2月5日，美国国家科学院发布了受美国能源部（DOE）委托完成的《先进燃气轮机技术》报告^[1]。报告指出，未来数十年全球燃气轮机市场将保持强劲增长态势，预计到2032年其市场规模有望达到1100亿美元（当前市场规模为900亿美元），主要的增长驱动力来自发电、油气和航空三大应用领域。为了保持和强化美国燃气轮机在全球市场的领先地位，该报告确定了面向2030年燃气轮机技术在上述三大应用领域的研究目标，以及实现目标需要优先开展的十大研发领域，关键要点如下：

　　一、燃料轮机在三大应用领域的研究目标

　　1、发电领域

　　（1）提升燃气轮机效率：将燃气轮机联合循环的发电效率提高到70%，单循环效率提高到50%以上。

　　（2）提升燃气轮机与可再生能源发电集成的兼容性：减少燃气轮机的启动时间，提高燃气轮机以简单和组合循环运行的能力，使其能够适应灵活的电力需求，满足与可再生能源和储能系统集成在一起的运行要求。

　　（3）减少二氧化碳排放量：在保持性能前提下，将碳排放量减少到“尽可能接近零”，同时仍满足氮氧化物（NOx）排放标准。

　　（4）提高燃料灵活性：能够使用高比例（甚至100%）的氢气和含各种成分的其他可再生气体混合燃料。

　　（5）降低电力成本：降低长周期平均发电成本，以确保在长期内可以拥有与太阳能和风力发电系统相当的成本竞争力。

　　2、航空领域

　　提升燃烧效率：开发先进技术，提高燃烧效率，使窄体和宽体飞机的燃油消耗量比目前同类最佳的涡轮风扇发动机减少25%，同时减少军用飞机的燃油消耗。

　　3、油气领域

　　（1）提升燃料灵活性：能够使用高比例（甚至100%）的氢气和含各种成分的其他可再生气体混合燃料。

　　（2）基于状态的运维：利用数字化技术提高设备实时运行故障预测和维护能力，在不降低可用性或可靠性的情况下，将天然气管道压缩站的不间断运行时间延长至3年或更长。

　　（3）灵活的电力需求和效率：为管道压缩机站以及其他石油和天然气应用设计一种燃气轮机，能够处理大载荷波动，并在部分载荷下运行，其效率超过使用电动压缩机站的效率。

　　二、燃料轮机十大优先研究领域

　　为了确保能够实现上述发展目标，报告提出了未来10年燃气轮机十大优先研究领域，每个领域包含1～3个研究主题。前5个研究领域集中在基础科学知识和技术研究，其他5个主要关注系统层面开发。

　　1、燃烧。进一步完善低排放燃烧系统所需的基础理论知识，包括：可满足更高联合循环效率所需的更高温和高压环境，包括恒压和增压燃烧系统；具有不限制燃气轮机的瞬态响应或调节能力的运行特性，以及多燃料运行特性。3个优先研究主题为：

　　（1）基础燃烧性能。针对恒压和增压燃烧室，研究基本燃烧特性，实现对宏观系统排放和运行性能的有效控制。

　　（2）在高温高压下减少有害排放的燃烧概念。明确在高效循环中可接受的有害排放水平的燃烧概念。

　　（3）燃烧室的运行和性能限制。发展更好地理解和预测燃烧运行极限的能力，这些性能极限限制了燃气轮机的整体瞬态响应（例如快速改变负荷以支持间歇性可再生能源并网）、降低转速以及适应可变燃料成分的能力。

　　2、结构材料和涂层。包括：开发生产陶瓷基复合材料所需的技术；先进的计算模型；先进的金属材料和部件制造技术，以提高燃气轮机的效率，减少其开发时间和生命周期成本。3个优先研究主题为：

　　（1）陶瓷基复合材料的性能和应用性。开发一种新的加工方法，能以比目前更低的成本制造更高质量的碳化硅纤维，从而支持陶瓷基复合材料（CMCs）在燃气轮机热气路径中的广泛应用。

　　（2）基于物理的寿命模型。建立基于物理的寿命计算模型，解决热段涡轮材料的环境老化问题。

　　（3）先进的合金技术。开发先进的高温合金和这些合金的部件设计概念。

　　3、燃气轮机增材制造工艺。将基于模型的燃气轮机材料（已经使用的以及正在开发的先进材料）、材料工艺、制造机器、设计工具和车间设备集成在一起，以加快设计进程并提高部件良品率。3个优先研究主题为：

　　（1）将设计流程和增材制造工程集成耦合。开发一种先进的方法，将材料、工艺、机械和成本模型与计算机辅助设计软件相结合，创建一个完整的数字工程框架，以满足燃气轮机设计人员在增材制造方面的特殊需求。

