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工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

文檔作者：孔祥林1，2，高進(jìn)1，2，趙仕志1，2 文檔來源： 1. 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司 2. 清潔高效透平動(dòng)力裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		更新日期： 2026年05月02日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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上一篇：淺析壓縮機(jī)在煤化工工藝中的應(yīng)用和實(shí)踐

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第31卷 第4期 2024年8月
Vol.31 No.4 Aug., 2024
收稿日期：2023-12-01 修回日期：2024-04-06
基金項(xiàng)目：國家重大專項(xiàng)“重型燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)性能監(jiān)測與運(yùn)行優(yōu)化研究”（J2019-I-0003-0004）
第一作者：孔祥林（1970—），男，碩士，教授級高級工程師，從事燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)及管理工作。
E-mail：kongxianglin@dongfang.com
通信作者：高進(jìn)（1985—），男，博士，高級工程師，從事燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)工作。E-mail：gaoj@dongfang.com
120
世界石油工業(yè)
World Petroleum Industry 雙碳三新 D
Decarbonization &amp;amp; Transformation
引用格式：孔祥林, 高進(jìn), 趙仕志. 工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 世界石油工業(yè), 2024, 31(4): 120-128.
KONG X L, GAO J, ZHAO S Z. Status and development trend of advanced technology of industrial gas turbine[J]. World Petroleum Industry,
2024, 31(4): 120-128.
工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
孔祥林1，2，高進(jìn)1，2，趙仕志1，2
（1. 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000；
2. 清潔高效透平動(dòng)力裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽 618000）
摘要：燃?xì)廨啓C(jī)具有功率密度高、碳排放相對較少、啟動(dòng)快、燃燒環(huán)保燃料能力等特點(diǎn)，是未來能源領(lǐng)域設(shè)備的重要組
成部分。為了促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，助力研發(fā)高性能的燃?xì)廨啓C(jī)，為此對工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展
趨勢進(jìn)行綜述。對與工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的通用先進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，包括高性價(jià)比的大規(guī)模計(jì)算能力、高度自主
的系統(tǒng)、增材制造、人工智能和網(wǎng)絡(luò)安全。對燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒、結(jié)構(gòu)材料和涂層、增材制造、熱管理、智能運(yùn)行和維護(hù)、
閉式和混合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)等7個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)和趨勢進(jìn)行了詳細(xì)分析。建議對重
點(diǎn)研究領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率和負(fù)載靈活性、增強(qiáng)與可再生能源的兼容性、減少排放、增強(qiáng)燃料靈活
性，以便智能運(yùn)行和維護(hù)，降低燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)成本，同時(shí)可助力燃?xì)廨啓C(jī)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)；增材制造；氫燃燒器；電網(wǎng)系統(tǒng)；發(fā)展趨勢
中圖分類號：TE9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號：1006-0030(2024)04-0120-009 DOI: 10.20114/j.issn.1006-0030.20231201002
Status and development trend of advanced technology of industrial gas turbine
KONG Xianglin1, 2, GAO Jin1, 2, ZHAO Shizhi1, 2
(1. Dongfang Steam Turbine Co., Ltd., Deyang, Sichuan 618000, China;
2. State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment, Deyang, Sichuan 618000, China)
Abstract: Gas turbine is an important component of the future energy field with characteristics of high power density, relatively
low carbon emissions, fast start-up and the ability to burn environmentally friendly fuels. In order to promote the development of
gas turbine technology and related technologies, and assist in the research and development of high-performance gas turbines, this
paper summarizes the current status and development trends of advanced industrial gas turbine technologies, and analyzes the
development trends of global advanced technologies related to industrial gas turbines, including low-cost large-scale computing
capabilities, highly autonomous systems, additive manufacturing, artificial intelligence, and cybersecurity. It details the
development goals and trends of seven key research areas: gas turbine combustion, structural materials and coatings, additive
manufacturing, thermal management, intelligent operation and maintenance, closed and hybrid cycle gas turbine systems, and gas
turbines for energy storage systems. It is recommended to conduct in-depth research on the key research areas mentioned above,
in order to improve the efficiency and load flexibility of gas turbines, enhance their compatibility with renewable energy sources,
reduce emissions, enhance fuel flexibility, facilitate intelligent operation and maintenance, reduce the cost of gas turbine research
and development, and promote the progress of gas turbines and related technologies.
