前言：目前世界各地的能源系統(tǒng)正在發(fā)生根本性變化，在"雙碳"背景之下，如何通過工藝流程中燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)迭代優(yōu)化等手段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的低碳化升級，已成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題。燃?xì)廨啓C(jī)作為工業(yè)能效的關(guān)鍵部件，主要的新興技術(shù)有濕壓縮循環(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)及超臨界朗肯循環(huán)。這些技術(shù)對于高效節(jié)約能源、降低成本有著巨大的能效潛力。目前這些技術(shù)主要適用于化工、石油、煉化及冶金等行業(yè)。然而，這些技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，這些技術(shù)挑戰(zhàn)可以通過加大技術(shù)創(chuàng)新力度來解決。為了更好地助力雙碳目標(biāo)，中國航發(fā)燃機(jī)結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向，深入研究燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜循環(huán)技術(shù)。

超臨界CO₂循環(huán)

超臨界汽輪機(jī)技術(shù)最初在上世紀(jì)60年代初得到展示，并在90年代納入主要原始設(shè)備制造商的產(chǎn)品組合中。今天，它已成為新發(fā)電廠的標(biāo)準(zhǔn)，使蒸汽壓力和溫度超過300bar和600℃，效率比亞臨界高5個(gè)百分點(diǎn)?，F(xiàn)在，行業(yè)的目標(biāo)是400bar和700℃的壓力和溫度，并希望接近50%的效率。

與這項(xiàng)技術(shù)努力并行的是，在超臨界壓力和溫度下工作的新一代封閉循環(huán)使用二氧化碳作為工作流體，在與超超臨界汽輪機(jī)相似的峰值壓力和溫度下工作，但隨著渦輪機(jī)入口溫度升高到600℃以上，性能會越來越好。從技術(shù)角度來看，sCO2系統(tǒng)位于蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的中間位置，與前者相比占地面積更小，效率和燃料靈活性比后者更高，甚至可以在天然氣應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)具有成本效益的碳捕獲。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致認(rèn)為，高于50%的效率完全在渦輪機(jī)入口溫度為700℃量級的技術(shù)能力范圍內(nèi)。目前正在理論和實(shí)驗(yàn)上探索超臨界CO2循環(huán)，用于第四代核反應(yīng)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(yè)系統(tǒng)目前可用于5到10兆瓦規(guī)模（TRL9）的廢熱回收，而該技術(shù)處于天然氣應(yīng)用的預(yù)商業(yè)階段（TRL7-8），包括小型 (1MWe) 和大型應(yīng)用（25MWe） 。在CSP應(yīng)用中，目前有幾個(gè)項(xiàng)目正在通過相關(guān)環(huán)境中的演示將該技術(shù)帶到TRL6?？紤]到該技術(shù)通常需要更長的時(shí)間尺度，只有在核能領(lǐng)域，除了一些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測試（TRL4）外，沒有正在進(jìn)行的大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

可以確定許多跨領(lǐng)域的研究，需要緊湊、高效、具有成本效益的換熱器設(shè)計(jì)，以減少換熱器成本的很大一部分，并減少系統(tǒng)的熱慣性。在使用天然氣運(yùn)行的系統(tǒng)中，需要高溫氧燃燒系統(tǒng)以確保燃燒穩(wěn)定性以擴(kuò)展調(diào)節(jié)能力。必須改進(jìn)渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)受到此類機(jī)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(guī)模函數(shù)的系統(tǒng)集成，因?yàn)檫@對于優(yōu)化驅(qū)動器類型至關(guān)重要。

壓縮機(jī)和泵以及系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)條件下的運(yùn)行。還必須制定部分負(fù)載運(yùn)行策略，因?yàn)樗鼈儗π阅芎挽`活性有非常大的影響，同時(shí)對輸出范圍非常敏感。就在最近，還正在研究確定可以添加到工作流體中的添加劑的不同舉措，以提高在溫暖和炎熱環(huán)境中運(yùn)行時(shí)這些循環(huán)的性能。初步結(jié)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(wěn)定性和長期降解，以及對渦輪機(jī)械和熱交換器的設(shè)計(jì)和性能的影響。

增壓燃燒

從歷史上看，燃?xì)廨啓C(jī)的效率提高是通過展示更高的渦輪機(jī)入口溫度來實(shí)現(xiàn)的。然而，從熱力學(xué)的角度來看，恒定壓力下的熱量添加（燃?xì)廨啓C(jī)中的布雷頓循環(huán)）產(chǎn)生的熱效率低于恒定體積下的熱量添加（漢弗萊和雷恩斯特－葛蘭循環(huán)）。這是由壓力增益燃燒引起的，它有可能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)相同的時(shí)間平均燃燒器出口溫度，但壓力水平更高。對于相同的渦輪機(jī)入口溫度，這導(dǎo)致較低的壓縮比（跨壓縮機(jī)）和較高的整體循環(huán)熱力學(xué)效率，其限制由材料和冷卻技術(shù)決定。

