一种基于氢涡轮的新式燃气轮机循环，该循环提高了氢能的利用率：热力学、经济性和环境影响评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：A novel hydrogen turbine-based gas turbine cycle with enhanced hydrogen energy utilization: Thermodynamic, economic and environmental assessment

　　尊敬的编辑和审稿人：

本文的创新之处可以总结如下：
- 氢能的应用扩展到了废热回收和膨胀发电领域。
- 修订了高压低温氢储存的能量账户计算方法，考虑了物理能量因素。
- 通过4E（能量、熵、经济性和环境性）分析和平衡分析，揭示了新型氢气轮机的NOx排放特性。

此致
敬礼！

赵本

华北电力大学
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## 引言

全球能源行业正在经历一场深刻的结构转型，这一转型是由减缓气候变化和减少对化石燃料依赖的迫切需求所驱动的。在过去十年中，可再生能源，尤其是风能和太阳能光伏发电，迅速发展，并且在未来的低碳能源系统中预计将占据主导地位[1] [2]。然而，这些资源具有不稳定性和不可调度性，对电网稳定性和供需平衡带来了重大挑战。因此，高比例依赖可再生能源的电力系统需要具有灵活性和可调度的产能，以便能够快速响应发电和负荷的变化。燃气轮机因其快速启动、宽广的工作范围以及相对较低的资本成本[3] [4]，长期以来一直提供了这种灵活性。然而，传统燃气轮机中天然气燃烧会产生大量的二氧化碳排放，这与严格的脱碳目标越来越不兼容。因此在能源转型中，如何实现运行灵活性与碳中和之间的平衡是一个核心挑战，这也刺激了人们对替代燃料和燃气轮机循环架构的深入研究[5]。

氢作为一种无碳燃料受到了越来越多的关注，因为它在保持现有技术灵活性的同时，有望实现零直接二氧化碳排放[6] [7] [8]。包括GE、西门子和三菱[9] [10] [11]在内的主要燃气轮机制造商正在推进向氢燃料燃气轮机的转变，特别关注氢燃烧特性（如高火焰速度和扩散性）对涡轮机运行的影响[12] [13]。业界正致力于迅速开发兼容氢的燃烧器，并抢占早期市场优势。尽管如此，由于氢的单位能量成本较高，其经济竞争力仍低于天然气。因此，优化燃气轮机循环布局以提高氢到电能的转换效率也是一个重要的研究目标。在航空航天应用中，已经探索了创新的氢燃料循环配置，以满足不同飞行任务的需求。日本宇宙航空研究开发机构提出了ATR-EX循环[14] [15] [16]，其中燃烧器的废热加热氢气，然后氢气通过涡轮机膨胀来驱动压缩机，实现水平起降的高速飞行。冯·卡门流体动力学研究所的研究人员随后将该循环配置应用到高超音速推进系统中[17] [18] [19]。Reaction Engines Limited开发了SABRE循环，该循环整合了氢、氦气和空气的耦合回路，支持单级入轨飞行[20] [21]。这些先进的概念为氢的有效利用提供了有益的见解。基于这些进展，作者还进行了工业燃气轮机新型循环配置的初步研究。

为了系统地评估新型燃气轮机循环的性能，必须使用适当的方法。热力学分析为量化能源利用、效率和改进机会提供了可靠的框架。此类评估通常包括第一定律和第二定律分析。第一定律（能量）分析应用能量守恒原理，在不同运行条件下确定热效率、工作输出及相关性能指标。第二定律（熵）分析进一步考虑了不可逆性，从而识别性能损失的来源，并指导组件和循环配置的优化。Jeong等人[22]使用第一定律热力学分析评估了氢共燃对燃气轮机和联合循环系统的影响。Li等人[23]分析了一种氢混合微燃气轮机，重点研究了发电效率和压缩机功耗，并得出结论：随着氢比例的增加，再生循环比简单循环更稳健。Chen等人[24]使用第一定律和第二定律分析评估了一种新型多联产燃气轮机系统。Sayyaadi等人[25]将相同的方法应用于带有回热器的改进型再生燃气轮机循环。这些研究共同表明了热力学分析在识别组件级不可逆性和指导循环优化中的重要性。