Keywords: industrial gas turbines; additive manufacturing; hydrogen combustor; power grid system; development trend
0 引言
燃?xì)廨啓C(jī)依托先進(jìn)的冷卻和涂層技術(shù)，可以在
結(jié)構(gòu)材料的熔點(diǎn)以上工作，具有功率密度高、碳排
放相對較少、啟動(dòng)快、可燃燒環(huán)保燃料等特點(diǎn)，廣
泛應(yīng)用于航空、發(fā)電、船舶、石油化工等領(lǐng)域，具
有龐大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)增長潛力。到2032年，全球燃
氣輪機(jī)的年產(chǎn)值預(yù)計(jì)增長至約1 100×108美元，其中
第31卷 第4期 2024年8月 孔祥林 等：工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
121
航空用燃?xì)廨啓C(jī)占總市場的85%左右[1]。
燃?xì)廨啓C(jī)是一種高度復(fù)雜的產(chǎn)品，各國政府和
學(xué)者在其技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域上投入了大量資源和精力。
因此，了解與工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的通用技術(shù)現(xiàn)狀非
常重要，這些通用技術(shù)有助于燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)和技
術(shù)進(jìn)步。隨著可再生能源的快速增長和減碳的需
求，發(fā)電市場正在經(jīng)歷重要變革。為了使燃?xì)廨啓C(jī)
能夠保持其在市場上的重要地位，需要對燃?xì)廨啓C(jī)
先進(jìn)技術(shù)開展持續(xù)的研究和投資。本文針對工業(yè)燃
氣輪機(jī)，即工業(yè)驅(qū)動(dòng)和發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)發(fā)
展趨勢進(jìn)行分析。
1 與燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的通用先進(jìn)技術(shù)
1.1 高性價(jià)比的大規(guī)模計(jì)算能力
高性價(jià)比的大規(guī)模計(jì)算能力可提高燃?xì)廨啓C(jī)
設(shè)計(jì)和制造精度，進(jìn)而提升效率，具體表現(xiàn)在3個(gè)
方面：（1）在設(shè)計(jì)方面，高性價(jià)比的大規(guī)模算力
可為燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜系統(tǒng)級的模擬提供支持[2–3]，如
動(dòng)力學(xué)耦合、湍流畸變和復(fù)雜混合現(xiàn)象產(chǎn)生的空氣
動(dòng)力學(xué)載荷；（2）在制造方面，高性價(jià)比的大規(guī)
模算力可提供以不同分辨率模擬增材制造等新制
造技術(shù)的能力；（3）在運(yùn)行和維護(hù)方面，利用虛
擬傳感器生成或物理傳感器測量的大規(guī)模實(shí)時(shí)數(shù)
據(jù)分析有助于燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行和維護(hù)。上述應(yīng)用都
需要高性價(jià)比的大規(guī)模算力進(jìn)行大規(guī)模模擬，并利
用先進(jìn)硬件技術(shù)進(jìn)行加速計(jì)算以降低模擬成本。
1.2 高度自主的系統(tǒng)
高度自主的系統(tǒng)有助于降低燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行
和維護(hù)成本。自主系統(tǒng)將通過改進(jìn)維修、維護(hù)和檢
查流程，提高燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的靈活性和智能化水
平，從而提高系統(tǒng)的可靠性，降低產(chǎn)品生命周期成
本[4]。實(shí)現(xiàn)高度自主的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)需要依托小型
化機(jī)器人、自主導(dǎo)航、自動(dòng)化維修和檢查、遠(yuǎn)程操
作、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)等新興技術(shù)。
1.3 增材制造
增材制造是基于數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)能力的核心技
術(shù)，通過該技術(shù)，可以快速精密制造新設(shè)計(jì)的復(fù)雜
三維結(jié)構(gòu)，加快新產(chǎn)品的驗(yàn)證，縮短新產(chǎn)品的研制
周期[5]。同時(shí)，基于增材制造的工藝，能采用系統(tǒng)
的方法來進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，從而減少零件數(shù)量，減輕
系統(tǒng)質(zhì)量，增強(qiáng)耐用性，降低生命周期成本。
1.4 人工智能
人工智能（包括機(jī)器學(xué)習(xí)）有助于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、
制造、運(yùn)行和服務(wù)的整個(gè)生命周期內(nèi)提高燃?xì)廨啓C(jī)
的效率和裝備質(zhì)量[6]。人工智能和數(shù)據(jù)庫的進(jìn)步還
有助于決策制定、改進(jìn)維護(hù)流程、提高可靠性和降
低運(yùn)營成本。
1.5 網(wǎng)絡(luò)安全
隨著燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)的互聯(lián)互通，存儲(chǔ)在設(shè)計(jì)、
制造、運(yùn)營和維護(hù)系統(tǒng)中的核心數(shù)據(jù)量不斷增多，
網(wǎng)絡(luò)安全與信息保密的重要性日益顯著。截至目
前，大多數(shù)針對能源系統(tǒng)的攻擊都針對IT基礎(chǔ)設(shè)施
或斷路器[7]。在這種情況下，可以通過重新啟動(dòng)計(jì)
算機(jī)或重置斷路器以迅速解決問題。但是，如果攻
擊導(dǎo)致重要的大型定制設(shè)備發(fā)生物理損壞，可能需
要數(shù)周甚至數(shù)月才能恢復(fù)。所以管理好網(wǎng)絡(luò)安全才
能保證燃?xì)廨啓C(jī)及其核心數(shù)據(jù)的安全。
2 燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)及趨勢
以性能改進(jìn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)用廣度3個(gè)指標(biāo)來
判斷一項(xiàng)技術(shù)是否為工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵先進(jìn)
技術(shù)[1]。
（1）性能改進(jìn)。性能改進(jìn)包括：① 滿負(fù)荷和
部分負(fù)荷時(shí)的效率；② 生命周期成本，即設(shè)計(jì)開發(fā)
時(shí)間和成本、制造時(shí)間和成本、可靠性、可用性和
可維護(hù)性；③ 燃料靈活性；④ 排放；⑤ 與可再生
能源和未來電網(wǎng)的兼容性。
（2）技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。先進(jìn)技術(shù)通常伴隨有中高風(fēng)
險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)越高，技術(shù)研發(fā)失敗的可能性越大，而低
風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)已經(jīng)被大量研究，所以應(yīng)對關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)
進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評估。
