国家重点基础研究发展计划（973计划）项目申报书-复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科学问题.doc

1、项目名称： 复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科学问题首席科学家： 谭建荣 浙江大学起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 教育部 浙江省科技厅二、预期目标1 总体目标针对国家重大工程建设与重要工业生产对复杂空气分离类成套装备的重大战略需求，研究复杂空气分离 类成套装备超大型化与低能耗化中的关键科学问题，揭示低能耗驱动大尺度混合流复杂界面形成规律，构建超大型化复杂空气分离类成套装备的多场耦合与多变量关联设计理论，探明高可靠性复杂空气分离类成套装备关键机组关键部机长寿命与稳定运行机理。在全过程大尺度混合流界面的能量迁移分析、多工况多参数多场耦合设计、多机组多部机寿命均衡

2、设计与保质制造等方面取得源头创新成果，使我国复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化研究达到世界先进水平。同时， 为国家培养一批从事复杂空气分离类成套装备研究、设计与制造的青年学术带头人和研究骨干。2 五年预期目标1）在理论研究方面：通过本项目研究，为 812 万等级复杂空气分离类成套装备设计制造的关键技术创新提供理论与方法支撑： 掌握临界和超临界状态空气物性参数，揭示空分成套装备内部多相流体的非定常流动演化机理，探索非平衡状态下全过程大尺度混合流复杂界面的渐变形成规律； 揭示压缩机、膨胀机等高速透平转子系统在多场耦合作用下的非线性振动特性与系统故障特征的映射关系，建立连续离散混合动力学系统统

3、一表征理论，揭示空分成套装备机电、汽液、流固及热 固多场耦合的作用机理与解耦机制。 掌握超大型空分成套装备多机组参数跨学科关联机理，揭示机组界面参数的相互作用及其传递规律，为空分成套装备多性能关联设计与工艺关联设计提供理论基础； 揭示复杂工况下超大型空分成套装备关键机组高可靠性长寿命机理；揭示关键零部件多尺度高精度保质制造机理，阐明零部件质量特性与机组、成套装备性能的映射规律，为超大型空分成套装备稳定可靠运行提供理论与方法基础。2）在工程应用技术方面: 在若干关键技术上取得创新和突破，使我国超大型、低能耗空气分离类成套装备研发水平跻身于世界前列，通过成果转化提高超大型、低能耗空气分离类成套装备

4、的自主设计与制造能力。 实现 812 万等级复杂空气分离类成套装备自主设计，氧气纯度 99.6% 以上，适应 15%变负荷运行，外 压缩流程单位氧产 量电耗 0.365-0.38kWh。混合工 质的摩尔组分数据精确到 0.1ppm，物性库计算值基本误差在 0.5%以内。 建立空分成套装备关键机组不同结构的流场分布模型；突破多轴齿式循环增压机、高强度特长特宽板翅式换热器等核心机组的关键设计技术，形成多轴齿式循环增压机、大型低温透平膨胀机与离心增压机的热力性能、气动性能描述与动态仿真方法， 实现高速透平机械能耗控制与性能预测； 实现高可靠性的空气分离类成套装备关键零部件多尺度高精度保质加工与质量控

5、制技术；创建空分成套装备核心零部件多源多工序质量诊断、控制与补偿方法体系。 构建超大型空分成套装备关键机组性能实验台，为空分成套装备关键机组性能分析、状态监测、故障 诊断与稳定运行提供实验依据。在国内外重要刊物上发表论文 300 篇以上，其中 SCI/EI 收录 200 篇以上；申请发明专利 2030 项；形成一支具有国际影响的从事空气分离装备理论与技术研究的队伍，培养一批优秀中青年人才，包括站在国际前沿的学术带头人 12人，博士后、博士和硕士生 150 人。三、研究方案1、学术思路本项目的学术思想是针对复杂空气分离类成套装备超大型化、低能耗化的核心技术， 围绕三个关键科学 问题，开展六个方面

6、的研究工作，在全 过程大尺度混合流界面的能量迁移分析、多工况多学科多参数耦合设计、多机组寿命均衡设计与保质制造等方面取得源头创新成果。工作思路如 图 1 所示。设计制造需求空气分离成套装 备超大型化适应节 能减排需要的低耗化复杂工况极端使役条件下的高可靠性关键科学问题低能耗驱动的大尺度混合流复杂界面渐变形成规律高可靠性关键部机的寿命均衡 设计与稳定运行理 论超大型化多机组多变量关联的场分离与场耦合原理主要研究内容1. 大尺度混合流与非定常流动界面形成规律2. 大型装备中动力学非线性耦合机理3. 复杂工况多机组多变量关联设计理论4. 多机组同步稳定与寿命均衡设计原理5. 关键部机高强度大构件保质

