中国航发燃机：燃气轮机复杂循环技术助力商业化发展

前言：目前世界各地的能源系统正在发生根本性变化，在“双碳”背景之下，如何通过工艺流程中燃气轮机的技术迭代优化等手段实现产业链的低碳化升级，已成为行业重点关注的问题。燃气轮机作为工业能效的关键部件，主要的新兴技术有湿压缩循环、有机朗肯循环及超临界朗肯循环。这些技术对于高效节约能源、降低成本有着巨大的能效潜力。目前这些技术主要适用于化工、石油、炼化及冶金等行业。然而，这些技术的大规模商业化应用面临极大的技术挑战，这些技术挑战可以通过加大技术创新力度来解决。为了更好地助力双碳目标，中国航发燃机结合燃气轮机循环发电技术的发展方向，深入研究燃气轮机复杂循环技术。

超临界CO2循环

超临界汽轮机技术最初在上世纪60年代初得到展示，并在90年代纳入主要原始设备制造商的产品组合中。今天，它已成为新发电厂的标准，使蒸汽压力和温度超过300bar和600℃，效率比亚临界高5个百分点。现在，行业的目标是400bar和700℃的压力和温度，并希望接近50%的效率。

与这项技术努力并行的是，在超临界压力和温度下工作的新一代封闭循环使用二氧化碳作为工作流体，在与超超临界汽轮机相似的峰值压力和温度下工作，但随着涡轮机入口温度升高到600℃以上，性能会越来越好。从技术角度来看，sCO2系统位于蒸汽轮机和燃气轮机的中间位置，与前者相比占地面积更小，效率和燃料灵活性比后者更高，甚至可以在天然气应用中实现具有成本效益的碳捕获。学术界和工业界一致认为，高于50%的效率完全在涡轮机入口温度为700℃量级的技术能力范围内。目前正在理论和实验上探索超临界CO2循环，用于第四代核反应堆、聚光太阳能（CSP)、煤粉、天然气和废热回收等多种场景。成熟度各不相同，商业系统目前可用于5到10兆瓦规模（TRL9）的废热回收，而该技术处于天然气应用的预商业阶段（TRL7-8），包括小型 (1MWe) 和大型应用（25MWe） 。在CSP应用中，目前有几个项目正在通过相关环境中的演示将该技术带到TRL6。考虑到该技术通常需要更长的时间尺度，只有在核能领域，除了一些实验室规模测试（TRL4）外，没有正在进行的大型实验项目。

可以确定许多跨领域的研究，需要紧凑、高效、具有成本效益的换热器设计，以减少换热器成本的很大一部分，并减少系统的热惯性。在使用天然气运行的系统中，需要高温氧燃烧系统以确保燃烧稳定性以扩展调节能力。必须改进涡轮机械设计，不仅是针对气路的空气热特性，而且最重要的是，轴承和密封等次要元件的设计受到此类机械的特定特性（非常高的密度和压力梯度、高表面速度和单位载荷）。还必须更好地理解作为规模函数的系统集成，因为这对于优化驱动器类型至关重要。

压缩机和泵以及系统在非设计条件下的运行。还必须制定部分负载运行策略，因为它们对性能和灵活性有非常大的影响，同时对输出范围非常敏感。就在最近，还正在研究确定可以添加到工作流体中的添加剂的不同举措，以提高在温暖和炎热环境中运行时这些循环的性能。初步结果是有希望的，但需要更多的研究来了解所得混合物的热稳定性和长期降解，以及对涡轮机械和热交换器的设计和性能的影响。

增压燃烧

从历史上看，燃气轮机的效率提高是通过展示更高的涡轮机入口温度来实现的。然而，从热力学的角度来看，恒定压力下的热量添加（燃气轮机中的布雷顿循环）产生的热效率低于恒定体积下的热量添加（汉弗莱和雷恩斯特－葛兰循环）。这是由压力增益燃烧引起的，它有可能实现与传统布雷顿循环相同的时间平均燃烧器出口温度，但压力水平更高。对于相同的涡轮机入口温度，这导致较低的压缩比（跨压缩机）和较高的整体循环热力学效率，其限制由材料和冷却技术决定。