（3）應(yīng)用廣度。該指標(biāo)用于評估一項(xiàng)技術(shù)支
持其他技術(shù)發(fā)展的能力，以及一項(xiàng)技術(shù)與其他研究
領(lǐng)域的關(guān)系。
根據(jù)上述評判指標(biāo)，提出工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵先
進(jìn)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)及需要優(yōu)先發(fā)展的研究內(nèi)容。
2.1 關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)
綜合考慮先進(jìn)技術(shù)對燃?xì)廨啓C(jī)性能改進(jìn)的作
用、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)用廣度，建議將效率和負(fù)載靈活
性、與可再生能源的兼容性、排放、燃料靈活性、
成本以及智能運(yùn)行和維護(hù)作為優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)。
Vol.31 No.4 Aug., 2024
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世界石油工業(yè)
World Petroleum Industry D 雙碳三新
Decarbonization &amp;amp; Transformation
2.1.1 效率和負(fù)載靈活性
對于發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)，聯(lián)合循環(huán)的目標(biāo)效率為
70%，簡單循環(huán)的目標(biāo)效率為50%以上[1, 8]。對于管
道壓縮機(jī)站（含石油和天然氣應(yīng)用）用燃?xì)廨啓C(jī)，
應(yīng)能承受大的負(fù)載波動(dòng)，部分負(fù)載下能高效運(yùn)行。
目前，用于發(fā)電的重型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)效率
約64%，簡單循環(huán)效率約44% [9–10]。為達(dá)到上述目
標(biāo)效率，需要進(jìn)一步提高燃燒溫度，而該方法會(huì)造
成氮氧化物（NOx）排放量增加。在提高效率的同
時(shí)降低NOx的排放具有很高的難度，這需要引入革
命性的技術(shù)，甚至更改燃?xì)廨啓C(jī)的基本構(gòu)架或研發(fā)
全新的材料。該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)很高。
在石油和天然氣行業(yè)，燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在
各種負(fù)載和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，在變工況時(shí)通過保持燃燒
溫度和將軸流壓縮機(jī)空氣直接排放到排氣系統(tǒng)中
以減少排放，但其顯著降低了效率。天然氣管道
在未來會(huì)與可再生能源整合[11]，這需要壓氣站的燃
氣輪機(jī)頻繁啟停和在部分負(fù)荷下運(yùn)行。由于天然氣
管道具有儲(chǔ)能功能，可以適應(yīng)對天然氣需求的突然
變化，故快速啟動(dòng)不作為管道壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)的重
要性能參數(shù)。由于壓縮機(jī)站一般都位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，
外部電力供應(yīng)不足，而天然氣燃料很容易獲得，所
以雖然電動(dòng)機(jī)在部分負(fù)載下效率高，但運(yùn)營商更偏
向采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)。由于已經(jīng)有較多在研技術(shù)，
該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)為中等。
2.1.2 與可再生能源的兼容性
調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是與可再生能源
的集成[12]。燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動(dòng)和靈活運(yùn)行的能力可
使電網(wǎng)能夠快速平衡由風(fēng)能和太陽能帶來的電力
波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將提高燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源
的兼容性，減輕對環(huán)境的影響。燃?xì)廨啓C(jī)/電池混合
系統(tǒng)可以減少燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)次數(shù)，并延長燃?xì)廨啓C(jī)
的可利用時(shí)間，有助于減少燃料、維護(hù)成本和有害
排放。該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)為中高。
2.1.3 排放
降低燃?xì)廨啓C(jī)CO2排放不能以降低性能為代價(jià)，
同時(shí)NOx和其他有害物質(zhì)也應(yīng)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)[13]。燃
氣輪機(jī)通常需要在高溫、高壓下運(yùn)行，造成NOx加
速釋放，需要研發(fā)新的燃燒技術(shù)以實(shí)現(xiàn)將NOx排放
控制在可接受范圍，同時(shí)保持足夠的燃燒調(diào)節(jié)能
力。該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)為中等。
2.1.4 燃料靈活性
用于發(fā)電及石油和天然氣行業(yè)的燃?xì)廨啓C(jī)要
求使用極高比例的氫氣和其他各種成分的可再生
氣體燃料[14–16]。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)可減輕對傳統(tǒng)碳基燃料
的依賴，并實(shí)現(xiàn)接近零排放以降低對環(huán)境的影響。
實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)將提高燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源和未來
電網(wǎng)的兼容性，使其能夠燃燒可再生能源燃料，例
如生物燃料。該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高。
2.1.5 成本
降低發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的平準(zhǔn)化電力成本，以確保
能長期與太陽能和風(fēng)能系統(tǒng)的成本保持競爭力。平
準(zhǔn)化電力成本包括發(fā)電廠的資本成本和持續(xù)運(yùn)營成
本。資本成本包括建設(shè)成本、融資成本、稅收抵免
以及其他與工廠相關(guān)的補(bǔ)貼或稅費(fèi)。持續(xù)運(yùn)營成本
包括燃料成本、預(yù)期維護(hù)成本以及基于發(fā)電廠運(yùn)營的
其他相關(guān)補(bǔ)貼或稅費(fèi)[17]。
平準(zhǔn)化電力成本為購買和運(yùn)營燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵
指標(biāo)之一，需要不斷提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能并在成本
上保持與可再生能源的競爭力。由于提高燃?xì)廨啓C(jī)
性能可能會(huì)需要更貴的材料和更復(fù)雜的部件，從而
導(dǎo)致更高的制造成本。該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)很高。
2.1.6 智能運(yùn)行和維護(hù)
開發(fā)智能運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)，在不降低可用性或
可靠性的情況下，保證天然氣管道壓縮站的燃?xì)廨?
