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导语
简单循环燃气轮机的效率水平约在35%至40%之间。联合循环机组可将效率提升至60%及更高。但如今出现了另一种兼具简单循环和联合循环设计特点的选择。这种混合配置采用单个动力涡轮，并将排气余热回收至燃烧室，从而集二者之长。它被称作VAST（增值蒸汽技术）动力循环，有望实现50%以上的效率水平。它有潜力成为以可再生能源为主的电网中最具成本效益的备用选项。而且，在不使用催化剂的情况下，其排放水平还很低。
传统循环
尽管不常使用，但简单循环（布雷顿）调峰机组处于备用状态运行，为保障电网可靠性提供关键的备用电力。它们具备快速爬坡能力，运行灵活性佳。美国能源信息署（EIA）报告称，2017年至2023年期间，简单循环电厂的容量系数平均在9.6%至14.1%之间。然而，夏季峰值已大幅攀升至12%以上，有时甚至高达23%（见图1）。夏季利用率峰值一直在快速上升，而冬季利用率仅略有上升。这使得2017年冬季到夏季的容量系数波动从4%增加到了2023年的14%。
图1 美国每月简单循环天然气涡轮机容量系数及装机容量（2017年1月 - 2024年5月）
来源：美国能源信息署
另一种传统的发电厂设计是联合循环。此类电厂将燃气轮机排出的余热通过余热回收蒸汽发生器（HRSG）输送，该发生器利用朗肯循环产生蒸汽，再将蒸汽输送至蒸汽轮机。这相较于简单循环电厂大幅提高了效率，在理想条件下，其效率可接近65%。据美国能源信息署称，2022年美国联合循环机组的平均容量系数上升至57%。在2022年和2203年期间，共有13座新的联合循环电厂投入使用，总装机容量为12.4吉瓦。2024年和2025年还将有约5吉瓦的机组上线。
由于涉及更多的系统和部件，联合循环电厂比简单循环设施更为复杂。有时还会包含变速箱和离合器。因此，其成本更高，维护问题也更多。此外，电网中更多可再生能源的存在迫使许多联合循环电厂频繁启停。这导致了严重的维护和性能下降问题。在某些情况下，由于蒸汽轮机对快速启停响应缓慢，应对频繁的太阳能和风能波动会使联合循环效率降至50%以下。
一种新的混合循环
一种折中的方案正在兴起，它是简单循环和联合循环的混合体。VAST动力循环利用燃气轮机膨胀机将布雷顿循环与朗肯循环融合，省去了联合循环中的蒸汽轮机（见图2）。单个燃气轮机膨胀机以约46%的蒸汽以及约54%的氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、氧气（O2）作为产生系统动力的热工质运行。
图2 VAST循环。（Exp =膨胀机；P = 泵；HPC = 高压压气机；OTSG = 直流蒸汽发生器；ECONOMIZER=余热回收器；CONDENSER=冷凝器
燃气轮机转变为燃气/蒸汽混合燃气轮机，根据压力不同，膨胀机功率可提高60%至80%。排气余热被回收并与蒸汽和热水一起循环回燃烧室。这取代了多余的压缩冷却空气及其损耗。该系统在提供低成本电力的同时，实现了超过50%的效率。消除多余的冷却空气还可使压缩机流量和尺寸减少50%或更多。原本用于压缩冷却空气的能量现在可用于发电。
这显著提高了系统效率，同时使每千瓦的成本支出低于简单循环和联合循环机组。该系统的年容量系数可从简单循环的不足10%转变为10%至60%，以作为不可调度的太阳能和风能的备用。
克服湿空气燃烧障碍
湿空气燃烧在历史上一直受到火焰熄灭、水净化成本以及效率低下的限制。此前，为补充排气中损失的水而使用锅炉品质的水，使得通过喷水来持续控制氮氧化物（NOx）的成本过高。从历史上看，喷水虽能提高功率但会降低效率。这种混合循环已经克服了这个问题。
这种新的混合循环可回收净水量，无需进行持续的锅炉品质水处理。通过回收冷却水和蒸汽，它可取代通常用于冷却燃气轮机所需的超过75%的压缩空气。所有注入的冷却水都能被回收，同时还能从燃烧中回收净水量。
VAST联合创始人兼首席科学家大卫·哈根博士说：“回收和循环利用超纯水克服了使用湿循环燃气轮机的最大障碍。这种新的动力循环可回收注入的蒸汽和热水，以及一部分燃烧形成的水。”
排放控制
2023年，萨金特&伦迪公司（Sargent & Lundy）对用于燃气轮机氮氧化物排放控制的常规喷水技术进行了评估。该公司发现：“喷水是一项成熟的技术，并且……能提供低于42 ppm（0.05磅/百万英热单位）的氮氧化物排放，实际最低排放可达25 ppm（0.03磅/百万英热单位）。”如此高的排放水平超过了美国环境保护署（EPA）对发电的要求。传统燃烧系统中空气、燃料和水的混合不佳导致了热点和氮氧化物的产生。
该系统通过美国能源部（DOE）的两项反应性计算流体动力学（CFD）资助项目进行了建模，建模结果显示，其氮氧化物和一氧化碳排放量比传统燃气轮机低两个数量级以上。
哈根说：“燃气轮机燃烧室一直是最难规模化的部件。我们设计了一种可规模化的燃烧室，克服了这一挑战。它可实现更均匀的流体混合和10倍更好的温度控制，同时提高了耐用性。”
阿贡实验室的CFD建模和劳伦斯利弗莫尔的数据处理预测，在燃气轮机广泛的运行参数范围内，氮氧化物和一氧化碳排放量将低于2 ppmvd。这些排放预测针对10兆瓦至500兆瓦的功率范围以及1100℃至1500℃的燃气轮机进口温度范围。
根据阿贡国家实验室关于新燃烧室的报告：“利用水和蒸汽的湿燃烧是一项有前途的技术，可大幅降低有害排放，同时将布雷顿循环效率提高约24%。
初步的成本节约预测表明，这种方法可使效率比简单循环机组高24%。美国能源信息署估计，一台简单循环电厂的成本约为389美元/千瓦。预计在70兆瓦容量时，其成本约为295美元/千瓦，比简单循环调峰机组成本低37%。
下一步
美国国家航空航天局（NASA）的技术成熟度水平（TRL）系统规划了新技术的商业化进展。VAST已达到TRL 4，正在寻找合作伙伴以使其通过试点阶段并实现商业化。
