视点| 韩品连：燃气轮机是实现低碳排放的关键

中国经济报道综合（王文慧）面对快速发展和变化的人类社会，人们不禁要问：不久的将来会是怎样一种生活状态，最佳的能源和动力是什么？太阳辐射到地球的热能似乎是取之不尽的能源。地球表面的水资源又是燃料氢和助燃物氧的天然矿产。通过太阳能分解水而得到燃料氢和助燃物氧就能一劳永逸解决能源问题。因为使氢同氧发生化学反应，会释放热能，同时生成大自然中的水，又还原了地球的本来面目，堪称完美极了。

按照这个理想，留给人类去解决的就只剩下三个问题。第一，如何利用太阳能分解水。第二，如何储存和输送氢燃料。第三如何燃烧氢得到热能。

那么热机，尤其是燃气轮机这种基于布雷顿热力循环的热机能扮演什么角色呢?

从新闻媒体到各类书刊杂志，今天的热点无一不聚焦在人类自身的未来。我们可以从不同的角度来分析我们的现状和对将来的期盼，帮助我们制定政策和发展计划。

人类社会进入21世纪后对保护地球越加重视，尤其是在减少人为因素对大气的污染，特别是能源系统造成碳排放和NOx排放等方面的行政干预和新技术层出不穷。各国的政治家，经济学家和技术专家们都在想方设法成为地球的保护者。一些权威期刊杂志也不断在刊登相关的最新观点和措施。

下面摘取的是最近一些热点话题。石油价格，加上社会对能源的向往向可再生能源的转移，使燃气涡轮行业不断受到质疑，各种奇谈怪论此起彼伏，而正确提出的问题应该是“燃气轮机的未来会是什么样子？”

燃气轮机的前景

燃气轮机将在燃气轮机/电池技术的混合（油电混合动力）中实现大幅增长，主要为电网规模级别的 UPS （Uninterruptible Power Supply）不间断电源提供扩展存储。

如果不是各国政府慷慨的补贴，可再生能源将在公平的竞争环境中面临极大挑战。这种趋势将对燃气轮机的未来产生重大而积极的影响。全球发电行业正在经历一场重大的转型期，各公司都必须努力跟上不断增长的客户期望、适应更严格的环境法规和快速变化的能源格局。但是由于众多的不确定性、缺乏投资和对变革的抵制减缓了这一进程。为燃气轮机 (GT) 研发 (R&D) 提供更多资金以及考虑替代技术的意愿可能是未来成功的关键。因此而言，燃气涡轮机械的技术投资是实现低碳排放的关键。

在任何发电来源中，天然气的每千瓦成本最低。简单循环涡轮机的效率改进已从 80 年代初的 33% 左右上升到今天的 40% 以上。在某些情况下，它可以高达 44%。材料、涂层、密封和冷却技术为其带来了巨大的收益。

基于基本热力学，在 1,700°C TIT 下，您可以设计 CCPP 的最佳效率是 65.3%。目前前大多数的 GT 涡轮机入口温度 (TIT) 高于 1,600°C。现场测量的最佳净性能在 61.5% 到 62% 之间。

消除燃烧室，取而代之可以使用定子内燃技术的分布式燃烧系统。该技术可将 GT 热效率提高约 7%。这个概念的部分逻辑是传统的燃气轮机有一个大的混合和燃烧区，会产生角涡。结果，出口温度不均匀性约为 22%。这种替代设计通过受控的诱导二次流使燃烧路径更长，从而使燃料颗粒在循环中保持更长时间，从而减少了这些涡流。

燃气热电联产可以在经济上提高效率并减少排放，但它需要一致的国家政策来促进热电联产的增长。能源组合中的间歇性可再生能源（风能和太阳能）越多，所需的备用容量和负载跟踪能力越高。因此未来掌握在（燃气涡轮）我们手中。

微小燃气轮机的优势

与现有动力系统相比，小型燃气轮机发动机的主要优势在于燃料系统的高能量密度潜力。即使整体系统效率相对较低，燃气轮机系统的每单位重量功率也将比现有或近期可用的电池高得多，因此对于需要高功率输出和长持续时间的任务，整体系统重量将显著降低。

然而，由于小型化，微型燃气轮机在系统备用、可靠性以及操作灵活性方面也具有优势。

人们仍然可以得出结论，氢由于其高能量密度，在小型燃气轮机发动机中具有最大的使用潜力。除此之外，氢的特性也使其成为一种极具吸引力的燃料选择。然而，只有当系统重量有限时，这才是正确的。如果系统所占体积是一个重要问题，那么氢的低密度将是一个很大的缺点，尽管其能量含量很高。

液态氢的密度仅为碳氢燃料密度的10%左右。除此之外，由于广泛的可燃极限和所需的低点火能量，使用氢气还带来了一些严重的安全考虑。因此，为了获得高重量和体积能量密度，需要使用碳氢燃料，丙烷是最有希望的替代品，因为它在良好的稳定性和高能量密度之间具有折衷性。