機(jī)不間斷運(yùn)行3年或更長時(shí)間。燃?xì)廨啓C(jī)智能運(yùn)行
和維護(hù)優(yōu)化了整個(gè)生命周期內(nèi)的運(yùn)行、維護(hù)和檢
修。先進(jìn)的智能運(yùn)行和維護(hù)算法通過在線評估運(yùn)行
數(shù)據(jù)，計(jì)算剩余使用壽命、故障概率以及檢修成本，
以便運(yùn)營商和原始設(shè)備制造商依據(jù)這些信息制定
維護(hù)計(jì)劃[18]。
實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)將使運(yùn)營商能夠最大限度地縮短
燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)維護(hù)時(shí)間，從部分負(fù)載到峰值負(fù)載條
件下的靈活運(yùn)行，提高可用性，從而提高運(yùn)營效率，
降低生命周期成本。目前，定期維護(hù)的典型周期為
每6～12個(gè)月1次。特別是對于管道上應(yīng)用遠(yuǎn)程和無
人值守的燃?xì)廨啓C(jī)，保障其長時(shí)間正常運(yùn)行尤其重
要。隨著智能運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)的成熟，無人值守壓
縮機(jī)站的應(yīng)用將更加廣泛。應(yīng)減少維護(hù)干預(yù)和非計(jì)
劃停機(jī)來提高天然氣輸送的整體效率。目前，發(fā)電
用和石油及天然氣行業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)在沒有定期維
護(hù)的情況下，尚未實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行3年以上。短期來
看，該目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)為中等。
第31卷 第4期 2024年8月 孔祥林 等：工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
123
2.2 關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢
根據(jù)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，
需要重點(diǎn)在燃燒、結(jié)構(gòu)材料和涂層、燃?xì)廨啓C(jī)增材
制造、熱管理、智能運(yùn)行和維護(hù)、閉式和混合循環(huán)
燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域優(yōu)
先開展研究。
2.2.1 燃燒
該領(lǐng)域重點(diǎn)研究低排放，可以在高溫、高壓環(huán)
境中工作以及具有燃料靈活性的燃燒系統(tǒng)。對NOx
排放的限制日趨嚴(yán)格，導(dǎo)致燃燒技術(shù)發(fā)生了根本轉(zhuǎn)
變，預(yù)混燃燒技術(shù)占比不斷上升，包括對火焰穩(wěn)定
性、排放、湍流燃燒和燃燒化學(xué)的研究[19]。為了提
高燃?xì)廨啓C(jī)的效率，需要不斷提高新一代燃?xì)廨啓C(jī)
的燃燒壓力和溫度，目前H/J級重型燃?xì)廨啓C(jī)的壓
力比高達(dá)24，透平入口溫度高達(dá)1 600 ℃ [10]，在如
此高的壓力和溫度下減少有害排放具有極高難度。
同時(shí)，隨著可再生能源在電網(wǎng)中的比例越來越大，
亟需電網(wǎng)大規(guī)模調(diào)峰并具有跨季節(jié)、跨地域儲(chǔ)能能
力，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定。氫燃?xì)廨啓C(jī)作為未來新型
電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，可以大規(guī)模消納可再生能源
生產(chǎn)的氫能，并在未來能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要調(diào)峰作
用，是實(shí)現(xiàn)碳中和的主要技術(shù)路徑之一，這對燃燒
器是否可以燃燒一定比例的氫氣或純氫氣燃料提
出了要求。
（1）高溫和高壓下減少有害排放的燃燒技術(shù)。
NOx的生成隨溫度呈指數(shù)級增長，也隨壓力呈正比
關(guān)系。此外，減少NOx排放的同時(shí)很可能會(huì)增加CO
或顆粒物排放。在透平入口溫度低于約1 500 ℃時(shí)，
可通過燃料和空氣預(yù)混來減少NOx排放，其中貧預(yù)
混燃燒方法在該方面很有效，但是存在燃燒火焰位
置不穩(wěn)定的問題，并且由于熱值的波動(dòng)容易發(fā)生燃
燒振蕩。為了解決上述問題，需要確定燃燒器內(nèi)火
焰的具體位置，但其在高溫、高壓條件下很難確定，
ITO等[5]通過光學(xué)測量和大規(guī)模非定常數(shù)值模擬開
發(fā)了火焰位置評估技術(shù)。然而，由于燃燒器壓力和
溫度的進(jìn)一步提高，即使在完美的預(yù)混下，也會(huì)產(chǎn)
生不少的NOx，需要研發(fā)新的燃燒模式來實(shí)現(xiàn)低
NOx排放。由于NOx的產(chǎn)生和形成速率與燃燒器停
留時(shí)間成正比，新的燃燒模式應(yīng)具有使NOx形成速
率最小，縮短停留時(shí)間，同時(shí)保持足夠的燃燒調(diào)整
的能力。理論研究證明[20]，與常用于高效地面燃?xì)?
