一种新型的氨-氢气体轮机联合循环系统，该系统结合了喷射器-压缩机技术，采用增强型分流自冷凝超临界二氧化碳循环，并配备了富燃 Lean 燃烧室：对其热经济与环境性能进行了优化

《Energy》：A novel ammonia-hydrogen gas turbine combined cycle coupling ejector-compressor enhanced split-flow self-condensing transcritical CO 2 cycle with rich-quench-lean combustor: thermo-economic-environmental performance optimization

　　•创新的NH3/H2联合循环系统，结合了喷射器增强型SSTCPC和RQL燃烧室。•基于实际特性的1D CO2喷射器模型被开发并通过实验验证。•揭示了RQL燃烧室中存在一个关键的富燃空气比例，该比例会导致NOx排放急剧增加。•提高NH3比例可使热效率提高3.4%，并将平准化发电成本（LCOE）降低18.2%。•实现了4.13%的效率提升，成本降低3.73%，以及4.32 ppmv的超低NOx排放。

引言
国际航运占全球贸易量的大约80%，其温室气体排放量约占全球每年CO2总排放量的3%[1]。国际海事组织（IMO）要求到2030年，国际航运的碳强度相比2008年的水平至少减少40%，并计划在2050年前实现净零排放[2]。氨和氢已成为中长距离船舶深度脱碳的关键燃料选择[3]。由于气体涡轮机具有高功率密度和快速的负荷响应能力，因此成为理想的船舶动力装置，能够灵活兼容零碳燃料。然而，纯氨的燃烧存在诸如层流火焰速度低的问题，导致燃烧效率低和操作稳定性受限[4]。虽然氢气的混合可以提高反应性并扩大可燃范围，但会显著改变燃烧产物的温度和组成（例如，排气中的蒸汽含量增加和热容量的变化）。这对顶部和底部废热回收循环之间的热匹配提出了严峻挑战。因此，开发一种高效且灵活的氨/氢气体涡轮机底部废热回收循环是推进船舶零碳推进技术的核心问题[5]。

现有的海洋气体-蒸汽联合循环主要利用蒸汽朗肯底部循环从气体涡轮机排气中回收废热。然而，蒸汽朗肯循环在快速负荷变化方面的能力有限[6]，其能量转换效率仍有提升空间[7]。根本原因在于水的等温蒸发与排气气体冷却的放热过程之间存在热匹配不良，再加上设备体积较大。此外，有机朗肯循环还存在与工作流体毒性和环境影响相关的问题[8]。CO2具有良好的热稳定性且环保。更重要的是，超临界CO2的热吸收特性可以实现与排气的更好温度匹配[9]，其高密度使得设备设计更加紧凑。因此，气体涡轮机-CO2联合循环有望成为一种高效且灵活的海洋推进解决方案。关于氨燃料，Kim等人[10]模拟了一个氨燃料驱动的海洋气体涡轮机-超临界CO2（sCO2）联合循环系统，达到了45.11%的总效率和68.58%的热回收率。Shen等人[11]、[12]利用液氨蒸发为CO2冷凝提供外部冷却，将纯氨气体涡轮机-超临界CO2（tCO2）联合循环的效率从53.44%提高到了62.42%。这种方法依赖于外部液氨低温冷却源。然而，之前的研究主要关注天然气燃料驱动的气体涡轮机。RQL燃烧室中富燃区空气比例对氨-氢GT NOx排放的影响尚未明确。更重要的是，关于氨-氢燃料GT与底部CO2动力循环耦合的系统报告仍然很少。

在基本的sCO2或tCO2动力循环中，涡轮机排气在膨胀后仍携带大量剩余热量。尽管内部热回收措施（如热回收[13]和再压缩[14]可以提高系统热效率，但它们会提高热源的出口温度并降低废热回收率。工作流分割设计可以有效解决这一权衡问题。Kim等人[15]发现分割流配置使效率提高了7.1%。Zeng等人[16]将其双分割流tCO2动力循环中的不可操作运行区域减少了50%。Shu的团队[17]、[18]在其分割流热回收tCO2动力循环配置中实现了29.3%的净输出功率提升和10%的废热利用率提升，具有显著的经济优势。Qi等人[19]对十二种tCO2和sCO2配置进行了全面比较，确认分割流tCO2动力循环因具有最高的热效率而最优。然而，上述研究主要使用甲烷燃料驱动的气体涡轮机废热或参数固定的热源。更关键的是，即使采用最优分割流配置，tCO2动力循环在夏季船舶遇到的高温环境下仍面临CO2冷凝失败的问题，这是由于CO2的临界温度较低。