7、制造技术6. 超大型空分装备性能实验、仿真与集成机械、低温、力学、信息、化工等领域综合交叉图 1 项目整体学术思路源头创新成果全过程大尺度混合流界面的能量迁移分析理论多工况多学科多参数耦合设计理论多机组寿命均衡设计与保质制造技术空分装备性能数字化仿真与综合实验平台2、技术途径本项目的技术途径是结合制造科学的研究前沿和复杂空气分离类成套装备的发展趋势，从超大型空分成套装备设计制造的关键技术中凝炼科学问题，采取理论研究、 规律探索与实验验证相结合、前沿技 术研究与工程应用示范相结合的方式，集中和融合高等学校和装备制造企业各自的优势，开展复杂空分成套装备超大型化与低能耗化设计制造的关键科学理论和核心

8、设计制造技术研究，并将研究成果用于指导工程实践。3、特色与创新1）项目特色 多学科综合交叉：复杂空气分离类成套装备超大型化、低能耗化与高可靠性设计制造的关键科学问题涉及学科广泛，必须用多学科交叉的研究模式加以解决。通过低温、力学、化工学科的交叉，解决低能耗驱动的大尺度混合流复杂界面渐变形成规律与能量迁移机理；通过机械设计、信息学科的交叉，解决超大型化空分成套装备非线性动力学耦合与多工况多学科多参数关联设计问题；通过机械制造、低温、力学学科的交叉，解决复杂空气分离类成套装备运行稳定、关键零部件寿命均衡及关键机组保质制造问题。 原始创新与集成创新相结合：在深低温混合流多相传热传质理论、装 备非线性

9、动力学场分离与场耦合机理、多变量多参数跨尺度异域关联机理、多机组寿命均衡与保质制造技术等方面形成原创性成果的基础上，通过多学科多系统技术成果融合汇聚，在 812 万等级超大型空分成套装备设计制造中实现集成创新，为形成具有市场竞争力的产品提供科学技术支撑。 基础研究与装备应用相结合：从复杂空气分离类装备超大型化与低能耗化自主设计制造中提炼科学问题，解决超大型、低能耗复杂空分成套装备在机理、设计、制造与运行中的关键 技术问题，在国内空分装备制造的龙头企业杭州杭氧股份有限公司的产品开发中实现应用验证，保证了基础研究有明确的载体。2）项目创新 采用深低温多相传热传质理论和多相流动交互作用理 论研究超大

10、型、低能耗空分装备空分过程能量流动规律，建立以 Helmholtz 自由能为状态参数基准，以格鲁尼森数为准则的仿生进化热力学优化方法，以重正化群理论约束临界区热物理奇异性为基础的深低温空分混合流体状态方程与新型混合法则。 采用全三元可控涡理论及非定常流固耦合理论，研究大型离心 压缩机内能量迁移规律，揭示叶轮内流体状态控制与叶片光滑可加工性之间的关联特性,提出低能耗大压比高可靠性空压机设计制造新方法，突破国外在先进空压机技术方面的封锁。 提出基于数值与几何相结合的空分成套装备多机 组关联、多层次分析和多参数设计技术，揭示机组 界面多变量多参数的关联机理以及机组界面多变量传递规律，解决跨机组的机

11、电/汽液/流固/热固多场 耦合与多学科关联的 1600 多个主要设计变量、12000 多个 设计参数的计算与分析难题。以 质量-性能均衡设计原理为基础，揭示超大流量、高强度、大尺度关键机组关键部机的可靠性与寿命预测机理，阐明其服役性能退化机理及质量-性能-寿命的演化规律，解决关键机 组关键部机高强度大构件保质制造难题，建立全寿命周期的空分成套装备稳定运行理论体系。4、 可行性分析复杂空气分离类成套装备是大型钢铁工程、大型乙烯工程、大型合成氨工程、大型甲醇工程、大型火电工程等国家重大工程必需的重大技术装备。特别是近年来，大型冶炼、大型石化、大型火 电等重要行业的集 约化发展，对空分装备提出了超大

12、型化、低能耗化与高可靠性的需求，超大型低能耗空气分离类成套装备自主设计制造已成为国家重大需求。一直以来，项目牵头单位浙江大学与项目联合申报单位国内空分装备制造的龙头企业杭州杭氧股份有限公司开展了紧密合作，共同承担了国家 863 计划目标导向课题， 对复 杂空气分离类成套装备的快速响应设计技术进行了研究，同时， 项目牵头单位浙江大学还承担了国家自然科学基金重点项目，对大型成套装备制造质量控制理论进行研究。项目联合申报单位西安交通大学在压缩机及膨胀机领域开展了系统深入的工作，建立了空分系统、低温液氮系统和低温透平膨胀机及低温 Wilson 点实验台，在我国多组分复杂化工介质离心压缩机气动性能闭式试