輪機(jī)的傳統(tǒng)干式低NOx燃燒器相比，分布式燃料噴
射技術(shù)可以將NOx排放量減少1個(gè)數(shù)量級。
（2）氫燃燒器。目前主要的燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠
家都在積極推進(jìn)氫燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)
用。燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)承諾，2030年可研發(fā)出燃燒純
氫氣的燃?xì)廨啓C(jī)。采用氫燃料會(huì)帶來如下挑戰(zhàn)[21]：
① 自燃，由于氫氣點(diǎn)火延遲時(shí)間較短，自燃風(fēng)險(xiǎn)
較高；② 回火，由于氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高及點(diǎn)
火延遲時(shí)間較短，回火風(fēng)險(xiǎn)較高；③ 容易產(chǎn)生熱
聲振蕩，由于氫氣具有較高的火焰速度、較短的
點(diǎn)火延遲時(shí)間和不同的火焰穩(wěn)定機(jī)制，導(dǎo)致不同
的火焰形狀、位置和反應(yīng)性，燃燒室聲學(xué)頻率處
或附近的燃燒振蕩可能增加；④ NOx排放量增加，
氫氣快速燃燒所釋放的熱量使燃燒室溫度急劇升
高，同時(shí)氫氣的加入會(huì)使化學(xué)反應(yīng)中的活化分子
體積分?jǐn)?shù)增加，從而導(dǎo)致NOx高排放問題；⑤ 沃
泊指數(shù)較低，壓降越大，沃泊指數(shù)的變化越大，
燃燒系統(tǒng)和相關(guān)控制所需的靈活性就越大；⑥ 縮
短熱部件使用壽命，燃燒氫氣將增加煙氣中的含
水量，從而使燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件的傳熱加快，
這對冷卻系統(tǒng)提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。
目前，解決氫燃?xì)廨啓C(jī)回火和降低NOx排放量
可行的方法是微混燃燒器[22]或多簇燃燒器[23]。上述
燃燒器利用多個(gè)小火焰取代單一大火焰，縮短了反
應(yīng)物停留時(shí)間，可降低NOx生成，同時(shí)小孔徑噴嘴
噴出的高速射流消除了回火風(fēng)險(xiǎn)。
2.2.2 結(jié)構(gòu)材料和涂層
結(jié)構(gòu)材料和涂層技術(shù)的發(fā)展一直是現(xiàn)代工業(yè)
燃?xì)廨啓C(jī)效率和性能不斷提高的基礎(chǔ)。未來燃?xì)廨?
機(jī)結(jié)構(gòu)材料和涂層領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容為：陶瓷基
復(fù)合材料、基于物理的材料壽命計(jì)算模型、先進(jìn)的
高溫合金及其部件設(shè)計(jì)方法。上述研究將提高燃?xì)?
輪機(jī)的效率，延長使用壽命。
（1）陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。CMC由碳、
碳化硅（SiC）、氧化鋁（Al2O3）、莫來石（Al2O3-SiO2）
等纖維組成，與傳統(tǒng)陶瓷相比是輕質(zhì)、超高溫和高
抗斷裂材料[14]。CMC的開發(fā)已超過30年， CMC纖
維重點(diǎn)應(yīng)用于燃燒器和透平的靜葉和動(dòng)葉，使得燃
氣輪機(jī)具有更高的工作溫度（CMC適用于1 500 ℃
及以上的表面溫度），可減少冷卻空氣量，并使燃
料完全燃燒。該技術(shù)的預(yù)期收益是燃料和CO2排放
減少2%，熱部件質(zhì)量減輕約50%，提高燃?xì)廨啓C(jī)效
率并降低電力成本[1]。開發(fā)CMC的先進(jìn)生產(chǎn)方法，
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世界石油工業(yè)
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以進(jìn)一步降低高質(zhì)量SiC纖維成本，使得CMC能在
燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)廣泛應(yīng)用。CMC部件使用陶瓷基體中的
陶瓷纖維制造，該復(fù)合材料需要高強(qiáng)度耐火纖維，
能夠承受熱偏移，而高強(qiáng)度、抗蠕變、抗氧化的SiC
纖維可以滿足上述要求。采用經(jīng)濟(jì)有效的聚合物加
工路線開發(fā)最佳的SiC纖維，生產(chǎn)具有優(yōu)異強(qiáng)度保
持率、彈性模量和抗蠕變性能的纖維，其關(guān)鍵特征
是：化學(xué)計(jì)量比或碳硅比、保護(hù)晶界、低殘余氧含
量和無雜相。研究的目標(biāo)是在現(xiàn)有CMC技術(shù)使用溫
度的基礎(chǔ)上提高170 ℃，并比鎳基材料高450 ℃。
（2）基于物理的材料壽命計(jì)算模型。建立基
于物理的壽命計(jì)算模型，解決燃燒器和透平部件材
料的退化問題[24]。該模型有助于先進(jìn)材料、制造技
術(shù)和數(shù)字孿生的研發(fā)，其需要解決以下問題：① 金
屬結(jié)構(gòu)材料和涂層的熱腐蝕和氧化；② 熔鹽引起的
高溫應(yīng)力腐蝕開裂；③ 熱腐蝕、氧化及水分引起的
退化；④ 鈣鎂鋁硅酸鹽引起的熱脹及環(huán)境屏障涂層
的退化和侵蝕；⑤ CMC在極端運(yùn)行溫度下能長期
保持力學(xué)性能。
（3）先進(jìn)的高溫合金及其部件設(shè)計(jì)技術(shù)。鎳
基高溫合金已經(jīng)在燃?xì)廨啓C(jī)中使用了50多年，雖然
定向凝固或鍛造生產(chǎn)的鎳合金在持續(xù)發(fā)展，但是這
些類別的合金已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度
極限[14]。先進(jìn)的高溫合金技術(shù)研發(fā)主要集中在3個(gè)
方面：① 定向凝固鑄造技術(shù)；② 用于透平動(dòng)葉和
靜葉的鎳基高溫合金化學(xué)成分開發(fā)；③ 用于盤（轉(zhuǎn)
子）的粉末冶金高溫合金[25]。然而，提高溫度能力
的研究和開發(fā)已經(jīng)到了收益遞減的階段。
為了提高燃?xì)廨啓C(jī)效率，燃燒器和透平中需要
使用CMC以及可以在超過當(dāng)前設(shè)計(jì)溫度下使用的
金屬材料。先進(jìn)的高溫合金需要引入新的技術(shù)，
如高熵合金、高溫鈦合金、鈷基高溫合金和難熔
合金[26–27]。此外，還需要開發(fā)先進(jìn)高溫合金部件
設(shè)計(jì)技術(shù)，包括由多種微結(jié)構(gòu)和單晶輪緣組成的混
合透平輪盤。
2.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)增材制造