为了解决CO2与高温冷却源之间的不兼容性问题，研究人员主要采用了两种方法：混合有机制冷剂和增加压缩机。首先，在CO2中混合有机制冷剂可以提高工作流体的临界温度。Siddiqui等人[20]证明，混合正戊烷可以提高效率并降低tCO2动力循环的运行压力。Yang等人[21]指出，CO2-R32混合物是高温环境下的优秀制冷剂，在35°C的环境温度和400°C的热源温度下可达到32.77%的效率。然而，有机制冷剂的长期运行容易发生热分解，产生不可凝气体，从而影响热传递并危及安全[22]。其次，引入额外的压缩机以在高环境温度下建立自冷凝tCO2动力循环。Pan等人和Haq等人[23]、[24]、[25]开发了一种包括压缩机、分离器和膨胀阀的自冷凝tCO2动力循环。然而，这些自冷凝方法主要依赖于压缩机的额外轴功率消耗，导致系统净功率输出显著下降。

喷射器结构简单，没有运动部件，不需要轴功率消耗，因此被广泛应用于制冷循环中。Bandarra[26]、Ju[27]和Richard等人[28]分别通过采用喷射器在CO2制冷循环中实现了40%、36%和22-25%的COP提升。此外，Khan等人[29]通过耦合喷射器制冷循环开发了一个sCO2-tCO2级联系统，实现了61.8%的热效率。然而，在其底部tCO2动力循环中，喷射器用于制冷而不是CO2工作流体的自冷凝。总之，目前仍缺乏关于在分割流tCO2动力循环架构内实现喷射器诱导自冷凝配置的机制和参数匹配规则的研究。

为了填补这一空白，本文提出了一种创新的氨-氢气体涡轮机联合循环，该循环结合了喷射器-压缩机增强型分割流自冷凝超临界CO2动力循环（SSTCPC）和富燃-贫燃（RQL）燃烧室，以提高热经济性能并减少NOx排放。建立了该新型系统的综合能量、?、经济和NOx排放模型。参数分析研究了关键参数（包括富燃空气比例、氨混合比例、喷射器进出口压力、CO2分割流比例和泵出口压力）对系统性能的影响。使用NSGA-II和熵权重方法进行了三目标优化，以平衡热效率、平准化发电成本（LCOE）和NOx排放。

本文的主要贡献和创新点包括：
(1) 提出了一种创新的喷射器-压缩机增强型分割流自冷凝超临界CO2动力循环配置，能够在高温环境下高效回收GT废热，并采用基于实际CO2热物理特性的1D喷射器模型，而不是像[30]中使用的传统经验公式。这使得纯CO2在高温环境下无需任何外部低温冷却源即可实现自冷凝，与之前的工作[23]、[24]、[25]相比显著降低了压缩能耗。
(2) 通过耦合RQL燃烧室化学反应网络模型，揭示了存在一个关键的富燃空气比例，超过该比例后GT的NOx排放会急剧增加，并阐明了氨-氢燃料中氨混合比例对NOx排放的非单调影响模式，为超低NOx排放设计提供了明确的界限。
(3) 通过三目标优化平衡了热力学、经济性和排放性能，所提出的系统在热效率、平准化发电成本和NOx排放方面均表现出色，相比再压缩超临界CO2布雷顿联合循环具有更高的效率和经济性。

系统描述
图1展示了所提出的创新氨-氢GT-SSTCPC系统的配置图，其中包括喷射器-压缩机增强型配置。气体涡轮机布雷顿顶部循环主要由压缩机、燃烧室、气体涡轮机和发电机组成。底部分割流自冷凝超临界CO2动力循环（SSTCPC）主要由热交换器（CO2加热器、回热器）、高温CO2涡轮机（HCT）、低温CO2涡轮机（LCT）、CO2增压泵等组成。

数学建模
使用MATLAB 2025b建立了氨-氢GT-SSTCPC系统的热力学模型。CO2工作流体和烟道气体的热物理特性来自NIST REFPROP 10.0。为简化模拟，采用了以下合理的假设：
(1) 系统在稳态条件下运行；
(2) 采用实际气体特性，并忽略了喷射器进出口速度[31]；
(3) 热交换器的冷热侧压降设置为0.1。

基线条件下的系统热力学、经济性和环境性能
图4显示了设计条件下氨-氢GT-SSTCPC的综合性能仿真流程图。在迭代计算中，假设参数包括余 air系数、CO2泵质量流量m6、LCT入口温度T8’’和喷射器入口质量流量m12。当这些参数的最大相对误差≤0.01%时，认为迭代收敛，如图4所示。系统性能基于恒定参数获得。

结论
本研究提出了一种创新的氨-氢气体涡轮机联合循环，该循环结合了喷射器-压缩机增强型分割流自冷凝超临界CO2动力循环（SSTCPC）和富燃-贫燃（RQL）燃烧室，并进行了系统的研究。建立了综合能量、?、经济和NOx排放模型，并进行了多目标优化。主要发现如下：
(1) 开发并验证了一种基于喷射器的CO2自冷凝机制。通过CRediT作者贡献声明
刘成城：撰写——原始草案、可视化、方法论、形式分析。
陈硕：撰写——原始草案、可视化、项目管理、方法论、调查、概念化。
娄俊伟：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、数据管理。
傅宇：撰写——审阅与编辑、验证、软件、方法论。
赵攀：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、项目管理、数据管理。
王江峰：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文中的工作。

致谢
感谢国家自然科学基金（编号52306023）和中国博士后科学基金（编号2023M732761）的支持。