13、验台上积累了大量多组份介质透平压缩机复杂工况内流机理试验数据及其模型，将科研成果转化成具有世界先进水平的一拖二原料空压机与多轴循环增压机联合机组以及节能型空分单轴等温型原料空压机。 项目联合申报单 位东北大学在设备运行稳定性和可靠性设计方法、机械系统非线性动力学、大型装 备安全寿命设计等方面拥有雄厚的科研和开发能力，可进 行大型压缩机、发动机等空分关键配套装备 的研究与设计。 项目联合申报单位上海交通大学在非线性振动与控制、转子动力学和故障诊断等方面进行了大量的研究，拥有大型设备转子系统 10：1 实验装备、气流激振转子实验装备和 Bently 转子实验系统。 项目联合申报单位华中科技大学在复

14、 杂装备多领域物理统一建模等方面开展了深入的研究，提出了多领域约束融合理论，研发了多领域物理建模与仿真平台原型 Mworks。项目联合申报单 位大连理工大学在大型工业装备强度与可靠性分析方面取得了一批重要的研究成果，积累了雄厚的研究基础。项目联合申报单位中国计量学院在空气流动的数值仿真与测试、多相流体力学、旋涡模拟与控制等方面取得了一批重要的研究成果。项目联合申报单位杭州杭氧股份有限公司是亚洲最大的空分装备设计制造企业，是我国重大技术装备国产化基地，也是我国空分装备行业唯一一家国家级重点新产品开发、制造基地，拥有国家级技术中心。2008 年 12 月宝钢与杭氧股份有限公司等联合设计制造了国内第

15、一套最高等级 6 万等级空分装备。上述项目联合申报单位的相关科学研究和技术创新工作为开展复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科学问题研究奠定了良好的理论和技术基础。项目参与单位浙江大学、西安交通大学、东北大学、上海交通大学、华中科技大学、大连理工大学、中国计量学院和杭州杭氧股份有限公司建立了良好的合作关系，在机械工程、低温、力学、化工、信息等相关学科具有雄厚的科研基础和实力。各单位已相继开展了大型空分装备系统与相关单元技术的研究与开发工作，具有较高的研究工作起点。项目参与单位建有国家重点实验室 6 个、国家工程研究中心 1 个与国家重要装备制造基地 1 个，支撑条件好。研究队伍由 2

16、 名院士、1 名长江特聘教授、4 名国家杰出青年科学基金获得者以及一批优秀中青年科研骨干组成，为项目的开展提供了必要的人才保障。5、课题设置围绕 3 个关键科学问题，将项目研究内容分为彼此密切衔接的 6 个课题。 科学问题一从流程、工艺与能量迁移等基础理论方面探索复杂空气分离类成套装备的低能耗化问题， 该部分内容设置课题 1，主要研究低温混合工质热物理性质和深低温多相传热、 传质与流动规律，揭示旋转流道内跨音速相变瞬态界面的形成过程，揭示空分成套装备及其关键机组内部汽液流动过程能量转换机理。科学问题二从非线性动力学耦合、多机组多参数关联等方面探索空分成套装备多变量多学科场分离与场耦合机理，该部

17、分内容设置课题 2 和课题 3，主要研究大型装备中多因素非线性界面环境的动力学耦合作用与多机组多学科多参数的跨尺度关联机理，解决超大型空分成套装备多场耦合与多参数关联设计问题。科学问题三从关键机组失效机理、均衡寿命、保质制造等方面探索复杂空气分离类成套装备的高可靠性与稳定性问题，该部分内容设置课题 4-课题 6，主要研究复杂空气分离类成套装备关键机组可靠性与寿命预测机理，成套装备多机组寿命均衡设计理论，以及大流量高速转子、高 强度特 长特宽高压板翅换热器、超薄叶轮叶片等的制造难题，构建超大型空分成套装备系统性能集成仿真与关键机组实验平台，验证理论 与方法的正确性和有效性。 课题 1：大尺度混合流与非定常流动界面形成规律研究目标：以低温混合工质热物性精确预测为基础，重构具有高热力学完善度和基于亥姆霍兹能统一形式的基本型状态方程，建立新型流体混合法则，解决空分低温流体多元多相混合物性计算和相平衡界定问题。研究高速旋转流道内低温工质跨音速相变瞬态界面的形成过程，获取空分成套装备及其配套机组内部气体流动过程能量转换机理，掌握尺度效应、三元流 动和实际 气体特性对高速透平空压机、增压 机及透平膨胀机能耗的影响规律， 为大流量、高压比空分成套装备的能