燃气轮机创新技术！提高生产原动力

提高燃气轮机生产力的创新莱昂纳多·迪·芬奇在他的一本著名笔记本中勾勒出早期燃气轮机的想法之前，发明家和科学家就对燃气轮机创

提高燃气轮机生产力的创新

莱昂纳多·迪·芬奇在他的一本著名笔记本中勾勒出早期燃气轮机的想法之前，发明家和科学家就对燃气轮机创造动力的概念着迷。但是，直到过去80年，燃气轮机的发电潜力才得到实现。现在，随着能源需求的增加以及减少温室气体排放的呼声，对更清洁、更高效的下一代燃气轮机技术的需求至关重要。国家能源技术实验室（NETL）正在引导创新，以提高燃气轮机的生产力。

氢气轮机

NETL在能源部赞助的项目下进行研究，为煤气化联合循环（IGCC）发电开发氢燃料燃气轮机技术，以提高效率，减少排放，降低成本，并允许碳捕获、利用和储存（CCUS）。能源部将计划的适用性扩大到炼油厂和炼钢厂等行业。最近的资金被用于促进一系列燃气轮机技术进步，这将提高工业CCUS燃气轮机的效率、排放和成本效益。支持工业技术加速、应用和改造的努力也将有利于先进的氢气轮机开发和典型公用事业应用中的现有机器。

旨在改进的涡轮系统和组件包括燃烧器技术、材料研究、增强冷却技术和涂层开发。这些技术被认为是氢气轮机的关键组成部分，氢气轮机与其他先进的能源系统技术一起，将共同开发下一代高效联合循环力系统。

氢气轮机技术领域表明，美国可以利用煤基氢气燃料发电，在基线提高联合循环效率，并减少二氧化碳和其他排放。

氢气轮机计划专注于涡轮技术的进一步发展，以达到带有CCUS的IGCC发电厂的最终性能目标。NETL打算证明：

•以氢为燃料的燃气轮机，联合循环效率提高了3-5个百分点（总计高于基线）

•接近零排放系统具有竞争力的电力成本

•以氢燃料的IGCC在发电厂废气时带有2 ppm的氮氧化物

先进的燃气轮机

用于联合循环应用领域的先进燃气轮机专注于联合循环操作中先进燃气轮机的组件和燃烧系统，这些组件和燃烧系统可以实现超过65%的联合循环效率（LHV，天然气基准），并支持负载跟踪能力，以满足现代电网的需求。为了实现这一目标，重点是先进的燃气轮机概念，其燃料是天然气和煤炭衍生燃料，包括氢气和合成气，以及更高的燃烧温度（3,100华氏度）。

正在进行的部件研发将允许更高的燃气轮机进口温度，管理冷却要求，最大限度地减少泄漏，推进压缩机和膨胀机的空气动力学，推进高温负载后燃烧系统的性能，低排放标准污染物，包括氮氧化物（NOx），并从整体上提高联合循环应用中的燃气轮机的效率。该主题领域的项目包括研究增压燃烧系统、陶瓷基复合材料组件和先进的涡轮机配置，以提高冷却和效率。

增压燃烧（PGC）在与燃烧式燃气轮机集成时，有可能大大改善联合循环的性能。虽然传统的燃气轮机经历稳定的亚音速燃烧，导致总压力损失，但PGC使用多种物理现象，包括共振脉冲燃烧、恒定体积燃烧或爆炸，来影响整个燃烧室有效压力的上升，同时消耗与恒压燃烧器相同的燃料量。导致整个燃烧室压力增加的方法依赖于汉弗莱（或阿特金森）循环，并被视为在燃气轮机电力系统中实现更高效率的一种手段，简单循环系统可能达到4%至6%，联合循环系统可能达到2%至4%。

潜在的技术挑战包括燃料喷射、燃料和空气混合、防回流、引爆、波浪方向性、保持压力增益、控制氮氧化物和一氧化物的排放，以及与涡轮热气路径膨胀组件集成导致的不稳定传热和冷却流挑战。

基于超临界二氧化碳的动力循环

NETL的先进燃气轮机项目为直接和间接加热的超临界二氧化碳（sCO2）化石燃料应用的动力循环进行研发。重点是用于间接加热化石燃料动力循环的部件，涡轮机进口温度在1300-1400°F（700-760°C）之间，以及用于直接加热超临界二氧化碳动力循环的全氧燃烧。

超临界二氧化碳动力循环的运行方式与其他燃气轮机循环相似，但它使用二氧化碳作为轮机的工作流体。该循环在二氧化碳的临界点以上运行，因此它不会改变相位（从液体到气体），而是在很小的温度和压力范围内经历急剧的密度变化。这使得在高温下可以从体积相对较小的设备中提取大量的能量。在相同的额定功率下，超临界二氧化碳轮机的额定气路直径将明显小于公用事业规模的燃气轮机或蒸汽轮机。

