說起燃氣輪機，其實大家并不陌生，其與飛機渦輪發(fā)動機的淵源一言難盡。除了專門用于發(fā)電用的Frame級別的燃氣輪機以外(如GE的Frame 7系列)，幾乎所有的燃氣輪機都是從飛機渦輪發(fā)動機發(fā)展演化而來的，所以也統(tǒng)稱為Aero-derivative gas turbine。燃氣輪機的原理和飛機渦輪發(fā)動機幾乎一模一樣，最主要的區(qū)別在于飛機用發(fā)動機注重的是推重比，而燃氣輪機更注重的是熱耗率。
在我國這個產(chǎn)煤大國，絕大部分的電能來自于燃煤的蒸汽輪機。蒸汽輪機雖然動力巨大，但是排放問題和熱效率問題一直無法得到很好的解決。由于煤炭本身的燃燒性質(zhì)，其產(chǎn)生的NOx和SOx以及顆粒物是環(huán)境污染的主要來源。然而，以天然氣為主要燃料的燃氣輪機在顆粒物排放方面就比蒸汽輪機要好很多，只要燃燒充分，天然氣幾乎不產(chǎn)生顆粒物排放。但是，燃氣輪機本身也存在一定的局限性，如前期投入成本過大，NOx排放，以及動力輸出不足等。
美國的程大酉教授基于自己多年在NASA的研究成果發(fā)明了兩項既能提升燃氣輪機動力輸出又能大大減少NOx和CO排放的技術(shù)，一項是Cheng Cycle，也就是程式汽電共生循環(huán)，另一項是Cheng Low NOx System(CLN)。這兩項技術(shù)都獲得了美國國家專利，并廣泛應(yīng)用于世界各地安裝的燃氣輪機上，如意大利，法國，美國，以色列，日本等。到目前為止，共有超過300臺燃氣輪機改裝成了Cheng Cycle或者CLN。
世界上第一臺Cheng Cycle燃氣輪機，位于美國加州San Jose State University：
位于美國夏威夷Kauai島的Kapaia發(fā)電站也使用了Cheng Cycle：
下面，擼主來帶大家了解一下這兩項技術(shù)的具體細節(jié)。
1，Cheng Cycle
首先，我們來說Cheng Cycle。眾所周知，燃氣輪機排放的尾氣溫度極高，但是卻無法再推動更多一級的渦輪來產(chǎn)生額外動力，在普通的燃氣輪機中，這部分的熱量被白白地浪費，造成燃氣輪機總體熱效率不高。而Cheng Cycle是利用這部分高溫尾氣注入熱交換裝置，用于加熱水蒸汽，當(dāng)水蒸汽達到一定溫度的時候，再重新注入燃氣輪機的燃燒室中。
Cheng Cycle示意圖：
首先，燃氣輪機的總功率與流體總質(zhì)量和渦前溫度成正比。也就是說在渦前溫度保持不變的情況下，增加燃氣輪機中的流體總質(zhì)量會增加總功率。Cheng Cycle中將高溫蒸汽注入燃燒室的方法就是增加了流體總質(zhì)量，從而大大地提高了發(fā)動機的總功率。
那就會有人問，燃燒的時候注入水蒸汽豈不是會影響火焰燃燒么?這句話既錯又不錯。先來說沒錯的地方，如果水蒸汽注入過多或者水蒸汽的溫度不夠的話，的確會將火焰吹滅或者造成不完全燃燒。上世紀(jì)六七十年代，由于飛機發(fā)動機推力不夠，在起飛階段將水注入燃燒室可以瞬時增加推力。然而這樣的做法會使燃燒室中的火焰不完全燃燒，從而產(chǎn)生大量的黑煙。
起飛階段將水注入燃燒室而產(chǎn)生的大量黑煙：
再來說說錯誤的地方。由于水蒸汽在整個燃燒過程中扮演了類似惰性氣體的角色，它并不參與化學(xué)反應(yīng)，所以只要控制好水蒸汽的注入量和溫度，那就不會影響火焰的燃燒。另一方面，由于水的比熱容大，注入的水蒸汽還能夠吸收大量來自于燃燒的熱量，從而降低火焰溫度，大大提高了燃氣輪機中各部件的壽命。
另一方面，由于水蒸汽注入導(dǎo)致了火焰溫度降低，燃燒所產(chǎn)生的NOx(氮氧化合物)含量也會大幅度降低。氮氧化合物的產(chǎn)生很大程度上是來自于空氣中的氮氣在高溫環(huán)境下與氧氣結(jié)合造成的，降低溫度能夠降低NOx的產(chǎn)生。所以Cheng Cycle中注入的水蒸汽不僅提高了燃氣輪機的功率、提高了熱部件的使用壽命，還能夠降低氮氧化合物的產(chǎn)生，可以說是一舉三得。
Cheng Cycle中的水蒸汽注入設(shè)備：
對燃氣輪機了解的朋友會說，Combine Cycle的功率豈不是更大么?沒錯，Combine Cycle是將燃氣輪機產(chǎn)生的高溫尾氣加熱水蒸汽，然后利用這部分水蒸汽再去推動一個蒸汽輪機，從而實現(xiàn)總功率的提升。但是Combine Cycle并沒有解決減少排放的問題，而且前期的投入成本巨大。Cheng Cycle更夠在低成本簡單改造現(xiàn)有燃氣輪機的基礎(chǔ)上提升50%-90%的功率，這點是任何技術(shù)都無法比擬的。
Combine Cycle和Cheng Cycle的區(qū)別：