增材制造的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕部件質(zhì)量，減少零
件數(shù)量，允許其他工藝無法制造的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可小
批量生產(chǎn)，并縮短開發(fā)時(shí)間，其在新型冷卻部件、
新型高溫合金的集成設(shè)計(jì)，以及對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)
構(gòu)控制方面具有優(yōu)勢。增材制造于1987年通過三維
系統(tǒng)的立體光刻技術(shù)在商業(yè)上出現(xiàn)，已經(jīng)發(fā)展了30
多年，現(xiàn)面臨的主要技術(shù)難題是變形、裂紋、組織
難調(diào)控和表面質(zhì)量差等[28]。上述難題需要通過集成
傳感、傳感器數(shù)據(jù)的自主分析和過程校正方面的研
究予以解決。應(yīng)該重點(diǎn)從3個(gè)方面開展研究。
（1）集成設(shè)計(jì)和增材制造。開發(fā)先進(jìn)的方法，
將材料、工藝、機(jī)器和成本模型與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
軟件集成，創(chuàng)建一個(gè)完整的數(shù)字工程體系，滿足燃
氣輪機(jī)設(shè)計(jì)師對增材制造的特殊需求。該技術(shù)可高
效、高精度地滿足燃?xì)廨啓C(jī)熱部件中創(chuàng)造性的冷卻
幾何結(jié)構(gòu)，能夠設(shè)計(jì)新的、更高性能的高溫材料以
及微觀結(jié)構(gòu)。
（2）高溫結(jié)構(gòu)材料的增材制造。開發(fā)新的高
溫結(jié)構(gòu)材料和先進(jìn)的增材制造設(shè)備工藝，以提高熱
效率和工作溫度極限，并增強(qiáng)使用增材制造生產(chǎn)的
燃?xì)廨啓C(jī)部件的耐用性。特別是在開發(fā)新的、低成
本的粉末生產(chǎn)方法方面，開發(fā)制造過程中的微觀結(jié)
構(gòu)、生產(chǎn)柱狀晶粒和單晶零件是最具有挑戰(zhàn)性的研
究內(nèi)容。
（3）傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)和過程分析集成。將
基于物理的成分、加工、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械行為模型、
人工智能分析、工藝信息等集成到制造基礎(chǔ)設(shè)施中，
以提高燃?xì)廨啓C(jī)部件的工藝控制和首次產(chǎn)量。
2.2.4 熱管理技術(shù)
熱管理研究的目的是開發(fā)先進(jìn)的冷卻方法，可
以快速、低成本地應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)，實(shí)現(xiàn)更高的透
平入口溫度、更高的循環(huán)壓比以及更低的燃燒器和
透平冷卻流量，從而在滿足燃?xì)廨啓C(jī)壽命要求的同
時(shí)提高熱力學(xué)循環(huán)效率。
目前燃燒器和透平部件的冷卻流量約占壓氣
機(jī)總空氣流量的25%。現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)受益于數(shù)十年
來對高溫合金、先進(jìn)涂層和先進(jìn)冷卻技術(shù)的研究，
將先進(jìn)的鎳基高溫合金與冷卻技術(shù)的應(yīng)用相結(jié)合，
不斷提高透平入口溫度。同時(shí)，通過不斷提高循環(huán)
壓比來實(shí)現(xiàn)更高的熱效率，但壓氣機(jī)抽取的冷卻空
氣的溫度也隨循環(huán)壓比的增加而升高，其會(huì)影響燃
燒器和透平的冷卻。因此，有必要開發(fā)利用更高溫
度的冷卻空氣的熱管理技術(shù)，以保證熱端部件正常
使用壽命。該研究領(lǐng)域包括3個(gè)研究方向。
（1）創(chuàng)新冷卻技術(shù)。通過創(chuàng)新的冷卻技術(shù)和
方法[29]提高燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的冷卻效率。包括：
① 通過增材制造技術(shù)，采用熱、氣動(dòng)、強(qiáng)度、振動(dòng)、
輕量化等多目標(biāo)協(xié)同方法生產(chǎn)復(fù)雜高效的桁架晶
第31卷 第4期 2024年8月 孔祥林 等：工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
125
格結(jié)構(gòu)；② 將先進(jìn)的微米級孔、精細(xì)化冷卻通道和
微尺度表面結(jié)構(gòu)等微尺度冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于燃燒器、
透平葉片；③ 在透平葉片中應(yīng)用強(qiáng)導(dǎo)熱高溫?zé)峁芗?
術(shù)；④ 采用CMC制造葉片的冷卻技術(shù)，采用CMC
可將工作溫度升高100 ℃，超過了現(xiàn)有單晶葉片的
工作溫度。
（2）全共軛傳熱模型。開發(fā)先進(jìn)的全共軛傳
熱技術(shù)[30]，以實(shí)現(xiàn)燃燒器和透平冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
設(shè)計(jì)，最大限度地減少熱端部件冷卻空氣流量，
提高透平入口溫度，并實(shí)現(xiàn)更高的壓比。增材制
造技術(shù)可使燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和精
細(xì)的結(jié)構(gòu)，但是目前對復(fù)雜先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)的物
理機(jī)理缺乏認(rèn)識(shí)，限制了燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件高效
冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力。所以需要對全共軛傳熱分
析進(jìn)行研究，通過單一的模型來模擬流體和固體
的傳熱，從而準(zhǔn)確捕捉氣膜冷卻流和主氣路之間
復(fù)雜的三維熱量交換，從而為熱端部件的冷卻結(jié)
構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
（3）顆粒物的影響機(jī)理研究。由于一些地區(qū)
的空氣污染，顆粒流（含固體顆粒、熔化或部分熔
化的顆粒以及熱氣的混合物）可以進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)并
沖擊主氣體路徑以及二次空氣路徑中的部件。沙子
或大氣顆粒物等顆粒物的濃度會(huì)顯著減弱燃?xì)廨?
