为实现电力峰谷调节、能源节约、电力安全、新能源和分布式能源大规模发展做出贡献。 技术创新性: 该新型大规模先进空气储能系统,具有储能规模大、效率高、投资成本低、储能周期不受限制、适用各种类型电站、运行安全和环境友好等优点,具有广阔发展前景。主要考核指标如下: (1)关键部件研发:压气机总压比不小于200;压气机效率不低于72%;膨胀机效率不低于80%;换热器蓄热/换热效率不低于90%; (2)系统集成:系统功率不低于1.0MW,机组总效率不低于60%;系统热耗散损失不高于1.0%/天; (3)工程示范:完成MW级系统168小时示范运行; 技术研发及产业化发展方向: 在1年内,完成具有完全自主知识产权的大规模先进空气储能系统设计;掌握超临界空气蓄热(冷)/换热器、超宽负荷压气机、高负荷多级向心透平等核心部件关键技术;在2年内,完成MW级先进空气储能系统的集成验证实验;在3年内,完成MW级先进空气储能系统应用示范;并初步实现MW级先进空气储能系统的产业化。 社会经济效益: 大规模先进空气储能系统的应用对国家电力系统的稳定运行具有至关重要的意义,对电网能源效率提升和以风电、太阳能光伏发电等可再生能源高效利用和并网发电具有重要的作用,可以为分布式能源系统与电力系统的对接提供支撑。促进可再生能源利用的同时,可以实现我国“十二五”期间乃至2020年的能源利用目标和环境保护目标,是实现我国建设资源节约型、环境友好型社会的重要途径,是落实科学发展观的重要措施。同时,对于作为终端能源使用者的广大公众,由于采用储能装置调节了峰谷电能,可以提供更为合理的能源使用价格,对促进国民经济和社会良性发展起到了重要作用。在此大环境下,本项目的实施具有较高的社会效益。 合作方式: 成立公司

环境保护与资源综合利用

新型高效传热技术

项目概况: 中科院工程热物理所基于国家自然科学基金、863计划、973计划及中科院创新性等项目地支持下,自主研发的高强度传热新技术,具有高热流密度传热(传热热流密度可达到1000W/cm2以上),热端表面温度均匀,取热和传热能力远高于传统的强制风冷、强制水冷、相变换热及热管技术,并且结构简单、制造容易、成本低、稳定性好等特点,尤其适用于热量集中、热量密度大且需要散热的场合,能够实现低温差大热流密度传热,无热量集中点。该技术能够有效解决大功率激光器、大功率LED、电力电子、工业余热回收等行业的传热问题,具有较高的科研及实用价值,获得多项国家专利。 技术创新性: 该高强度传热新技术拥有自主知识产权,国内外尚未见到相关报道。同时由于项目团队采用独有的技术手段,使其在传热元件加工时间、加工成本方面具有较强的竞争力,传热元件传热能力超过目前现有的强迫对流换热和相变换热。 应用领域: 近年来,随着科学技术的发展,新能源技术、节能减排、先进制造技术及新兴科学技术的快速发展使传热传质学不断面临着全新的挑战与难关,高热流密度散热与高效热传输问题已经突显出其重要性,成为制约多种行业发展的瓶颈问题。此技术可广泛用于国防、工业生产、电子/电力行业的散热及余热回收,为这些行业的节能减排及安全运行提供先进技术。 项目现状: 目前,中科院工程热物理所已利用该技术成功开发了一些产品,如碟式太阳能集热器、大功率激光器接收器、大功率LED散热器等。其中研发的碟式太阳能集热器在直径8 m的碟式太阳能聚光镜中的进行了示范使用,在太阳光全年平均光照强度800W/m2的北京地区,冷却水通过该太阳能集热器吸收的热量在冬季可高达40kW以上,用于供暖及提供生活生产热水。

