「本文來源：中國能源網」

前言：目前世界各地的能源系統正在發生根本性變化，在“雙碳”背景之下，如何透過工藝流程中燃氣輪機的技術迭代最佳化等手段實現產業鏈的低碳化升級，已成為行業重點關注的問題。燃氣輪機作為工業能效的關鍵部件，主要的新興技術有溼壓縮迴圈、有機朗肯迴圈及超臨界朗肯迴圈。這些技術對於高效節約能源、降低成本有著巨大的能效潛力。目前這些技術主要適用於化工、石油、煉化及冶金等行業。然而，這些技術的大規模商業化應用面臨極大的技術挑戰，這些技術挑戰可以透過加大技術創新力度來解決。為了更好地助力雙碳目標，中國航發燃機結合燃氣輪機迴圈發電技術的發展方向，深入研究燃氣輪機複雜迴圈技術。

超臨界CO2迴圈

超臨界汽輪機技術最初在上世紀60年代初得到展示，並在90年代納入主要原始裝置製造商的產品組合中。今天，它已成為新發電廠的標準，使蒸汽壓力和溫度超過300bar和600℃，效率比亞臨界高5個百分點。現在，行業的目標是400bar和700℃的壓力和溫度，並希望接近50%的效率。

與這項技術努力並行的是，在超臨界壓力和溫度下工作的新一代封閉迴圈使用二氧化碳作為工作流體，在與超超臨界汽輪機相似的峰值壓力和溫度下工作，但隨著渦輪機入口溫度升高到600℃以上，效能會越來越好。從技術角度來看，sCO2系統位於蒸汽輪機和燃氣輪機的中間位置，與前者相比佔地面積更小，效率和燃料靈活性比後者更高，甚至可以在天然氣應用中實現具有成本效益的碳捕獲。學術界和工業界一致認為，高於50%的效率完全在渦輪機入口溫度為700℃量級的技術能力範圍內。目前正在理論和實驗上探索超臨界CO2迴圈，用於第四代核反應堆、聚光太陽能（CSP）、煤粉、天然氣和廢熱回收等多種場景。成熟度各不相同，商業系統目前可用於5到10兆瓦規模（TRL9）的廢熱回收，而該技術處於天然氣應用的預商業階段（TRL7-8），包括小型 （1MWe） 和大型應用（25MWe） 。在CSP應用中，目前有幾個專案正在透過相關環境中的演示將該技術帶到TRL6。考慮到該技術通常需要更長的時間尺度，只有在核能領域，除了一些實驗室規模測試（TRL4）外，沒有正在進行的大型實驗專案。

可以確定許多跨領域的研究，需要緊湊、高效、具有成本效益的換熱器設計，以減少換熱器成本的很大一部分，並減少系統的熱慣性。在使用天然氣執行的系統中，需要高溫氧燃燒系統以確保燃燒穩定性以擴充套件調節能力。必須改進渦輪機械設計，不僅是針對氣路的空氣熱特性，而且最重要的是，軸承和密封等次要元件的設計受到此類機械的特定特性（非常高的密度和壓力梯度、高表面速度和單位載荷）。還必須更好地理解作為規模函式的系統整合，因為這對於最佳化驅動器型別至關重要。

壓縮機和泵以及系統在非設計條件下的執行。還必須制定部分負載執行策略，因為它們對效能和靈活性有非常大的影響，同時對輸出範圍非常敏感。就在最近，還正在研究確定可以新增到工作流體中的新增劑的不同舉措，以提高在溫暖和炎熱環境中執行時這些迴圈的效能。初步結果是有希望的，但需要更多的研究來了解所得混合物的熱穩定性和長期降解，以及對渦輪機械和熱交換器的設計和效能的影響。

增壓燃燒

從歷史上看，燃氣輪機的效率提高是透過展示更高的渦輪機入口溫度來實現的。然而，從熱力學的角度來看，恆定壓力下的熱量新增（燃氣輪機中的布雷頓迴圈）產生的熱效率低於恆定體積下的熱量新增（漢弗萊和雷恩斯特－葛蘭迴圈）。這是由壓力增益燃燒引起的，它有可能實現與傳統布雷頓迴圈相同的時間平均燃燒器出口溫度，但壓力水平更高。對於相同的渦輪機入口溫度，這導致較低的壓縮比（跨壓縮機）和較高的整體迴圈熱力學效率，其限制由材料和冷卻技術決定。