　　（2）高温结构材料增材制造。开发新型高温结构材料，以及先进的增材制造设备及工艺，提高增材制造的燃气轮机部件的热效率和工作温度极限，提高部件的耐久性。

　　（3）传感器、机器学习和过程分析的集成。将基于物理的成分、加工、微观结构和机械行为的模型与人工智能分析和基于信号决策过程整合到制造基础设施中，以增强燃气轮机部件工艺控制和首次良品率。

　　4、热管理技术。制定先进的冷却策略，可以快速、经济地将其整合到燃气轮机中，并实现更高的透平进口温度，更高的增压比以及更少的燃烧室和透平冷却空气流量，从而在满足燃气轮机寿命要求的同时提高热力循环效率。3个优先研究主题为：

　　（1）创新冷却技术。通过创新的冷却技术和策略来提高涡轮部件的效率。

　　（2）全耦合传热模型。开发先进的全耦合传热模型，指导燃烧室和涡轮冷却配置的优化设计，实现部件冷却气流最小化，提高涡轮透平进口温度，获得更高的循环压缩比。

　　（3）粒子流的基本物理与建模。理解燃气轮机中粒子流的物理行为并开发相关模型。

　　5、高保真集成模拟和验证实验。开发和验证基于物理的高保真计算预测模型，以便在设计早期进行详细的工程分析，包括对燃气轮机模块相互作用和非设计运行条件的虚拟模拟。3个优先研究主题为：

　　（1）子系统和系统集成的数值模拟。开发先进的、高保真度、可预测的数值模拟系统，进而扩展设计空间，并增强系统级优化，以支持开发效率更高、可靠性更强、耐久性更好、成本更低的燃气轮机。

　　（2）协同实验研究。进行实验研究，验证单个和集成燃气轮机模块的数值模拟系统效果。

　　（3）计算机科学与仿真数据的应用。开发高保真数值工具映射的先进方法，包括预处理和后处理算法、新兴的计算机架构，以方便没有计算机科学专业知识背景的燃气轮机设计人员快速便捷地使用高保真仿真工具。

　　6、非常规热力学循环。针对单循环和联合循环燃气轮机开发非常规热力循环，以提高热效率，同时确保其与燃气轮机性能的其他要素（如生命周期成本）之间的取舍在可接受范围内。3个优先研究主题为：

　　（1）压力增益燃烧。发展一种能结合非常规热力循环的燃气轮机技术，实现压力增益燃烧，以最大限度地提高热效率。

　　（2）使用无碳燃料的燃气轮机循环。开发一种能结合非常规布雷顿循环的燃气轮机技术，从而能实现从燃烧无碳燃料（如氢）中获得高热效率。

　　（3）具有碳捕集能力的燃气轮机循环。发展一种燃气轮机技术，能结合非常规循环或对具有碳捕集能力的现有循环进行改进，不需要昂贵而复杂的附加装置从废气中捕集二氧化碳。

　　7、系统集成。改进、修改和/或扩展传统燃气轮机的结构（如压气机、燃烧室、透平），从而能够开发具有更高性能和/或更大应用范围的燃气轮机。3个优先研究主题为：

　　（1）带增压燃烧的燃气轮机系统布局。发展带增压燃烧的燃气轮机优化布局，进一步提升燃烧效率。

　　（2）闭式循环燃气轮机。开发闭式循环燃气轮机系统，最大限度地提高可靠性、可用性、可维护性和使用外部热源（如太阳能和模块化核电站）时的热效率，以消除碳排放。

　　（3）混合燃气轮机系统。开发一种架构能够将布雷顿循环燃气轮机与燃料电池等其他技术经济有效地集成耦合，以获得高热效率。

　　8、基于状态的运维技术。开发一种通过减少计划内和计划外维护量来改善燃气轮机运行的技术，减少计划外停机。3个优先研究主题为：

　　（1）传感器。开发高可靠、高性能、低成本的传感器，能提高燃气轮机运行过程中获得信息的准确性，确保其处于安全运行状态。

　　（2）检查和维修技术。开发现场检查和维修技术，以评估燃气轮机的老化状态，最大限度地延长运行时间，降低长期维护成本。

　　（3）先进控制元件。开发先进的控制元件，以满足与现有电网和可再生能源与储能系统日益增强的集成耦合运营的要求。

　　9、数字孪生及其支撑基础设施。开发生成增强型数字孪生的能力，以及支持其应用的数字线程基础设施。1个优先研究主题为：开发数字孪生和支撑数字线程基础设施，满足燃气轮机设计开发需求。

　　10、燃气轮机在天然气管道中的应用。探索长时间在部分载荷下运行的燃气轮机效率提升机遇，以及燃料中含大量氢气的燃气轮机安全隐患。2个优先研究主题为：

　　（1）部分载荷下天然气管道中燃气轮机的效率。提高天然气管道压缩站燃气轮机在部分载荷下运行的效率，以及在峰值载荷下保持高效率。

　　（2）氢燃料管道中燃气轮机的安全运行。发展氢燃气轮机安全运行技术，使其能够在不同的氢气含量水平下安全运行（最高可达100%）。

　　（郭楷模）