說(shuō)起燃?xì)廨啓C(jī)，其實(shí)大家并不陌生，其與飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的淵源一言難盡。除了專門用于發(fā)電用的Frame級(jí)別的燃?xì)廨啓C(jī)以外(如GE的Frame 7系列)，幾乎所有的燃?xì)廨啓C(jī)都是從飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展演化而來(lái)的，所以也統(tǒng)稱為Aero-derivative gas turbine。燃?xì)廨啓C(jī)的原理和飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎一模一樣，最主要的區(qū)別在于飛機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)注重的是推重比，而燃?xì)廨啓C(jī)更注重的是熱耗率。

在我國(guó)這個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，絕大部分的電能來(lái)自于燃煤的蒸汽輪機(jī)。蒸汽輪機(jī)雖然動(dòng)力巨大，但是排放問(wèn)題和熱效率問(wèn)題一直無(wú)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(lái)源。然而，以天然氣為主要燃料的燃?xì)廨啓C(jī)在顆粒物排放方面就比蒸汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)本身也存在一定的局限性，如前期投入成本過(guò)大，NOx排放，以及動(dòng)力輸出不足等。

美國(guó)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(xiàng)既能提升燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力輸出又能大大減少NOx和CO排放的技術(shù)，一項(xiàng)是Cheng Cycle，也就是程式汽電共生循環(huán)，另一項(xiàng)是Cheng Low NOx System(CLN)。這兩項(xiàng)技術(shù)都獲得了美國(guó)國(guó)家專利，并廣泛應(yīng)用于世界各地安裝的燃?xì)廨啓C(jī)上，如意大利，法國(guó)，美國(guó)，以色列，日本等。到目前為止，共有超過(guò)300臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)改裝成了Cheng Cycle或者CLN。

世界上第一臺(tái)Cheng Cycle燃?xì)廨啓C(jī)，位于美國(guó)加州San Jose State University

位于美國(guó)夏威夷Kauai島的Kapaia發(fā)電站也使用了Cheng Cycle

下面，擼主來(lái)帶大家了解一下這兩項(xiàng)技術(shù)的具體細(xì)節(jié)。

1，Cheng Cycle

首先，我們來(lái)說(shuō)Cheng Cycle。眾所周知，燃?xì)廨啓C(jī)排放的尾氣溫度極高，但是卻無(wú)法再推動(dòng)更多一級(jí)的渦輪來(lái)產(chǎn)生額外動(dòng)力，在普通的燃?xì)廨啓C(jī)中，這部分的熱量被白白地浪費(fèi)，造成燃?xì)廨啓C(jī)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(dá)到一定溫度的時(shí)候，再重新注入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中。

Cheng Cycle示意圖

首先，燃?xì)廨啓C(jī)的總功率與流體總質(zhì)量和渦前溫度成正比。也就是說(shuō)在渦前溫度保持不變的情況下，增加燃?xì)廨啓C(jī)中的流體總質(zhì)量會(huì)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(dòng)機(jī)的總功率。

那就會(huì)有人問(wèn)，燃燒的時(shí)候注入水蒸汽豈不是會(huì)影響火焰燃燒么?這句話既錯(cuò)又不錯(cuò)。先來(lái)說(shuō)沒錯(cuò)的地方，如果水蒸汽注入過(guò)多或者水蒸汽的溫度不夠的話，的確會(huì)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力不夠，在起飛階段將水注入燃燒室可以瞬時(shí)增加推力。然而這樣的做法會(huì)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(lái)說(shuō)說(shuō)錯(cuò)誤的地方。由于水蒸汽在整個(gè)燃燒過(guò)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(huì)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(lái)自于燃燒的熱量，從而降低火焰溫度，大大提高了燃?xì)廨啓C(jī)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(huì)大幅度降低。氮氧化合物的產(chǎn)生很大程度上是來(lái)自于空氣中的氮?dú)庠诟邷丨h(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?xì)廨啓C(jī)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(shuō)是一舉三得。

Cheng Cycle中的水蒸汽注入設(shè)備

對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)了解的朋友會(huì)說(shuō)，Combine Cycle的功率豈不是更大么?沒錯(cuò)，Combine Cycle是將燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)一個(gè)蒸汽輪機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)總功率的提升。但是Combine Cycle并沒有解決減少排放的問(wèn)題，而且前期的投入成本巨大。Cheng Cycle更夠在低成本簡(jiǎn)單改造現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上提升50%-90%的功率，這點(diǎn)是任何技術(shù)都無(wú)法比擬的。

Combine Cycle和Cheng Cycle的區(qū)別

另外，大部分的燃?xì)廨啓C(jī)很難維持在低功率狀態(tài)下工作，因?yàn)檫@樣對(duì)部件損傷較大，同時(shí)熱效率極低。而Cheng Cycle可以通過(guò)調(diào)控水蒸汽的注入來(lái)調(diào)控功率大小，使得燃?xì)廨啓C(jī)能夠在客戶想要的任何功率下工作。同時(shí)，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(lái)一一列舉：

提高的燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率

對(duì)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)可做簡(jiǎn)單改裝，費(fèi)用不高

啟動(dòng)時(shí)間短

后期操作維護(hù)成本小

下面我們就來(lái)看看一組數(shù)據(jù)，更能夠直觀地了解Cheng Cycle帶來(lái)的好處。

各個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)安裝Cheng Cycle后所帶來(lái)的提升

從上圖我們很容易看出，Cheng Cycle不僅提升了燃?xì)廨啓C(jī)的功率還提高了熱效率。就拿著名的LM2500PH來(lái)說(shuō)(這款發(fā)動(dòng)機(jī)同樣安裝在了美國(guó)宙斯盾驅(qū)逐艦和我國(guó)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(rèn)，Cheng Cycle在節(jié)能減排、提高效率和功率方面的確是一項(xiàng)突破性的技術(shù)。

2，Cheng Low NOx System(CLN)

氮氧化合物NOx對(duì)環(huán)境的危害極大，它能夠破壞大氣中臭氧層，同時(shí)在陽(yáng)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(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p傷，長(zhǎng)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(guó)際上對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的氮氧化合物排放規(guī)定越來(lái)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(jì)越來(lái)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(jì)的基礎(chǔ)上，將燃?xì)廨啓C(jī)高溫尾氣所生產(chǎn)的水蒸汽與燃料進(jìn)行一定比例的混合，并通過(guò)技術(shù)使混合物達(dá)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(lái)沒有達(dá)到過(guò)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(xiàng)技術(shù)不僅和Cheng Cycle一樣能夠提升燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)達(dá)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(guó)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(duì)于NOx的排放控制更是變本加厲甚至達(dá)到了毫無(wú)情面的地步。但是就在2015年，美國(guó)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(duì)CLN最高度的肯定，也是對(duì)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?xì)廨啓C(jī)使用客戶已經(jīng)紛紛表示對(duì)該技術(shù)有極大的興趣，希望能夠?qū)LN運(yùn)用到自己的燃?xì)廨啓C(jī)上。比利時(shí)、墨西哥、以色列等國(guó)已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的論證階段了。