倾斜方向，从而抑制了在PDC情况下连续产生爆震波的需要。虽然这减轻了涡轮机的入口条件，但它仍然带来了燃烧室出口处流场的不可忽视的波动：出口马赫数范围在0.9-1.7之间，压力波动超过75%，温度波动为50%，以及60°流动角波动；这些都是前所未有的涡轮进口边界条件，挑战 PGC 的工业化。最后，波浪转子依赖于在外壳内旋转的蜂窝鼓，其间具有入口和出口管道。在滚筒的通道内，动态波进一步压缩燃烧器上游的压缩机输送空气，并将燃烧气体膨胀到燃烧过程下游的较低压力和温度。

在不同的技术中，PDC被认为具有最大的效率提升潜力，但鉴于具有挑战性的设计和操作条件，RDC似乎在增强性能和可行性之间提供了更好地折中。然而，极不稳定的化学能转化率和较高的出口速度给传统工业燃气轮机带来了严峻的挑战：从爆燃模式过渡到爆震燃烧模式（特别是PDC）；燃油喷射和空气混合；燃烧器与上游轴流压缩机集成；燃烧器与下游集成；控制压力。

增益和压力损失、波浪方向性 (RDC)；NOX和CO排放控制；不稳定的传热和冷却流管理。这些都是需要在基础和应用层面进一步研究的领域，需要制定解决方案。

湿压缩循环

湿压缩循环的特点是工作流体的含水量非常高。这种水的目标是在全球范围内提高循环的比功，同时，根据所选的加湿技术，还可以获得净输出功率、效率和环境性能（减少NOX排放）的收益。

根据所使用的加湿技术，通常可以确定三类湿循环：第一类涉及在注入点下游注入液态水以实现完全蒸发的循环；这个概念的例子是水雾化进气冷却（WAC)、湿式压缩（TOPHAT)、水喷射的再生蒸发循环 (REVAP)，以增加压缩机后面或燃烧室中的功率。另一种选择是将蒸汽注入燃烧室。诸如标准、高级或级联湿空气涡轮循环 (HAT/AHAT/CHAT) 之类的循环将液态水注入带有水回收回路的饱和塔中。后一种选择被证明具有最大的循环性能改进潜力。

这些不同选项的发展状态不同，在TRL2和TRL9之间产生不同的TRL： TRL 2用于CHAT、TOPHAT、REVAP技术；TRL4和TRL7分别用于HAT和 AHAT布局； TRL9 为循环。因此，需要对不同的组件以及系统级别进行进一步的研发。首先，在燃烧器周围，以确保接近化学计量条件和高含水量的稳定运行。对于涡轮机械，还必须更好地理解涡轮机和压气机之间的质量不平衡对非设计行为（喘振裕度的降低）的影响；最后，在注射站的下游，必须验证材料和涂层承受潮湿条件和处理工作流体热性能变化的能力，并且很可能需要能够抵抗这种环境的新材料。材料研究还旨在消除/减轻对软化水的需求，从而简化系统集成、简化操作并大大降低成本。

有机朗肯循环

当可用能源处于低温或发电机的功率输出较小时，使用水/蒸汽的朗肯循环不适合。这是由于循环的热效率降低以及涡轮机械，特别是涡轮机的设计更具挑战性。当满足这些条件时，使用有机化合物代替水成为提高热性能和简化组件设计的替代方案。这得益于有机物的特性。

化合物（比蒸汽更高的摩尔质量和分子复杂性），它比蒸汽产生更大的体积流速和更低的焓降。因此，有机朗肯循环（ORC）通常用于中小型的应用中，从几千瓦到几十兆瓦，以及能源处于中到低温（高达300℃）的应用。

用于固定发电的ORC目前已商业化，其成熟度已确定为TRL9。在过去的二十年里，循环和组件的优化已经实现了显著的性能改进和能源成本的降低。尽管如此，仍有几个领域需要进一步研究以增强系统和组件性能，并提高成本效益。需要通过利用如超临界蒸汽发生器、级联布局或循环（包括湿膨胀）等特性来实现更高热效率的新循环概念，这些特性针对某些应用（如废热回收）的特殊性量身定制。许多与工作流体相关的研究也在进行：开发和测试新的工作流体组合物，推动当前的热稳定性极限，包括混合物——似乎具有实现更高热效率的巨大潜力；考虑有机工作流体的非理想行为的涡轮机械设计方法的发展；需要更深入地了解BZT蒸气预期的非经典气体动力学，包括从计算流体动力学获得的数值预测的实验演示。

在应用方面，重型汽车行业对使用mini-ORC系统进行废热回收的兴趣也开辟了新的研究机会：开发新的系统和组件概念，能够应对固有的可变操作条件，特别是高效容积式膨胀机能够管理更大的膨胀率和系统动态。