前言：目前世界各地的能源系統正在發生根本性變化，在"雙碳"背景之下，如何通過工藝流程中燃氣輪機的技術迭代優化等手段實現產業鏈的低碳化升級，已成為行業重點關注的問題。燃氣輪機作為工業能效的關鍵部件，主要的新興技術有濕壓縮循環、有機朗肯循環及超臨界朗肯循環。這些技術對于高效節約能源、降低成本有著巨大的能效潛力。目前這些技術主要適用于化工、石油、煉化及冶金等行業。然而，這些技術的大規模商業化應用面臨極大的技術挑戰，這些技術挑戰可以通過加大技術創新力度來解決。為了更好地助力雙碳目標，中國航發燃機結合燃氣輪機循環發電技術的發展方向，深入研究燃氣輪機復雜循環技術。

超臨界CO₂循環

超臨界汽輪機技術最初在上世紀60年代初得到展示，并在90年代納入主要原始設備制造商的產品組合中。今天，它已成為新發電廠的標準，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。現在，行業的目標是400bar和700℃的壓力和溫度，并希望接近50%的效率。

與這項技術努力并行的是，在超臨界壓力和溫度下工作的新一代封閉循環使用二氧化碳作為工作流體，在與超超臨界汽輪機相似的峰值壓力和溫度下工作，但隨著渦輪機入口溫度升高到600℃以上，性能會越來越好。從技術角度來看，sCO2系統位于蒸汽輪機和燃氣輪機的中間位置，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用中實現具有成本效益的碳捕獲。學術界和工業界一致認為，高于50%的效率完全在渦輪機入口溫度為700℃量級的技術能力范圍內。目前正在理論和實驗上探索超臨界CO2循環，用于第四代核反應堆、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，商業系統目前可用于5到10兆瓦規模（TRL9）的廢熱回收，而該技術處于天然氣應用的預商業階段（TRL7-8），包括小型 (1MWe) 和大型應用（25MWe） 。在CSP應用中，目前有幾個項目正在通過相關環境中的演示將該技術帶到TRL6。考慮到該技術通常需要更長的時間尺度，只有在核能領域，除了一些實驗室規模測試（TRL4）外，沒有正在進行的大型實驗項目。

可以確定許多跨領域的研究，需要緊湊、高效、具有成本效益的換熱器設計，以減少換熱器成本的很大一部分，并減少系統的熱慣性。在使用天然氣運行的系統中，需要高溫氧燃燒系統以確保燃燒穩定性以擴展調節能力。必須改進渦輪機械設計，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計受到此類機械的特定特性（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模函數的系統集成，因為這對于優化驅動器類型至關重要。

壓縮機和泵以及系統在非設計條件下的運行。還必須制定部分負載運行策略，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境中運行時這些循環的性能。初步結果是有希望的，但需要更多的研究來了解所得混合物的熱穩定性和長期降解，以及對渦輪機械和熱交換器的設計和性能的影響。

增壓燃燒

從歷史上看，燃氣輪機的效率提高是通過展示更高的渦輪機入口溫度來實現的。然而，從熱力學的角度來看，恒定壓力下的熱量添加（燃氣輪機中的布雷頓循環）產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）。這是由壓力增益燃燒引起的，它有可能實現與傳統布雷頓循環相同的時間平均燃燒器出口溫度，但壓力水平更高。對于相同的渦輪機入口溫度，這導致較低的壓縮比（跨壓縮機）和較高的整體循環熱力學效率，其限制由材料和冷卻技術決定。

傾斜方向，從而抑制了在PDC情況下連續產生爆震波的需要。雖然這減輕了渦輪機的入口條件，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口邊界條件，挑戰 PGC 的工業化。最后，波浪轉子依賴于在外殼內旋轉的蜂窩鼓，其間具有入口和出口管道。在滾筒的通道內，動態波進一步壓縮燃燒器上游的壓縮機輸送空氣，并將燃燒氣體膨脹到燃燒過程下游的較低壓力和溫度。

在不同的技術中，PDC被認為具有最大的效率提升潛力，但鑒于具有挑戰性的設計和操作條件，RDC似乎在增強性能和可行性之間提供了更好地折中。然而，極不穩定的化學能轉化率和較高的出口速度給傳統工業燃氣輪機帶來了嚴峻的挑戰：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；不穩定的傳熱和冷卻流管理。這些都是需要在基礎和應用層面進一步研究的領域，需要制定解決方案。

濕壓縮循環

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

根據所使用的加濕技術，通常可以確定三類濕循環：第一類涉及在注入點下游注入液態水以實現完全蒸發的循環；這個概念的例子是水霧化進氣冷卻（WAC)、濕式壓縮（TOPHAT)、水噴射的再生蒸發循環 (REVAP)，以增加壓縮機后面或燃燒室中的功率。另一種選擇是將蒸汽注入燃燒室。諸如標準、高級或級聯濕空氣渦輪循環 (HAT/AHAT/CHAT) 之類的循環將液態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性能改進潛力。

這些不同選項的發展狀態不同，在TRL2和TRL9之間產生不同的TRL： TRL 2用于CHAT、TOPHAT、REVAP技術；TRL4和TRL7分別用于HAT和 AHAT布局； TRL9 為循環。因此，需要對不同的組件以及系統級別進行進一步的研發。首先，在燃燒器周圍，以確保接近化學計量條件和高含水量的穩定運行。對于渦輪機械，還必須更好地理解渦輪機和壓氣機之間的質量不平衡對非設計行為（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，從而簡化系統集成、簡化操作并大大降低成本。

有機朗肯循環

當可用能源處于低溫或發電機的功率輸出較小時，使用水/蒸汽的朗肯循環不適合。這是由于循環的熱效率降低以及渦輪機械，特別是渦輪機的設計更具挑戰性。當滿足這些條件時，使用有機化合物代替水成為提高熱性能和簡化組件設計的替代方案。這得益于有機物的特性。

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

用于固定發電的ORC目前已商業化，其成熟度已確定為TRL9。在過去的二十年里，循環和組件的優化已經實現了顯著的性能改進和能源成本的降低。盡管如此，仍有幾個領域需要進一步研究以增強系統和組件性能，并提高成本效益。需要通過利用如超臨界蒸汽發生器、級聯布局或循環（包括濕膨脹）等特性來實現更高熱效率的新循環概念，這些特性針對某些應用（如廢熱回收）的特殊性量身定制。許多與工作流體相關的研究也在進行：開發和測試新的工作流體組合物，推動當前的熱穩定性極限，包括混合物--似乎具有實現更高熱效率的巨大潛力；考慮有機工作流體的非理想行為的渦輪機械設計方法的發展；需要更深入地了解BZT蒸氣預期的非經典氣體動力學，包括從計算流體動力學獲得的數值預測的實驗演示。

在應用方面，重型汽車行業對使用mini-ORC系統進行廢熱回收的興趣也開辟了新的研究機會：開發新的系統和組件概念，能夠應對固有的可變操作條件，特別是高效容積式膨脹機能夠管理更大的膨脹率和系統動態。