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上一期我们讲了PCHE的起源,这期聊聊国内PCHE的发展及现状。国内起步比较晚,我们从2014年才开始逐步进入了行业的研究和发展。目前,很难找到发展的系统文献资料,小笔者也抽丝剥茧,希望能从整理的脉络中窥见一斑。
国内起步
我国在这个领域起步比较晚,与许多其他技术一样也是先从军用领域起步开始。2014年以中国船舶重工集团公司为代表的企业,率先借力海军科研项目开展了国产印刷板式换热器研制并于2016年成功研制出国内首台样机。虽然该样机的尺寸与性能与国外产品尚有差距,但通过样机的研制及与专业金属板片蚀刻厂家和真空扩散焊厂家的深度合作,促进了相应技术的突破、发展以及相关标准系统的建立。同年,国内一家军工企业试图通过民用渠道从英国进口一台PCHE,最终也未能获得许可,Heatric公司对我国采取了严格的销售限制。
2017年和2018年,国内相继有应用于军用舰船上的布雷顿循环动力系统的印刷板式换热器及应用于航天科工领域的微型印刷板式换热装置投入使用。
2018年, 国内已经有几家单位陆续研制出国产印刷板式换热器的样机: 航天海鹰(哈尔滨) 钛业有限公司为北京动力研究所开发了3台氦氙混合气体换热器,换热负荷仅为800kW,应用于航天科工领域。上海益焓能源科技有限公司为中船重工719研究所开发了1台以CO2气体为换热媒质的小型换热器,换热负荷为1400kW,应用于军用舰船的布雷顿体系。以上提及的研制案例均为技术开发性质, 且研发出来的样机均应用于试验平台。
首次工业应用
除了航天和舰船领域, 印刷板式换热器更多地应用在油气开采和石油炼化等领域。由于我国高端深海关键技术及装备研制能力不足,尚不具备海洋油气领域用PCHE的国产化能力,这成为制约我国深海油气资源开发的重要因素之一。海洋油气领域用PCHE高效换热器是被外国“卡脖子”的一项核心关键技术,对我国独立开发深海油气资源构成威胁。
在2018年之前, 进口印刷板式换热器已经在中海油崖城13-1和荔湾3-1 等气田平台上应用,而陵水17-2 气田开发工程项目是中海石油(中国) 公司海南分公司正在实施的一个万亿立方米南海天然气开发项目,其平台上的干气外输系统需要3 台干气压缩机后冷却器,其中一台TS-WC-2701C为成功开发研制的国产印刷板式换热器。该设备于2020年出厂,其换热负荷达4600kW, 设计温度为-19~150 ℃, 设计压力为18.75Mpa。
国产设备尺寸为1.58m×1.43m×1.46m,质量为3.24t。
而国外同参数的2台换热器尺寸为1.31m×1.37m×1.42m, 质量仅为1.64t。
图片来源于网络
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它的应用为国产PCHE提供了一个优质的应用平台终端。能助力国内企业打破国外技术垄断, 促进国产PCHE的研制成熟和工业化生产与应用。
黎明前的黑夜
2018年以前,受技术限制,我国PCHE产品依赖进口。近年来,随着技术进步,我国已在逐渐打破PCHE国外垄断格局。目前我国PCHE生产企业和研究机构主要有中国船舶重工集团有限公司第七二五研究所、中核集团原子能院、合肥通用机械研究院有限公司、兰州兰石换热设备有限公司、杭州沈氏节能科技股份有限公司等。
2019年,洛阳七二五所研发生产的PCHE在功率大小、耐压力范围、结构尺寸等方面创下国内纪录,应用于西安热工研究院有限公司(简称西安热工院)2020建成的国家示范工程——5MWe超临界二氧化碳发电试验平台。
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2020年,七二五所研制出国内首台液态金属钠-超临界二氧化碳印刷板式换热器,技术达到国际先进水平;
2022年1月,兰州兰石换热设备有限责任公司(简称兰石换热)承制的国内首台聚变包层冷却系统领域新型(微通道)高效紧凑型焊接式热交换器(PCHE)经验收通过后正式交付。本次交付的2台产品用于核工业西南物理研究院承担的“中国聚变工程试验堆(CFETR)氦冷固态包层热工测试平台” 项目。这是国产PCHE首次在聚变包层冷却系统领域应用,标志着兰石换热成为国内首家在聚变包层冷却系统领域拥有PCHE应用业绩的企业。2022年3月,兰石换热PCHE高/低温回热器成功应用中科衡发兆瓦级sCO₂发电示范机组。同年12月,七二五所第八研究室研制出第二代PCHE产品混合式换热器。
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在复杂的市场环境中,印刷电路换热器行业发展受到多重因素影响,市场呈现动态变化之势。虽然国内目前还没有一个厂家能把PCHE独立完整地研制出来,但是国内在该设备的上游(换热芯体设计和传热计算)领域、中游(板片光化学蚀刻、真空扩散焊接、芯体电子束拼焊) 领域,以及下游(集成建造与检测评价)等六大核心领域,每个领域都有相应公司具备较成熟的技术和经验积累,相信在各专业公司的通力合作下,印刷电路板式换热器一定会迎来全面的国产化。
PCHE的赛道 ———— 即是机遇,也是挑战。