提高燃氣輪機生產力的創新萊昂納多·迪·芬奇在他的一本著名筆記本中勾勒出早期燃氣輪機的想法之前，發明家和科學家就對燃氣輪機創

提高燃氣輪機生產力的創新

萊昂納多·迪·芬奇在他的一本著名筆記本中勾勒出早期燃氣輪機的想法之前，發明家和科學家就對燃氣輪機創造動力的概念著迷。但是，直到過去80年，燃氣輪機的發電潛力才得到實現?，F在，隨著能源需求的增加以及減少溫室氣體排放的呼聲，對更清潔、更高效的下一代燃氣輪機技術的需求至關重要。國家能源技術實驗室（NETL）正在引導創新，以提高燃氣輪機的生產力。

氫氣輪機

NETL在能源部贊助的項目下進行研究，為煤氣化聯合循環（IGCC）發電開發氫燃料燃氣輪機技術，以提高效率，減少排放，降低成本，并允許碳捕獲、利用和儲存（CCUS）。能源部將計劃的適用性擴大到煉油廠和煉鋼廠等行業。最近的資金被用于促進一系列燃氣輪機技術進步，這將提高工業CCUS燃氣輪機的效率、排放和成本效益。支持工業技術加速、應用和改造的努力也將有利于先進的氫氣輪機開發和典型公用事業應用中的現有機器。

旨在改進的渦輪系統和組件包括燃燒器技術、材料研究、增強冷卻技術和涂層開發。這些技術被認為是氫氣輪機的關鍵組成部分，氫氣輪機與其他先進的能源系統技術一起，將共同開發下一代高效聯合循環力系統。

氫氣輪機技術領域表明，美國可以利用煤基氫氣燃料發電，在基線提高聯合循環效率，并減少二氧化碳和其他排放。

氫氣輪機計劃專注于渦輪技術的進一步發展，以達到帶有CCUS的IGCC發電廠的最終性能目標。NETL打算證明：

?以氫為燃料的燃氣輪機，聯合循環效率提高了3-5個百分點（總計高于基線）

?接近零排放系統具有競爭力的電力成本

?以氫燃料的IGCC在發電廠廢氣時帶有2 ppm的氮氧化物

先進的燃氣輪機

用于聯合循環應用領域的先進燃氣輪機專注于聯合循環操作中先進燃氣輪機的組件和燃燒系統，這些組件和燃燒系統可以實現超過65%的聯合循環效率（LHV，天然氣基準），并支持負載跟蹤能力，以滿足現代電網的需求。為了實現這一目標，重點是先進的燃氣輪機概念，其燃料是天然氣和煤炭衍生燃料，包括氫氣和合成氣，以及更高的燃燒溫度（3,100華氏度）。

正在進行的部件研發將允許更高的燃氣輪機進口溫度，管理冷卻要求，最大限度地減少泄漏，推進壓縮機和膨脹機的空氣動力學，推進高溫負載后燃燒系統的性能，低排放標準污染物，包括氮氧化物（NOx），并從整體上提高聯合循環應用中的燃氣輪機的效率。該主題領域的項目包括研究增壓燃燒系統、陶瓷基復合材料組件和先進的渦輪機配置，以提高冷卻和效率。

增壓燃燒（PGC）在與燃燒式燃氣輪機集成時，有可能大大改善聯合循環的性能。雖然傳統的燃氣輪機經歷穩定的亞音速燃燒，導致總壓力損失，但PGC使用多種物理現象，包括共振脈沖燃燒、恒定體積燃燒或爆炸，來影響整個燃燒室有效壓力的上升，同時消耗與恒壓燃燒器相同的燃料量。導致整個燃燒室壓力增加的方法依賴于漢弗萊（或阿特金森）循環，并被視為在燃氣輪機電力系統中實現更高效率的一種手段，簡單循環系統可能達到4%至6%，聯合循環系統可能達到2%至4%。

潛在的技術挑戰包括燃料噴射、燃料和空氣混合、防回流、引爆、波浪方向性、保持壓力增益、控制氮氧化物和一氧化物的排放，以及與渦輪熱氣路徑膨脹組件集成導致的不穩定傳熱和冷卻流挑戰。

基于超臨界二氧化碳的動力循環

NETL的先進燃氣輪機項目為直接和間接加熱的超臨界二氧化碳（sCO2）化石燃料應用的動力循環進行研發。重點是用于間接加熱化石燃料動力循環的部件，渦輪機進口溫度在1300-1400°F（700-760°C）之間，以及用于直接加熱超臨界二氧化碳動力循環的全氧燃燒。

超臨界二氧化碳動力循環的運行方式與其他燃氣輪機循環相似，但它使用二氧化碳作為輪機的工作流體。該循環在二氧化碳的臨界點以上運行，因此它不會改變相位（從液體到氣體），而是在很小的溫度和壓力范圍內經歷急劇的密度變化。這使得在高溫下可以從體積相對較小的設備中提取大量的能量。在相同的額定功率下，超臨界二氧化碳輪機的額定氣路直徑將明顯小于公用事業規模的燃氣輪機或蒸汽輪機。

