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?燃气轮机的工作方式简单循环、联合循环和混合循环

简单循环燃气轮机的效率水平约在35%至40%之间。联合循环机组可将效率提升至60%及更高。但如今出现了另一种兼具简单循环和联合循环设计特点的选择。这种混合配置采用单个动力涡轮，并将排气余热回收至燃烧室，从而集二者之长。它被称作VAST（增值蒸汽技术）动力循环，有望实现50%以上的效率水平。它有潜力成为以可再生能源为主的电网中最具成本效益的备用选项。而且，在不使用催化剂的情况下，其排放水平还很低。

1、传统循环

尽管不常使用，但简单循环（布雷顿）调峰机组处于备用状态运行，为保障电网可靠性提供关键的备用电力。它们具备快速爬坡能力，运行灵活性佳。美国能源信息署（EIA）报告称，2017年至2023年期间，简单循环电厂的容量系数平均在9.6%至14.1%之间。然而，夏季峰值已大幅攀升至12%以上，有时甚至高达23%（见图1）。夏季利用率峰值一直在快速上升，而冬季利用率仅略有上升。这使得2017年冬季到夏季的容量系数波动从4%增加到了2023年的14%。

图1美国每月简单循环天然气涡轮机容量系数及装机容量（2017年1月-2024年5月）

来源：美国能源信息署

另一种传统的发电厂设计是联合循环。此类电厂将燃气轮机排出的余热通过余热回收蒸汽发生器（HRSG）输送，该发生器利用朗肯循环产生蒸汽，再将蒸汽输送至蒸汽轮机。这相较于简单循环电厂大幅提高了效率，在理想条件下，其效率可接近65%。据美国能源信息署称，2022年美国联合循环机组的平均容量系数上升至57%。在2022年和2203年期间，共有13座新的联合循环电厂投入使用，总装机容量为12.4吉瓦。2024年和2025年还将有约5吉瓦的机组上线。

由于涉及更多的系统和部件，联合循环电厂比简单循环设施更为复杂。有时还会包含变速箱和离合器。因此，其成本更高，维护问题也更多。此外，电网中更多可再生能源的存在迫使许多联合循环电厂频繁启停。这导致了严重的维护和性能下降问题。在某些情况下，由于蒸汽轮机对快速启停响应缓慢，应对频繁的太阳能和风能波动会使联合循环效率降至50%以下。

2、一种新的混合循环

一种折中的方案正在兴起，它是简单循环和联合循环的混合体。VAST动力循环利用燃气轮机膨胀机将布雷顿循环与朗肯循环融合，省去了联合循环中的蒸汽轮机（见图2）。单个燃气轮机膨胀机以约46%的蒸汽以及约54%的氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、氧气（O2）作为产生系统动力的热工质运行。

图2VAST循环。（Exp=膨胀机；P=泵；HPC=高压压气机；OTSG=直流蒸汽发生器；ECONOMIZER=余热回收器；CONDENSER=冷凝器

燃气轮机转变为燃气/蒸汽混合燃气轮机，根据压力不同，膨胀机功率可提高60%至80%。排气余热被回收并与蒸汽和热水一起循环回燃烧室。这取代了多余的压缩冷却空气及其损耗。该系统在提供低成本电力的同时，实现了超过50%的效率。消除多余的冷却空气还可使压缩机流量和尺寸减少50%或更多。原本用于压缩冷却空气的能量现在可用于发电。

这显著提高了系统效率，同时使每千瓦的成本支出低于简单循环和联合循环机组。该系统的年容量系数可从简单循环的不足10%转变为10%至60%，以作为不可调度的太阳能和风能的备用。

3、克服湿空气燃烧障碍

湿空气燃烧在历史上一直受到火焰熄灭、水净化成本以及效率低下的限制。此前，为补充排气中损失的水而使用锅炉品质的水，使得通过喷水来持续控制氮氧化物（NOx）的成本过高。从历史上看，喷水虽能提高功率但会降低效率。这种混合循环已经克服了这个问题。

这种新的混合循环可回收净水量，无需进行持续的锅炉品质水处理。通过回收冷却水和蒸汽，它可取代通常用于冷却燃气轮机所需的超过75%的压缩空气。所有注入的冷却水都能被回收，同时还能从燃烧中回收净水量。

VAST联合创始人兼首席科学家大卫·哈根博士说：“回收和循环利用超纯水克服了使用湿循环燃气轮机的最大障碍。这种新的动力循环可回收注入的蒸汽和热水，以及一部分燃烧形成的水。”

4、排放控制

2023年，萨金特伦迪公司（SargentLundy）对用于燃气轮机氮氧化物排放控制的常规喷水技术进行了评估。该公司发现：“喷水是一项成熟的技术，并且……能提供低于42ppm（0.05磅/百万英热单位）的氮氧化物排放，实际最低排放可达25ppm（0.03磅/百万英热单位）。”如此高的排放水平超过了美国环境保护署（EPA）对发电的要求。传统燃烧系统中空气、燃料和水的混合不佳导致了热点和氮氧化物的产生。

该系统通过美国能源部（DOE）的两项反应性计算流体动力学（CFD）资助项目进行了建模，建模结果显示，其氮氧化物和一氧化碳排放量比传统燃气轮机低两个数量级以上。

哈根说：“燃气轮机燃烧室一直是最难规模化的部件