中国航发燃气轮机公司(中国航发燃气轮机有限公司筹备组)

天然气 2024-03-24 19:52:06 293 能源网

前言：当前，世界能源体系正在发生根本性变化。在“双碳”背景下，如何通过燃气轮机过程中的技术迭代优化，实现产业链的低碳升级，成为业界重点关注的问题。作为工业能源效率的关键组成部分，燃气轮机的主要新兴技术包括湿压缩循环、有机朗肯循环和超临界朗肯循环。这些技术在有效节约能源和降低成本方面具有巨大的能源效率潜力。目前这些技术主要适用于化工、石油、炼油、冶金等行业。但这些技术的大规模商业应用面临着巨大的技术挑战，可以通过加大技术创新来解决。为更好支撑双碳目标，中航燃机结合燃气轮机循环发电技术发展方向，对燃气轮机复合循环技术进行了深入研究。

超临界CO2循环

超临界蒸汽轮机技术于20世纪60年代初首次展示，并于20世纪90年代纳入主要原始设备制造商的产品组合。如今，它已成为新建发电厂的标准，可实现超过300bar和600C的蒸汽压力和温度，效率比亚临界高5个百分点。现在，业界的目标是400bar和700C的压力和温度，并希望达到50%的效率。

与这项技术工作并行的是，在超临界压力和温度下运行的新一代闭式循环使用二氧化碳作为工作流体，在与超超临界蒸汽轮机相似的峰值压力和温度下运行，但涡轮机入口温度更高。当温度达到600以上时，性能会越来越好。从技术角度来看，sCO2系统介于蒸汽轮机和燃气轮机之间，其占地面积比前者更小，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经济高效的碳排放。捕获。学术界和工业界一致认为，超过50%的效率完全在涡轮机入口温度700C左右的技术能力范围内。目前正在从理论上和实验上探索超临界二氧化碳循环在第四代核反应堆、聚光太阳能（CSP）、煤粉、天然气和废热回收等各种场景中的应用。成熟度各不相同，目前可用于5至10MW规模(TRL9)余热回收的商业系统，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，多个项目目前正在通过相关环境中的演示将该技术引入TRL6。考虑到该技术普遍需要较长的时间尺度，仅在核能领域，除了一些实验室规模的测试（TRL4）外，还没有正在进行的大规模实验项目。

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许多跨领域研究都需要紧凑、高效且经济高效的换热器设计，以减少换热器成本的很大一部分并降低系统的热惯性。在使用天然气运行的系统中，需要高温富氧燃烧系统来确保燃烧稳定性，从而延长调节能力。涡轮机械的设计必须得到改进，不仅是为了气路的气动特性，而且最重要的是，轴承和密封件等次要元件的设计受到此类机械的具体特性的影响（非常高的密度和压力梯度，高表面速度和单位载荷）。还必须更好地理解系统集成作为规模的函数，因为这对于优化驱动器类型至关重要。

压缩机、泵和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很大影响，同时对输出范围非常敏感。就在最近，人们正在研究不同的举措，以确定可以添加到工作流体中的添加剂，以提高这些循环在温暖和炎热环境中运行时的性能。初步结果令人鼓舞，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。

加压燃烧

从历史上看，燃气轮机效率的提高是通过提高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（汉弗莱和伦斯特-居伦循环）。这是由压力增益燃烧引起的，压力增益燃烧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，这会导致较低的压缩比（整个压缩机）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，从而抑制在PDC情况下连续产生爆震波的需要。虽然这缓解了涡轮进口条件，但仍然带来了燃烧室出口流场不可忽略的波动：出口马赫数在0.9-1.7之间，压力波动超过75%，温度波动50%，60流量角波动；这些都是前所未有的涡轮机入口边界条件，对PGC的工业化提出了挑战。最后，波转子依赖于在外壳内旋转的蜂窝鼓，外壳之间有入口和出口管道。在鼓的通道内，动态波进一步压缩燃烧器上游压缩机输送的空气，并使燃烧气体膨胀至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，但考虑到具有挑战性的设计和操作条件，RDC似乎在增强的性能和可行性之间提供了更好的折衷。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：从爆燃模式向爆震燃烧模式（尤其是PDC）过渡；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、波方向性（RDC）；氮氧化物和二氧化碳排放控制；非稳态传热和冷却流管理。这些领域需要在基础和应用层面进行进一步研究，并需要制定解决方案。

湿压缩循环

湿压缩循环的特点是工作流体中的水含量非常高。这种水的目标是在全球范围内增加循环的具体功，同时，根据所选的加湿技术，净功率输出、效率和环境绩效（减少氮氧化物排放）也有所提高。

根据所使用的加湿技术，通常可以将湿循环分为三类：第一类是在注入点下游注入液态水以实现完全蒸发的循环；该概念的示例包括水雾化进气冷却(WAC)、湿压缩(TOPHAT)、注水再生蒸发循环(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。标准、高级或级联湿空气涡轮机循环(HAT/AHAT/CHAT)等循环将液态水注入具有水回收回路的饱和塔中。事实证明，后一种选择对于提高循环性能具有最大的潜力。

这些不同选项的发展状况不同，导致TRL2和TRL9之间的TRL不同：TRL2用于CHAT、TOPHAT、REVAP技术；TRL4和TRL7分别用于HAT和AHAT布局；TRL9是循环。因此，需要在不同的组件以及系统层面进行进一步的研究和开发。首先，确保燃烧器周围在接近化学计量条件和高水分含量下稳定运行。对于涡轮机械，还必须更好地理解涡轮机和压缩机之间的质量不平衡对非设计行为（喘振裕度降低）的影响；最后，在注入站的下游，必须验证材料和涂层是否能够承受潮湿条件以及处理工作流体热性能变化的能力，并且可能需要能够承受这种环境的新材料。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、简化操作并显着降低成本。

有机朗肯循环

当可用能量处于低温或发电机的功率输出小时，使用水/蒸汽的朗肯循环不适合。这是由于循环热效率降低以及涡轮机械（尤其是涡轮机）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。这是由于有机物的特性造成的。

化合物（比蒸汽更高的摩尔质量和分子复杂性），比蒸汽产生更大的体积流量和更低的焓降。因此，有机朗肯循环（ORC）通常用于中小型应用，从几千瓦到几十兆瓦，能源为中低温（最高300C）。

用于固定发电的ORC目前已商业化，其成熟度已确定为TRL9。在过去的二十年中，循环和组件的优化带来了显着的性能改进和能源成本降低。尽管如此，仍有几个领域需要进一步研究，以增强系统和组件的性能并提高成本效益。需要新的循环概念，通过利用超临界蒸汽发生器、级联布局或循环（包括湿膨胀）等功能来实现更高的热效率，这些功能是根据废热回收等某些应用的特殊性量身定制的。许多与工作流体相关的研究也在进行中：开发和测试新的工作流体成分，突破当前的热稳定性极限，包括混合物——这似乎具有实现更高热效率的巨大潜力；考虑有机工质的非理想性涡轮机械设计方法的发展；需要对BZT蒸汽的预期非经典气体动力学有更深入的了解，包括通过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微型ORC系统进行废热回收的兴趣也开辟了新的研究机会：开发能够应对固有变化的操作条件的新系统和组件概念，特别适用于高效正排量膨胀机能够管理更大的膨胀率和系统动态。