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)化等手段實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的低碳化升級，已成為行業(yè)重點關(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個百分點?，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)。目前正在理論和實驗上探索超臨界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，目前有幾個項目正在通過相關(guān)環(huán)境中的演示將該技術(shù)帶到TRL6。考慮到該技術(shù)通常需要更長的時間尺度，只有在核能領(lǐng)域，除了一些實驗室規(guī)模測試（TRL4）外，沒有正在進(jìn)行的大型實驗項目。

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，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，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，因為這對于優(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)計條件下的運(yùn)行。還必須制定部分負(fù)載運(yùn)行策略，因為它們對性能和靈活性有非常大的影響，同時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，它有可能實現(xiàn)與傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)相同的時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，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下游注入液態(tài)水以實現(xiàn)完全蒸發(fā)的循環(huán)；這個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)計行為（喘振裕度的降低）的影響；最后，在注射站的下游，必須驗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，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)計更具挑戰(zhàn)性。當(dāng)滿足這些條件時，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)，包括從計算流體動力學(xué)獲得的數(shù)值預(yù)測的實驗演示。

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)。