除了热力学性能之外，经济可行性和环境影响也是评估氢燃料燃气轮机循环的关键因素。特别是，氢生产的高成本以及由于燃烧温度升高可能导致的潜在NOx排放可能会显著影响系统的可行性。因此，需要进行技术经济和环境分析，以补充热力学评估，提供一个更全面的评估框架。Koosha等人[26]对带有进气加湿器的燃气轮机进行了4E（能量、熵、经济性和环境性）分析，量化了其经济效益和排放减少量。经济分析量化了收入增加、燃料节省和回收期，而环境评估评估了二氧化碳和NOx排放的减少量，结果表明，在炎热干燥的气候条件下，加湿在经济效益和减排方面最为有利。Weerakoon和Assadi[27] [28]提出了一种基于生命周期成本分析和部分负载及燃料切换操作的微燃气轮机的详细技术经济和环境评估框架。该研究同时使用综合成本和排放指数评估了经济性能（净现值NPV、内部收益率IRR、平准化成本LCOE）和排放影响（二氧化碳CO2、氮氧化物NOx、一氧化碳CO）。他们还回顾了微燃气轮机的技术经济和环境评估方法，强调将成本指标与基于排放的评估相结合，以评估不同系统配置下的经济-环境权衡。Elmeknassi等人[29]提出了一种氢燃料燃气轮机的热经济和环境优化框架，结合了详细的成本建模与排放相关性能评估和效率与成本权衡的多目标优化。Sinha等人[30]对一种新型半封闭-loop燃气轮机常规混合循环进行了全面的经济和环境评估。经济分析通过考虑资本投资、燃料消耗、运营成本和环境罚款来评估总成本率，而环境分析量化了二氧化碳和氮氧化物排放以及可持续性指标，表明系统成本和排放强烈依赖于运行参数和循环配置。Kayadelen等人[31]在热经济框架下比较了简单、再生、STIG和RSTIG燃气轮机循环，研究表明再生和蒸汽注入配置在提高效率和输出的同时，改变了排放和总成本性能。Zhou等人[32]基于布雷顿循环的多热回收对一种新型多联产工厂进行了热经济和环境评估。虽然两项研究都采用了多种热回收过程，但Zhou等人专注于回收布雷顿循环的废热进行多联产，而本研究则利用回收的废热预热高压低温氢气，氢气随后通过氢气轮机膨胀，提供轴功并提高氢到电能的转换效率。

基于上述分析，作者认为氢气轮机的发展不应局限于传统循环框架。有必要探索新的循环架构，这些架构应根据氢作为工作流体的内在特性进行定制，从而进一步提高其利用效率。我们之前的研究[33]使用氢气轮机作为驱动空气压缩机的唯一动力来源。然而，相对较低的氢质量流量限制了氢气轮机的功率输出，进而限制了可实现的压缩机压比。在本研究中，通过引入联合驱动配置解决了这一限制，即氢气轮机和燃气轮机共同驱动压缩机。这一改进使得压缩机压比更高，同时氢既作为燃料又作为工作流体用于废热回收和膨胀发电。此外，本研究还通过加入再生配置和全面的4E评估（包括熵、经济性和平衡NOx分析）扩展了分析范围。

本研究的主要贡献如下：
1. 基于原始HTGT循环，通过集成氢气轮机和燃气轮机共同驱动压缩机，开发了一种改进的HTGT配置。这一改进有效克服了原始配置中低质量流量氢气轮机功率输出不足导致的压缩机压比限制，使所提出的循环能够在更高的压缩机压比下运行，进一步提高了氢能利用效率。
2. 考虑到氢燃料的高压和低温储存特性，将与氢储存相关的物理熵纳入了氢气轮机循环的熵评估中。结果表明，忽略储存氢的压力相关和冷却相关的物理熵可能导致计算出的循环熵效率被高估。
3. 采用基于吉布斯自由能最小化的化学平衡方法来确定燃气轮机循环出口处的详细燃烧产物组成。基于这种方法，系统地评估了将氢燃料作为工作介质（而不仅仅是燃烧燃料）对燃气轮机循环NOx排放特性的影响。
4. 建立了一个包含能量、熵、经济性和环境指标的全面性能评估框架。通过比较和参数分析，系统地研究了所提出的HTGT循环和再生HTGT循环的热力学特性、经济性能和环境影响。

### 系统描述

本研究改进了之前提出的氢气轮机循环[33]。图1(a)展示了循环配置，图1(b)展示了相应的T-s图。氢通常在高压低温条件下储存，然后通过减压阀系统减压，再由两个 reheater 加热。第一个 reheater（RHT）位于燃气轮机出口（状态10–11），而第二个 reheater（RHC）位于燃烧器（状态11–12）。

### 系统建模

基于氢气轮机的燃气轮机循环的热力学模型是在MATLAB中开发的。工作流体性质数据使用NIST REFPROP和Cantera获取。采用了以下假设：
1) 循环模拟中将工作流体视为理想气体，但在物理熵计算中使用REFPROP中的实际氢性质；
2) 在每个发动机站考虑了停滞性质；
3) 假设燃气轮机中的燃烧达到化学平衡。

### 对比分析

选择简单的燃气轮机循环（GT）和再生燃气轮机循环（RE-GT）作为参考配置，与所提出的氢燃料燃气轮机循环进行比较。在比较过程中，所有循环的主要组件——压缩机、涡轮机和 reheater 的性能参数保持不变，如表5所示。所有热交换器和燃烧器的总压力回收系数选为0.98。

### 结论

本研究开发了一种改进的HTGT循环，以进一步提高燃气轮机系统中的氢利用效率。通过引入联合驱动配置，即氢气轮机和燃气轮机共同驱动压缩机，有效缓解了原始HTGT循环中压缩机压比的限制，提高了氢到电能的转换性能。开发了热力学数学模型，并进行了全面和参数分析。

### 作者贡献声明

黄晨：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。
王志卓：验证、软件、资源、调查。
李炳杰：验证、方法论、正式分析。
李世祥：可视化、验证、方法论。
崔伟伟：可视化、资源、资金获取。
赵本：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。

### 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

### 致谢

本研究得到了北京自然科学基金（项目编号JQ24016）和中央高校基本科研业务费（项目编号2026JC010和2025MS020）的财政支持。

黄晨 | 王志卓 | 李炳杰 | 李世祥 | 崔伟伟 | 赵本