傾斜方向，從而抑制了在PDC情況下連續(xù)產(chǎn)生爆震波的需要。雖然這減輕了渦輪機(jī)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(shù)范圍在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(jìn)口邊界條件，挑戰(zhàn) PGC 的工業(yè)化。最后，波浪轉(zhuǎn)子依賴于在外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的蜂窩鼓，其間具有入口和出口管道。在滾筒的通道內(nèi)，動態(tài)波進(jìn)一步壓縮燃燒器上游的壓縮機(jī)輸送空氣，并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(shù)中，PDC被認(rèn)為具有最大的效率提升潛力，但鑒于具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)和操作條件，RDC似乎在增強(qiáng)性能和可行性之間提供了更好地折中。然而，極不穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)化率和較高的出口速度給傳統(tǒng)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：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(jī)集成；燃燒器與下游集成；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(wěn)定的傳熱和冷卻流管理。這些都是需要在基礎(chǔ)和應(yīng)用層面進(jìn)一步研究的領(lǐng)域，需要制定解決方案。

濕壓縮循環(huán)

濕壓縮循環(huán)的特點(diǎn)是工作流體的含水量非常高。這種水的目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)提高循環(huán)的比功，同時(shí)，根據(jù)所選的加濕技術(shù)，還可以獲得凈輸出功率、效率和環(huán)境性能（減少NOX排放）的收益。

根據(jù)所使用的加濕技術(shù)，通?？梢源_定三類濕循環(huán)：第一類涉及在注入點(diǎn)下游注入液態(tài)水以實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā)的循環(huán)；這個(gè)概念的例子是水霧化進(jìn)氣冷卻（WAC)、濕式壓縮（TOPHAT)、水噴射的再生蒸發(fā)循環(huán) (REVAP)，以增加壓縮機(jī)后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(biāo)準(zhǔn)、高級或級聯(lián)濕空氣渦輪循環(huán) (HAT/AHAT/CHAT) 之類的循環(huán)將液態(tài)水注入帶有水回收回路的飽和塔中。后一種選擇被證明具有最大的循環(huán)性能改進(jìn)潛力。

這些不同選項(xiàng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)不同，在TRL2和TRL9之間產(chǎn)生不同的TRL： TRL 2用于CHAT、TOPHAT、REVAP技術(shù)；TRL4和TRL7分別用于HAT和 AHAT布局； TRL9 為循環(huán)。因此，需要對不同的組件以及系統(tǒng)級別進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)。首先，在燃燒器周圍，以確保接近化學(xué)計(jì)量條件和高含水量的穩(wěn)定運(yùn)行。對于渦輪機(jī)械，還必須更好地理解渦輪機(jī)和壓氣機(jī)之間的質(zhì)量不平衡對非設(shè)計(jì)行為（喘振裕度的降低）的影響；最后，在注射站的下游，必須驗(yàn)證材料和涂層承受潮濕條件和處理工作流體熱性能變化的能力，并且很可能需要能夠抵抗這種環(huán)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(tǒng)集成、簡化操作并大大降低成本。

有機(jī)朗肯循環(huán)

當(dāng)可用能源處于低溫或發(fā)電機(jī)的功率輸出較小時(shí)，使用水/蒸汽的朗肯循環(huán)不適合。這是由于循環(huán)的熱效率降低以及渦輪機(jī)械，特別是渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。當(dāng)滿足這些條件時(shí)，使用有機(jī)化合物代替水成為提高熱性能和簡化組件設(shè)計(jì)的替代方案。這得益于有機(jī)物的特性。

化合物（比蒸汽更高的摩爾質(zhì)量和分子復(fù)雜性），它比蒸汽產(chǎn)生更大的體積流速和更低的焓降。因此，有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）通常用于中小型的應(yīng)用中，從幾千瓦到幾十兆瓦，以及能源處于中到低溫（高達(dá)300℃）的應(yīng)用。

用于固定發(fā)電的ORC目前已商業(yè)化，其成熟度已確定為TRL9。在過去的二十年里，循環(huán)和組件的優(yōu)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了顯著的性能改進(jìn)和能源成本的降低。盡管如此，仍有幾個(gè)領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究以增強(qiáng)系統(tǒng)和組件性能，并提高成本效益。需要通過利用如超臨界蒸汽發(fā)生器、級聯(lián)布局或循環(huán)（包括濕膨脹）等特性來實(shí)現(xiàn)更高熱效率的新循環(huán)概念，這些特性針對某些應(yīng)用（如廢熱回收）的特殊性量身定制。許多與工作流體相關(guān)的研究也在進(jìn)行：開發(fā)和測試新的工作流體組合物，推動當(dāng)前的熱穩(wěn)定性極限，包括混合物--似乎具有實(shí)現(xiàn)更高熱效率的巨大潛力；考慮有機(jī)工作流體的非理想行為的渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展；需要更深入地了解BZT蒸氣預(yù)期的非經(jīng)典氣體動力學(xué)，包括從計(jì)算流體動力學(xué)獲得的數(shù)值預(yù)測的實(shí)驗(yàn)演示。

在應(yīng)用方面，重型汽車行業(yè)對使用mini-ORC系統(tǒng)進(jìn)行廢熱回收的興趣也開辟了新的研究機(jī)會：開發(fā)新的系統(tǒng)和組件概念，能夠應(yīng)對固有的可變操作條件，特別是高效容積式膨脹機(jī)能夠管理更大的膨脹率和系統(tǒng)動態(tài)。