機(jī)的性能，并經(jīng)常導(dǎo)致停機(jī)，尤其在石油天然氣行
業(yè)。與這些環(huán)境相關(guān)的基本物理機(jī)理尚不明確，需
要使用高保真度模擬和實(shí)驗(yàn)對相關(guān)環(huán)境條件進(jìn)行
綜合研究，這些環(huán)境條件包括與顆粒攝入相關(guān)的簡
單到復(fù)雜現(xiàn)象。環(huán)境顆粒會(huì)侵蝕壓氣機(jī)葉片，而在
燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件（燃燒器和透平）內(nèi)停留時(shí)間
足夠長的顆粒則會(huì)黏附在部件表面，從而引發(fā)嚴(yán)重
故障。當(dāng)顆粒黏附在熱端部件表面上時(shí)，因內(nèi)部通
道堵塞而減少冷卻流量或增加壁與冷卻空氣之間
的熱阻，金屬溫度通常會(huì)急劇升高，而更高的金屬
溫度反過來會(huì)導(dǎo)致黏附顆粒溫度更高，從而使更多
顆粒黏附在表面[31]。冷卻后，表面熔化顆粒會(huì)導(dǎo)致
保護(hù)涂層剝落。
2.2.5 智能運(yùn)行和維護(hù)
研發(fā)智能運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)，通過減少計(jì)劃和非
計(jì)劃維護(hù)的次數(shù)來改善燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行，從而減少
非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)[32]。
（1）先進(jìn)傳感器技術(shù)。在燃?xì)廨啓C(jī)上使用的
傳感器，對尺寸、成本、溫度、壓力、可靠性和壽
命等方面有極高的要求，傳感器要能夠在燃?xì)廨啓C(jī)
惡劣的內(nèi)部環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測[33]。與傳
統(tǒng)的有線傳感器相比，易于安裝、成本較低、堅(jiān)固、
可靠的無線傳感器具有巨大的優(yōu)勢。在燃?xì)廨啓C(jī)部
件的使用壽命內(nèi)，傳感器和信號傳輸系統(tǒng)需能承受
高溫、惡劣環(huán)境（腐蝕性和氧化性）和振動(dòng)的影響。
其中溫度數(shù)據(jù)尤為重要，目前有許多不同的技術(shù)用
于燃?xì)廨啓C(jī)部件的溫度測量，包括金屬絲熱電偶、
噴涂熱電偶、薄膜熱電偶、高溫計(jì)、示溫漆、熱晶
體和紅外熱像儀等。然而，這些技術(shù)中的每一種都
有局限性，所以需要對特定傳感器進(jìn)行專門研究，
例如研究利用增材制造等新興技術(shù)改進(jìn)傳感器與
燃?xì)廨啓C(jī)部件的集成[34]。
（2）先進(jìn)檢查和維修技術(shù)。開發(fā)現(xiàn)場檢查和維
修技術(shù)，以評估燃?xì)廨啓C(jī)的退化狀態(tài)，最大限度地
延長運(yùn)行時(shí)間，降低長期維護(hù)成本。目前主要通過
目視和內(nèi)視鏡檢查燃燒器和透平葉片等關(guān)鍵部件的
狀態(tài)。這種方法需要依靠專家判斷來識(shí)別和分類缺
陷，檢查的效果取決于專家經(jīng)驗(yàn)。為了有效地檢查
燃?xì)廨啓C(jī)，對新興技術(shù)進(jìn)行研究：① 遠(yuǎn)程操作和遠(yuǎn)
程呈現(xiàn)；② 小型化檢查機(jī)器人；③ 單目標(biāo)同時(shí)定位
與建圖（利用傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位和地圖構(gòu)
建技術(shù)，其通過不斷觀測環(huán)境以及機(jī)器人自身的狀
態(tài)來更新機(jī)器人的位置，并在這個(gè)過程中構(gòu)建出環(huán)
境地圖）；④ 自主導(dǎo)航；⑤ 人工智能輔助分析檢查
數(shù)據(jù)；⑥ 新的人機(jī)界面，通過利用機(jī)器人、遠(yuǎn)程呈
現(xiàn)、遠(yuǎn)程操作、人工智能[35]等新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨?
機(jī)現(xiàn)場智能檢測和維修。
（3）先進(jìn)控制技術(shù)。開發(fā)先進(jìn)的控制技術(shù)，
以滿足電網(wǎng)與可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)日益一體化
的運(yùn)營需求。需要開發(fā)“更智能”的燃?xì)廨啓C(jī)，通
過利用外部環(huán)境（天氣預(yù)報(bào)）、商業(yè)條件（燃料成
本和電價(jià)）和客戶偏好（風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避）等相關(guān)領(lǐng)域的
信息，來更有效地控制燃?xì)廨啓C(jī)。該研究需要借鑒
人工智能技術(shù)，尤其是機(jī)器智能，通過控制技術(shù)提
高燃?xì)廨啓C(jī)的性能，并通過數(shù)字孿生的應(yīng)用來指
導(dǎo)運(yùn)行和維護(hù)，同時(shí)降低燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行成本[36]。
2.2.6 閉式和混合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)
為了進(jìn)一步降低排放和提高效率，目前正在研
發(fā)的閉式和混合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)分別為氧燃燒
循環(huán)（Allam循環(huán)）燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和燃料電池-燃?xì)?