另外，大部分的燃氣輪機很難維持在低功率狀態(tài)下工作，因為這樣對部件損傷較大，同時熱效率極低。而Cheng Cycle可以通過調(diào)控水蒸汽的注入來調(diào)控功率大小，使得燃氣輪機能夠在客戶想要的任何功率下工作。同時，剩余的水蒸汽能夠用作其他用途，如暖氣供應(yīng)，工業(yè)加工等。
Cheng Cycle還有許多的好處，擼主來一一列舉：
提高的燃氣輪機的熱效率
對現(xiàn)有燃氣輪機可做簡單改裝，費用不高
啟動時間短
后期操作維護成本小
下面我們就來看看一組數(shù)據(jù)，更能夠直觀地了解Cheng Cycle帶來的好處。
各個燃氣輪機安裝Cheng Cycle后所帶來的提升：
從上圖我們很容易看出，Cheng Cycle不僅提升了燃氣輪機的功率還提高了熱效率。就拿著名的LM2500PH來說(這款發(fā)動機同樣安裝在了美國宙斯盾驅(qū)逐艦和我國052型驅(qū)逐艦上)，改裝成了Cheng Cycle后，總功率從19.1MW提升到了27.5MW，熱效率從35.3%提升到了44.8%。
不得不承認，Cheng Cycle在節(jié)能減排、提高效率和功率方面的確是一項突破性的技術(shù)。
2，Cheng Low NOx System(CLN)
氮氧化合物NOx對環(huán)境的危害極大，它能夠破壞大氣中臭氧層，同時在陽光照射下與氧氣發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生刺激性的煙霧，對人體造成嚴(yán)重損傷，長期暴露其中甚至?xí)氯怂劳?。氮氧化合物污染也是北京霧霾的主要成因之一。
現(xiàn)在國際上對于燃氣輪機的氮氧化合物排放規(guī)定越來越嚴(yán)格，GE和西門子也在不斷開發(fā)降低NOx排放的技術(shù)，如GE開發(fā)的DLN(Dry Low NOx)燃燒室最多能夠?qū)Ox的排放控制在5ppm。但是這兩大公司都將目光鎖定在了燃燒室的改造之上，導(dǎo)致燃燒室的設(shè)計越來越復(fù)雜，成本大幅度提升。程大酉教授發(fā)明的Cheng Low NOx System(CLN)卻另辟蹊徑，在不改變現(xiàn)有燃燒室設(shè)計的基礎(chǔ)上，將燃氣輪機高溫尾氣所生產(chǎn)的水蒸汽與燃料進行一定比例的混合，并通過技術(shù)使混合物達到高度homogeneity(均勻性)，然后再注入燃燒室燃燒。結(jié)果證明，CLN技術(shù)能夠有效地將NOx排放控制在2ppm以下，這是目前世界上從來沒有達到過的成果。
和Cheng Cycle中水蒸汽注入燃燒室不同，CLN是將水蒸汽與燃料預(yù)先混合，然后再注入燃燒室。這項技術(shù)不僅和Cheng Cycle一樣能夠提升燃氣輪機的功率和熱效率，更能夠大幅度減少NOx的產(chǎn)生。
如果將Cheng Cycle與CLN一同使用，那就能同時達到節(jié)能減排和提高功率的雙重目的。
Cheng Cycle和CLN結(jié)合使用后的燃燒室示意圖：
眾所周知，美國加州的排放標(biāo)準(zhǔn)是全世界最為嚴(yán)苛的，特別是“洛杉磯煙霧事件”后(主要就是NOx造成的)，加州對于NOx的排放控制更是變本加厲甚至達到了毫無情面的地步。但是就在2015年，美國加州環(huán)保部門(EPA)將CLN提名為目前全州最好的減排技術(shù)(BACT)。這是對CLN最高度的肯定，也是對程大酉教授多年科研成果的一種肯定。
目前，全世界各地的發(fā)電廠或者燃氣輪機使用客戶已經(jīng)紛紛表示對該技術(shù)有極大的興趣，希望能夠?qū)LN運用到自己的燃氣輪機上。比利時、墨西哥、以色列等國已經(jīng)開始進入實質(zhì)性的論證階段了。
擼主最近有幸能與程教授暢談了一下午。作為一位中國人(解放后移民臺灣后赴美學(xué)習(xí)并定居)，程教授對于中國的感情可謂真摯，他對于中國的發(fā)展非常關(guān)心，也希望能將自己的技術(shù)帶去中國，提高我國的燃氣輪機技術(shù)。擼主從他身上看到了一個真正的科學(xué)家的情懷和品格，不禁肅然起敬。
同時，程大酉教授也非常關(guān)心中國航空工業(yè)的發(fā)展，也為之前幾十年中國在航空方面的發(fā)展停滯表示惋惜和悲痛。為何程教授會對中國航空工業(yè)如此的在乎呢?因為他的導(dǎo)師叫王助!
寫到這里，希望大家還沒有感到無聊。擼主是真的被程大酉教授的這兩項技術(shù)所打動，分享給大家，同時也希望我國能夠盡早引進，幫助解決日益嚴(yán)重的霧霾問題。由于篇幅問題以及不想引入太多的技術(shù)討論，擼主就先大概介紹了一下，如果有任何問題，歡迎大家留言，擼主會盡力解答，如果解答不了，擼主也會詢問程大酉教授，讓教授親自來回答你!