首个化石燃料间接加热应用所设想的循环是一个非冷凝闭环再压缩布雷顿循环，在膨胀机的两边都有加热和排热。在这个循环中，二氧化碳通过一个热交换器从热源间接加热，这与传统锅炉中加热蒸汽的方式不一样。当二氧化碳在涡轮机中膨胀时，能量被提取出来。剩余的热量在一个或多个高效换热器中提取，以预热返回主热源的二氧化碳。这些换热器通过限制循环中的热排斥，帮助提高循环的整体效率。

在联合动力循环中，燃气轮机发电，其余热用于制造蒸汽，通过蒸汽轮机产生额外的电力。同时，超临界二氧化碳是一种超临界流体状态的二氧化碳，同时表现出气体和液体的特性。与蒸汽相比，在动力涡轮机中使用超临界二氧化碳是有吸引力的，因为它的热稳定性，可以在较小的包装中实现更高的功率输出。NETL宣布的研究项目的目标是提高燃气轮机和超临界二氧化碳动力循环的效率，以便在新的发电设施中使用。

这六个项目是：

用于 65% 联合循环效率的陶瓷基复合材料高级过渡 - 西门子能源公司与 COI Ceramics 和佛罗里达涡轮技术公司合作，将进一步开发用于西门子高级过渡燃烧器的陶瓷基复合材料设计，以支持 65% 效率的燃气轮机联合循环.

用于燃气轮机的冷却高温陶瓷基复合材料喷嘴可实现 65% 的效率——GE Power 与 GE 全球研究部和克莱姆森大学合作，将进一步开发高温陶瓷基复合材料涡轮喷嘴，作为有助于实现 DOE 目标的创新组件用于先进的燃气轮机。

效率为 65% 的先进多管混合器燃烧 GE Power 与 GE 全球研究部合作，将采用先进版本的 GE 微型混合器多管燃料-空气预混合器和先进版本的轴向燃料分级，以实现涡轮进气温度超过 3,200 °F。

燃气轮机的旋转起爆燃烧--Aerojet Rocketdyne 将与西南研究所、普渡大学、阿拉巴马大学、密歇根大学、中佛罗里达大学和杜克能源公司合作，将开发并演示用于发电燃气轮机的空气喷射旋转起爆发动机燃烧系统。

用于直接加热的超临界富氧燃烧的高入口温度燃烧器-西南研究所与Thar能源有限公司、GE、佐治亚理工学院和中佛罗里达大学合作，将演示直接加热的1兆瓦富氧燃烧超临界二氧化碳循环，以推进最先进的化石燃料超临界二氧化碳发电循环。

为公用事业规模的超临界二氧化碳轮机开发低泄漏密封件--GE与西南研究所合作，将为公用事业规模的超临界二氧化碳动力循环开发涡轮机末端密封件和级间密封件，以实现可现场试验的设计。大部分工作的重点是通过在新的和现有的设施中，在空气和超临界二氧化碳环境中，在不断增加的压力、温度和密封尺寸下对涡轮机端部密封进行测试，使其成熟。

燃烧

燃烧计划的目标是设计和开发涡轮机的燃烧部分，利用目前最好的和先进的技术，以满足先进的合成气或氢燃料燃气轮机的战略系统级目标。重点是测量和评估氢气燃烧的基本特性，并利用这些特性来设计和开发低氮氧化物的燃烧系统。目前正在评估几种燃烧技术，包括轴向燃料分级、扩散、预混的混合形式以及压力增益燃烧。

材料：隔热涂层——材料部门项目的目标是评估和开发隔热涂层（TBC），以提供用于合成气和氢燃料的先进燃气轮机所需的性能和耐久性。重点是确定候选的TBC结构和材料成分，使其具有适当的热、机械和化学特性，用于减少燃烧器过渡件、固定喷嘴和旋转机翼的热通量。正在开发先进的TBC和粘合涂层架构，以提高IGCC燃气轮机在恶劣环境中的耐久性和热性能。

当燃气轮机在高温下运行时，它们使用的燃料更少，运行效率更高，并使碳捕获技术更有效地减少温室气体排放。问题是，当涡轮暴露在超过1,200°C的温度下时，保护涡轮不受高温影响的热障涂层会退化和失效，而这是更有效的运行和温室气体捕获所需要的。

如果在整个燃气轮机行业采用，这项技术可以大大提高涡轮的效率，并减少总体燃料消耗。它还可能使下一代高温、高效系统的技术得到发展，从而为发电厂更有效的碳捕获奠定基础——并有助于推动清洁能源经济的发展。