未來將大規(guī)模以可再生能源發(fā)電為主體，但可再生能源自身存在隨機性、間歇性和波動性，使得電網和電力供應系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性備受考驗。燃氣輪機具有占地小、可靠性好、效率高、快速啟停等優(yōu)點，必將在電網過渡階段發(fā)揮至關重要的作用。

目前燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)模式相較于簡單循環(huán)配置下能增加約20%的效率。對通過采用更高的燃燒溫度和提高部件性能，可顯著提升燃氣輪機發(fā)電的效率。中國航發(fā)燃機瞄準世界燃氣輪機技術發(fā)展方向，為進一步提高燃氣輪機發(fā)電效率進行了深入研究并編譯本文，以期引發(fā)行業(yè)更多有益的思考。

熱力循環(huán)

當今世界大多數(shù)燃氣輪機采用簡單循環(huán)運行，只有少數(shù)燃氣輪機用壓縮機中間冷卻、再加熱(順序燃燒)或通過回熱器進行內部熱回收。簡單循環(huán)需要更高的入口溫度和更高的部件性能，每一代燃氣輪機的效率都有會小幅提升。然而提高效率需要不斷完善技術，鑒于熱力學和材料學的高需求，這些效率的提高在經濟性上有待商榷。基于此，業(yè)內已經有一些聲音在呼喚——其他循環(huán)，如熱布雷頓循環(huán)，將被考慮用于未來的聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機，在不達到如此高溫度的情況下實現(xiàn)類似的效率。需要進一步探索在額定和非設計條件下對循環(huán)性能、燃燒器運行、冷卻流量管理、渦輪機熱管理以及重要的靈活性的影響。

氣路設計

目前燃氣輪機中的壓氣機和渦輪的氣路設計已經實現(xiàn)了核心等熵流(遠離環(huán)空的流動)的精細化水平。通過多目標優(yōu)化獲得的高度三維葉片現(xiàn)在普遍使用，產生了前所未有的空氣動力學效率。進一步的內部效率提升將是適度的，尤其是在壓氣機中。

盡管如此，仍有些二次流動可進一步提高效率。渦輪間隙控制就是其中之一，估計有可能通過主動間隙控制系統(tǒng)實現(xiàn)0.25%的聯(lián)合循環(huán)效率增益。主動間隙控制系統(tǒng)可用于新的燃氣輪機和現(xiàn)有裝置升級;其中一些依靠轉子的軸向位移，而另一些則徑向工作。無論采用什么方法，都面臨著發(fā)動機瞬態(tài)溫度分布的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)受到負載變化的影響，更加頻繁啟動或停止。未來的系統(tǒng)需要能夠進一步減少壓氣機端部泄漏流量，避免旋轉部件和靜止部件之間的物理接觸。

冷卻系統(tǒng)

大約20%的壓縮機流量從氣路排出，用于冷卻和密封發(fā)動機的(高壓)熱部分。其中大部分用于冷卻一級渦輪葉片。在渦輪高壓段內氣路的根部，吸入熱氣也可能導致機械故障和空氣動力損失。當燃氣輪機的高應力部件(如轉子盤)被從氣路吸入的熱氣過熱時，可能會觸發(fā)機械故障。輪輞密封件通常與內部密封件一起從壓縮機排出冷卻/密封空氣以防止流入空腔，但這也會降低燃氣輪機效率。從壓氣機排出的空氣會導致熱效率減少，更重要的是氣體路徑中的出口和核心流之間的相互作用會產生進一步的動力損失。這些現(xiàn)象也受到瞬態(tài)操作的影響，因為這會改變所有相關流動的壓力和溫度分布，以及密封元件的公差。

因此，二級氣路的改進設計、多目標拓撲優(yōu)化和冷卻流的主動控制是需要進一步研究的領域，以進一步提高現(xiàn)有和新燃氣輪機的性能。

底層循環(huán)

現(xiàn)代熱回收蒸汽發(fā)生器在壓力水平下產生蒸汽并結合，目前能夠在技術上可行的情況下回收盡可能多的能量，受最低煙道溫度限制，這會引發(fā)煙道氣流中的冷凝問題。從第二定律的角度(即火用破壞)來看，超臨界高壓蒸發(fā)器可以減少這種不可逆性，但相關成本可能無法通過邊際性能增強(估計最先進技術的聯(lián)合循環(huán)效率點為0.5個百分點來補償)。

多壓力熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)在燃氣輪機的低排氣溫度下最受關注。當從單壓到多壓降低時，隨著溫度提高性能，并且在熱氣溫度(HRSG入口)大約為700℃時，兩種布局之間的差異消失了。隨著燃氣輪機排氣溫度的升高(現(xiàn)在超過650℃)需要以較低容量系數(shù)運行的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的經濟成本，可能有機會采用亞臨界的單壓再熱底部循環(huán)。

附加說明

在未來幾十年，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠高效發(fā)電將依賴于部分負荷效率而不是額定工況效率。因此，提高部分負荷性能和瞬態(tài)響應(盡可能快地過渡到更高負載以減少低負載下的運行時間)將對于運行的靈活性和電網的利益至關重要。這同樣適用于減少燃氣輪機的最小環(huán)境負荷，從而減少啟動和關閉的次數(shù)，并減少相關的燃料消耗、提高使用壽命和降低排放。這一切都與提高聯(lián)合循環(huán)和簡單循環(huán)燃氣輪機的整體效率有關。