輪機(jī)混合系統(tǒng)。
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（1）Allam循環(huán)。使用氧燃燒的非常規(guī)熱力學(xué)
循環(huán)可以提供高的熱效率，同時(shí)容易從煙道氣流中
去除CO2。由于氧燃燒使用純氧而不是大氣，以天
然氣為燃料時(shí)，其排氣完全由水蒸汽和CO2組成，
CO2捕獲后用于工業(yè)或封存，水蒸汽冷卻為純凈水。
Allam循環(huán)本質(zhì)上是一種具有氧燃燒的半封閉循環(huán)
燃?xì)廨啓C(jī)，其中CO2（名義上）占燃燒器中流體流
量的95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其余5%由氧氣和燃料組成。
用于燃燒的氧氣由低溫空氣分離裝置產(chǎn)生，Allam
循環(huán)燃料化學(xué)能（LHV）凈效率接近59% [37]。美
國在2018年耗資1.4×108美元建造的一座基于Allam
循環(huán)零排放的50 MW熱電廠已經(jīng)開始試運(yùn)行[38]。該
技術(shù)的推廣還需要對整個(gè)系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化，以及
通過配置合適的空氣分離裝置以降低運(yùn)營成本。
（2）燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合系統(tǒng)。在此之前，
由于化石燃料集中式發(fā)電技術(shù)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致
對燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合系統(tǒng)研究較少。燃?xì)廨?
機(jī)布雷頓循環(huán)中最大的損失機(jī)理與燃燒的不可逆
性質(zhì)有關(guān)。在燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，
燃料電池取代燃燒器，充當(dāng)“前置循環(huán)”。在該
系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)充當(dāng)后置循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)的效
率可達(dá)70%。
2.2.7 用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)
壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）是除抽水蓄能（PHS）
外唯一經(jīng)驗(yàn)證的利用透平，特別是再熱燃?xì)廨啓C(jī)
進(jìn)行大規(guī)模、長期儲(chǔ)能的技術(shù)[38]。CAES中最大的
難點(diǎn)是找到合適的儲(chǔ)存位置（例如枯竭的天然氣
儲(chǔ)層）或制造一個(gè)儲(chǔ)存位置（如鹽穴）。替代解
決方案是低溫或液態(tài)空氣儲(chǔ)能，空氣被低溫液化
以儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。為了提高壓縮空氣儲(chǔ)能的功率
和效率，可通過壓縮空氣儲(chǔ)能加補(bǔ)燃式燃?xì)廨啓C(jī)
的組合系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電力需求較低的時(shí)期，通
過電網(wǎng)取能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組壓縮空氣或液化并存
儲(chǔ)。在電網(wǎng)峰值需求期間，壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐中
抽出，并在進(jìn)入膨脹機(jī)組之前在回?zé)崞魇褂脧U熱
加熱，加熱后的空氣經(jīng)過高壓膨脹機(jī)、膨脹機(jī)補(bǔ)
燃式燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器和透平進(jìn)行做功。最后，廢
氣通過回?zé)崞鞣祷兀瑢M(jìn)入的空氣進(jìn)行預(yù)熱[40-41]。
與以前的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的低壓膨脹機(jī)排氣溫
度相對較高，因此不需要高壓燃燒器。
該系統(tǒng)中的補(bǔ)燃式燃?xì)廨啓C(jī)與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)
相比少了壓氣機(jī)，需要解決的技術(shù)難點(diǎn)：① 無壓
氣機(jī)平衡燃?xì)廨啓C(jī)的推力，導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)子推力大，
需要設(shè)計(jì)平衡盤以及長期服役工況如何保證平衡
腔室壓力的穩(wěn)定；② 轉(zhuǎn)子的冷卻空氣參數(shù)與原燃
氣輪機(jī)難以做到相同，且壓力無法隨透平工況隨
動(dòng)，其對燃?xì)廨啓C(jī)輪盤、葉片和氣缸的瞬態(tài)熱應(yīng)
力需重新評估；③ 透平功率大，軸系慣量小，無
壓氣機(jī)這種天然的耗功設(shè)備，需特別注意機(jī)組防
超速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3 結(jié)束語
對與工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的通用先進(jìn)技術(shù)發(fā)展
趨勢進(jìn)行分析，包括高性價(jià)比的大規(guī)模計(jì)算能力、
高度自主的系統(tǒng)、增材制造、人工智能和網(wǎng)絡(luò)安全。
綜合考慮先進(jìn)技術(shù)對燃?xì)廨啓C(jī)性能改進(jìn)的作用、技
術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)用廣度，總結(jié)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵先進(jìn)技
術(shù)的優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)，即提高燃?xì)廨啓C(jī)效率和負(fù)載靈
活性、與可再生能源的兼容性、排放、燃料靈活性、
成本及智能運(yùn)行和維護(hù)。根據(jù)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵先
進(jìn)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，提出應(yīng)重點(diǎn)對燃燒、結(jié)構(gòu)材
料和涂層、燃?xì)廨啓C(jī)增材制造、熱管理、智能運(yùn)
行和維護(hù)、閉式和混合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和用于
儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域進(jìn)行研究，促進(jìn)研發(fā)
高性能的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)。
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（編輯: 柳玲玲 王克楠）

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