首個化石燃料間接加熱應用所設想的循環是一個非冷凝閉環再壓縮布雷頓循環，在膨脹機的兩邊都有加熱和排熱。在這個循環中，二氧化碳通過一個熱交換器從熱源間接加熱，這與傳統鍋爐中加熱蒸汽的方式不一樣。當二氧化碳在渦輪機中膨脹時，能量被提取出來。剩余的熱量在一個或多個高效換熱器中提取，以預熱返回主熱源的二氧化碳。這些換熱器通過限制循環中的熱排斥，幫助提高循環的整體效率。

在聯合動力循環中，燃氣輪機發電，其余熱用于制造蒸汽，通過蒸汽輪機產生額外的電力。同時，超臨界二氧化碳是一種超臨界流體狀態的二氧化碳，同時表現出氣體和液體的特性。與蒸汽相比，在動力渦輪機中使用超臨界二氧化碳是有吸引力的，因為它的熱穩定性，可以在較小的包裝中實現更高的功率輸出。NETL宣布的研究項目的目標是提高燃氣輪機和超臨界二氧化碳動力循環的效率，以便在新的發電設施中使用。

這六個項目是：

用于 65% 聯合循環效率的陶瓷基復合材料高級過渡 - 西門子能源公司與 COI Ceramics 和佛羅里達渦輪技術公司合作，將進一步開發用于西門子高級過渡燃燒器的陶瓷基復合材料設計，以支持 65% 效率的燃氣輪機聯合循環.

用于燃氣輪機的冷卻高溫陶瓷基復合材料噴嘴可實現 65% 的效率——GE Power 與 GE 全球研究部和克萊姆森大學合作，將進一步開發高溫陶瓷基復合材料渦輪噴嘴，作為有助于實現 DOE 目標的創新組件用于先進的燃氣輪機。

效率為 65% 的先進多管混合器燃燒 GE Power 與 GE 全球研究部合作，將采用先進版本的 GE 微型混合器多管燃料-空氣預混合器和先進版本的軸向燃料分級，以實現渦輪進氣溫度超過 3,200 °F。

燃氣輪機的旋轉起爆燃燒--Aerojet Rocketdyne 將與西南研究所、普渡大學、阿拉巴馬大學、密歇根大學、中佛羅里達大學和杜克能源公司合作，將開發并演示用于發電燃氣輪機的空氣噴射旋轉起爆發動機燃燒系統。

用于直接加熱的超臨界富氧燃燒的高入口溫度燃燒器-西南研究所與Thar能源有限公司、GE、佐治亞理工學院和中佛羅里達大學合作，將演示直接加熱的1兆瓦富氧燃燒超臨界二氧化碳循環，以推進最先進的化石燃料超臨界二氧化碳發電循環。

為公用事業規模的超臨界二氧化碳輪機開發低泄漏密封件--GE與西南研究所合作，將為公用事業規模的超臨界二氧化碳動力循環開發渦輪機末端密封件和級間密封件，以實現可現場試驗的設計。大部分工作的重點是通過在新的和現有的設施中，在空氣和超臨界二氧化碳環境中，在不斷增加的壓力、溫度和密封尺寸下對渦輪機端部密封進行測試，使其成熟。

燃燒

燃燒計劃的目標是設計和開發渦輪機的燃燒部分，利用目前最好的和先進的技術，以滿足先進的合成氣或氫燃料燃氣輪機的戰略系統級目標。重點是測量和評估氫氣燃燒的基本特性，并利用這些特性來設計和開發低氮氧化物的燃燒系統。目前正在評估幾種燃燒技術，包括軸向燃料分級、擴散、預混的混合形式以及壓力增益燃燒。

材料：隔熱涂層——材料部門項目的目標是評估和開發隔熱涂層（TBC），以提供用于合成氣和氫燃料的先進燃氣輪機所需的性能和耐久性。重點是確定候選的TBC結構和材料成分，使其具有適當的熱、機械和化學特性，用于減少燃燒器過渡件、固定噴嘴和旋轉機翼的熱通量。正在開發先進的TBC和粘合涂層架構，以提高IGCC燃氣輪機在惡劣環境中的耐久性和熱性能。

當燃氣輪機在高溫下運行時，它們使用的燃料更少，運行效率更高，并使碳捕獲技術更有效地減少溫室氣體排放。問題是，當渦輪暴露在超過1,200°C的溫度下時，保護渦輪不受高溫影響的熱障涂層會退化和失效，而這是更有效的運行和溫室氣體捕獲所需要的。

如果在整個燃氣輪機行業采用，這項技術可以大大提高渦輪的效率，并減少總體燃料消耗。它還可能使下一代高溫、高效系統的技術得到發展，從而為發電廠更有效的碳捕獲奠定基礎——并有助于推動清潔能源經濟的發展。