环境保护与资源综合利用

合成弛放气燃气轮机发电关键技术研发与示范

项目概况: 完成以合成油弛放气为燃料的燃气轮机发电系统集成设计、QD128燃机改烧合成油弛放气技术和合成油弛放气加湿加热系统自主研发,并应用于潞安油电联产示范工程。IGCC联产清洁替代燃料(煤基合成油)和大宗基础化学品,可以突破单一行业内提高效率、改善经济性、控制排放的局限,通过不同行业的有机融合和不同技术的协同,将煤单一利用模式发展成物质转化与能量转换集成的综合利用模式,形成新兴的综合能源企业、综合能源材料企业等;推动煤气化、重型燃气轮机等重大装备的自主创新,制造业产品结构调整,形成持续的竞争力。本项目的实施将树立我国在油电联产领域自主创新的信心;提高该领域系统集成和工程成套能力;对煤化工行业的节能减排具有示范带头作用。对电力行业以IGCC实现煤电可持续发展具有示范带动作用。 预期目标: 实现合成弛放气燃气轮机发电关键技术研发、示范与验证,完成系统数据采集与分析工作、系统验证工作。通过煤炭联产系统核心单元技术的研发,达到以下考核指标:充分利用燃气轮机排气低品位余热通过湿化加热系统使燃料气湿度大于20%v,温度高于165℃。 重点研发工作包括:1)自主研发QD128燃机改烧合成油弛放气技术进行,参与燃气轮机系统联合调试运行。2)湿化器的放大和应用,完成10MWe以上级燃气轮机机组的燃料湿化系统示范研究。3)以合成弛放气为燃料的燃气轮机发电的集成设计。4)联产系统的数据采集、分析与系统改进,为更大规模的油电联产系统设计提供参考依据。预计2011年实现油电联产示范运行,达到预定的技术指标,潞安集团在16万吨示范厂和10MWe联合循环发电装置建设的基础上,将示范成果应用于工业化生产,建设规模为600万t/a(当量油品)、发电装机容量532MW。项目分二期建设,一期工程规模为300万t/a(当量油品),联合循环发电装置266MW,预算总投资为200亿元,年销售总额65.7亿元,税后年均利润17.5亿元,全投资内部收益率(税后)12.73 %。二期工程将在一期项目的基础上,根据市场状况扩大生产规模,再建一个规模为300万t/a的工厂、联合循环发电装置266MW,到“十二五”末,实现油品总量600万t/a、发电装机容量532MW的规模。为了降低产品成本,大型合成油的发展必须与联产相结合,小型联产系统的运行经验,将为大型油-电联产系统的方案设计和系统运行奠定基础。本项目的实施将为潞安集团一期工程的后续项目以及二期工程的实施奠定坚实的技术基础和人才基础,为我国油电联产的发展积累经验和数据。

环境保护与资源综合利用

适用于分布式供能系统的微型燃气轮机

项目概况: 重点描述项目价值、意义,项目在国内外市场所处位置,对国民经济发展影响,项目是属于技术驱动型还是市场拉动型等; “适用于分布式供能系统的微型燃气轮机”项目旨在进一步提高我国MW级地面燃气轮机及其相关产品的研发能力,形成我国MW级地面燃气轮机产品较完整的自主知识产权体系,为开拓以微型燃气轮机为核心的分布式供能系统提供支撑。MW级燃气轮机及其分布式供能系统,对于我国发达地区进一步提高能源利用效率、改善人民生活质量,对于西部地区及边远地区进一步加快能源开发利用、提高人民生活水平,都具有重要的推动作用。 技术创新性: 重点介绍项目成熟度、技术创新度以及项目实现产品的关键技术指标,并需配合与国内外同类技术、产品指标对比; 本项目以国家863计划重点项目的研究成果为基础,目前已掌握微型燃气轮机的设计方法和关键技术。采用了多级高效、高压比离心压气机的设计方法与制造技术;高温、高转速条件下,长寿命高低压燃气涡轮及具有可调导叶的动力涡轮的设计方法与制造技术;长寿命、低排放、多燃料、预混燃烧室的设计和制造技术;长寿命、低成本先进MW级燃气轮机结构设计与制造技术;先进MW级燃气轮机冷热电联供系统集成与示范技术。 主要技术指标: 输出功率不低于1000kW;燃气轮机热效率大于26%;可燃用天然气等气体燃料及柴油等液体燃料;燃烧天然气时NOx排放(折算含氧量为15%)低于9ppm,CO排放(折算含氧量为15%)低于9ppm;燃气轮机示范装置噪声小于85分贝(距离主机1米处);燃气轮机示范装置连续可靠运行400小时,系统综合热效率达到80%以上。燃气轮机设计维修周期大于24000小时;燃气轮机的压气机及转子等关键部件设计寿命大于20年。本燃气轮机达到国际同类产品的技术水平,在价格和售后服务方面更有竞争力。 技术研发及产业化发展方向: 重点介绍项目为进行产业化发展所进行的下一步重点研发工作,以及产业化发展规划;预计产业化时间; 本项目开展用于分布式供能系统的MW级地面先进燃气轮机及其配套设备的研制工作,目标是在我国实现先进MW级地面燃气轮机设计、试验和制造的全过程,建立国产先进MW级燃气轮机冷热电联供系统应用示范,填补国内空白并缩小我国MW级燃气轮机技术与国际先进水平的差距。 目前正在进行关键部件的串装试验,并在积极准备实施本项目研发的MW级燃气轮机的冷热电联供应用示范,为本项目提供产业化验证,预计将于2013年开始准备产业化。 社会经济效益分析: 我国上海、北京、广东等经济发达地区对MW级燃机产品有比较迫切的需求并开始应用。在国内,MW级燃机首先获得应用的将是一些有特定需求的部门和地区。如:机场候机楼、大学建筑群、商业或复合型建筑群、高档宾馆、写字楼、商场、医院、电信部门、政府和军队重要办公设施等。随着小型燃气轮机机组产品技术的不断完善和产量的增加,单位功率价格的降低,以及电力系统垄断格局的改变,预计MW级燃气轮机机组的市场需求将会有较快的发展,MW级燃气轮机及其冷热电联供系统将得到推广应用。 MW级燃气轮机的技术研发将极大推动我国舰船、车载燃气轮机技术的发展,并缩短我国舰船、车载动力与国外先进水平的差距,对我国国防建设具有重要意义。军方对该小型燃气轮机有着迫切的需求。 合作方式: 成立公司