傾斜方向，從而抑制了在PDC情況下連續產生爆震波的需要。雖然這減輕了渦輪機的入口條件，但它仍然帶來了燃燒室出口處流場的不可忽視的波動：出口馬赫數範圍在0。9-1。7之間，壓力波動超過75%，溫度波動為50%，以及60°流動角波動；這些都是前所未有的渦輪進口邊界條件，挑戰 PGC 的工業化。最後，波浪轉子依賴於在外殼內旋轉的蜂窩鼓，其間具有入口和出口管道。在滾筒的通道內，動態波進一步壓縮燃燒器上游的壓縮機輸送空氣，並將燃燒氣體膨脹到燃燒過程下游的較低壓力和溫度。

在不同的技術中，PDC被認為具有最大的效率提升潛力，但鑑於具有挑戰性的設計和操作條件，RDC似乎在增強效能和可行性之間提供了更好地折中。然而，極不穩定的化學能轉化率和較高的出口速度給傳統工業燃氣輪機帶來了嚴峻的挑戰：從爆燃模式過渡到爆震燃燒模式（特別是PDC）；燃油噴射和空氣混合；燃燒器與上游軸流壓縮機整合；燃燒器與下游整合；控制壓力。

增益和壓力損失、波浪方向性 （RDC）；NOX和CO排放控制；不穩定的傳熱和冷卻流管理。這些都是需要在基礎和應用層面進一步研究的領域，需要制定解決方案。

溼壓縮迴圈

溼壓縮迴圈的特點是工作流體的含水量非常高。這種水的目標是在全球範圍內提高迴圈的比功，同時，根據所選的加溼技術，還可以獲得淨輸出功率、效率和環境效能（減少NOX排放）的收益。

根據所使用的加溼技術，通常可以確定三類溼迴圈：第一類涉及在注入點下游注入液態水以實現完全蒸發的迴圈；這個概念的例子是水霧化進氣冷卻（WAC）、溼式壓縮（TOPHAT）、水噴射的再生蒸發迴圈 （REVAP），以增加壓縮機後面或燃燒室中的功率。另一種選擇是將蒸汽注入燃燒室。諸如標準、高階或級聯溼空氣渦輪迴圈 （HAT/AHAT/CHAT） 之類的迴圈將液態水注入帶有水回收迴路的飽和塔中。後一種選擇被證明具有最大的迴圈效能改進潛力。

這些不同選項的發展狀態不同，在TRL2和TRL9之間產生不同的TRL： TRL 2用於CHAT、TOPHAT、REVAP技術；TRL4和TRL7分別用於HAT和 AHAT佈局； TRL9 為迴圈。因此，需要對不同的元件以及系統級別進行進一步的研發。首先，在燃燒器周圍，以確保接近化學計量條件和高含水量的穩定執行。對於渦輪機械，還必須更好地理解渦輪機和壓氣機之間的質量不平衡對非設計行為（喘振裕度的降低）的影響；最後，在注射站的下游，必須驗證材料和塗層承受潮溼條件和處理工作流體熱效能變化的能力，並且很可能需要能夠抵抗這種環境的新材料。材料研究還旨在消除/減輕對軟化水的需求，從而簡化系統整合、簡化操作並大大降低成本。

有機朗肯迴圈

當可用能源處於低溫或發電機的功率輸出較小時，使用水/蒸汽的朗肯迴圈不適合。這是由於迴圈的熱效率降低以及渦輪機械，特別是渦輪機的設計更具挑戰性。當滿足這些條件時，使用有機化合物代替水成為提高熱效能和簡化元件設計的替代方案。這得益於有機物的特性。

化合物（比蒸汽更高的摩爾質量和分子複雜性），它比蒸汽產生更大的體積流速和更低的焓降。因此，有機朗肯迴圈（ORC）通常用於中小型的應用中，從幾千瓦到幾十兆瓦，以及能源處於中到低溫（高達300℃）的應用。

用於固定發電的ORC目前已商業化，其成熟度已確定為TRL9。在過去的二十年裡，迴圈和元件的最佳化已經實現了顯著的效能改進和能源成本的降低。儘管如此，仍有幾個領域需要進一步研究以增強系統和元件效能，並提高成本效益。需要透過利用如超臨界蒸汽發生器、級聯佈局或迴圈（包括溼膨脹）等特性來實現更高熱效率的新迴圈概念，這些特性針對某些應用（如廢熱回收）的特殊性量身定製。許多與工作流體相關的研究也在進行：開發和測試新的工作流體組合物，推動當前的熱穩定性極限，包括混合物——似乎具有實現更高熱效率的巨大潛力；考慮有機工作流體的非理想行為的渦輪機械設計方法的發展；需要更深入地瞭解BZT蒸氣預期的非經典氣體動力學，包括從計算流體動力學獲得的數值預測的實驗演示。

在應用方面，重型汽車行業對使用mini-ORC系統進行廢熱回收的興趣也開闢了新的研究機會：開發新的系統和元件概念，能夠應對固有的可變操作條件，特別是高效容積式膨脹機能夠管理更大的膨脹率和系統動態。