可以看出，内燃机，尤其是燃气轮机，与其他现有发电系统相比具有明显的优势。在高比能领域，内燃机的主要竞争技术似乎是燃料电池应用。然而，由于该技术固有的相对较高的系统重量（燃料电池和燃料转换器重量，如果适用），与基于燃烧的系统相比，燃料电池的功率密度适中，从而导致系统重量略高。

可以得出结论，微型热机将为需要高能量的任务提供最小的系统重量。除了提供额外的备用和减少体积外，使用小型发动机“堆叠”的另一个优点是可以分散发电。一些小型发动机可位于其最佳位置，减少系统管道等。

最后，几个小型发动机的系统也将在部分负载时提供更好的效率。对于单发动机系统，部分负载运行仅可通过转向较低的状态（较低的TIT和RPM）来实现，这会自动降低发动机的效率。然而，当使用多个小型发动机时，可以关闭一些发动机以匹配所需的降低功率。其余的发动机可以在全功率下工作，从而接近最大效率，从而在部分负载下获得更高的整体系统效率。

当微型燃气轮机获得高于或类似于竞争技术的效率时，可以设想到几个应用领域，微型燃气轮机既可用于产生若干便携式系统（军用和/或民用）所需的动力，也可用于推进飞行器。

可再生能源与热机转换

地球上越来越拥挤，科技越来越先进。这些年便出现了一个热词就是可再生能源。

可再生能源，指的是在自然界当中能够不断进行再生、一直可以进行利用的能源。可再生能源的特点是取之不尽、用之不竭。可再生能源属于资源在开发过程当中的一次能源。

可再生能源对环境的破坏是比较小的，而且分布的范围比较广泛，可以就地进行开发利用。可再生能源主要包括了太阳能、风能、潮汐能、地热能等。

难道石油，天然气，可燃冰，油页砂等等物质就不是可再生能源？今天的先进技术已经告诉人类这些能源也是取之不尽，用之不竭的。

植物，生物就不是可再生能源？更不要以为这些需要通过热机转换的能源就一定不环保。

开发利用太阳能、风能、潮汐能、地热能等，难道会对环境的破坏比较小？太阳，风，潮等等的潜能早在人类出现之前几百万年就存在，而且亘古不变。

今天那些一窝蜂赶热闹的人，应该冷静一下，仔细想想自己在做什么，为什么？无须质疑，相比之下太阳能，风能，水能这些表面看起来不需要化学反应就已经是热能，机械能了的“可再生”能源，不要以为人类可以不劳而获。要知道大自然从来没有这种好事。这些千古不变的大自然现象不会因为今天人类有一点点进步就一夜之间能成为人类所需要的可用能的主力。今后也不会。

现在被全世界的政治家，商人和科学家们摆在了靠前的位置，其背后的原因根本不是因为它们更清洁更环保，更不是因为它们能解决双碳（碳中和，碳达峰）问题。尤其要看到的是，世界发达国家和发展中国家对此的理解、解读、用意和做法是不一样的。

我们今天更需要的是通过对自己几十年面对的瓶颈问题的突破，解决“两机专项”这种主力能源设备的问题。

将传统热机的能源转换和使用效率从不到20%提升到超过90%。比如让微型燃气涡轮分布式冷热电联供和智能电网进入千家万户。这才是正道，才是真正能够做到绿色能源和实质性解决“双碳”问题。

我们在换道超车研制覆盖陆海空应用的先进微型燃气涡轮方面已经产生了350多份专利，100%全部采用增材设计与制造的6个不同型号的样机已经达到FETT（First Engine To Test）要求，正在加速试验完成技术成熟度TRL=8，计划2022年投放市场。

编译者：韩品连

1956年生，四川人。1982年初毕业于西安交通大学涡轮机械专业，留校任教6年并获得透平强度专业硕士学位。

1988-1990年自费公派到联邦德国柏林工业大学核技术研究所从事核安全在职博士科学研究工作。

1990-1998年赴加拿大取得New Brunswick 大学机械工程博士、加拿大国家自然科学工程技术研究理事会(NSERC)博士后，并先后在多家核工业相关企业工作，包括Atlantic Nuclear Engineering Services, AECL(Atomic Energy of Canada Limited), Stern Lab. etc.。1998-2010年转战美国并先后在ABB-CE和P&W(Pratt & Whitney)担任多个部门技术负责人，并取得RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)大学MBA和工程管理硕士以及RPI和P&W联合授予的精益六西格玛黑带。

2010年底受聘中国商用航空发动机有限责任公司，任大涵道比涡扇发动机长江1000A技术副总监、研发中心副主任、多个部门负责人。2014年加入深圳万泽中南研究院任院长。2016年受聘南方科技大学力学与航空航天工程系产学研讲席教授。2018年受聘深圳市3D打印制造业创新中心光韵达增材制造研究院院长。2011-2018年兼任5所985大学特聘教授。2019年创办浙江意动科技股份有限公司。

主要兴趣是增材设计与制造燃气涡轮，主要特长是航空发动机结构完整性保障和精益六西格玛工程管理，个人专利累计350余件。

（供稿：孟彦 中国航空学会科技咨询工作委员会副主任）