说起燃气轮机，其实大家并不陌生，其与飞机涡轮发动机的渊源一言难尽。除了专门用于发电用的Frame级别的燃气轮机以外(如GE的Frame 7系列)，几乎所有的燃气轮机都是从飞机涡轮发动机发展演化而来的，所以也统称为Aero-derivative gas turbine。燃气轮机的原理和飞机涡轮发动机几乎一模一样，最主要的区别在于飞机用发动机注重的是推重比，而燃气轮机更注重的是热耗率。
在我国这个产煤大国，绝大部分的电能来自于燃煤的蒸汽轮机。蒸汽轮机虽然动力巨大，但是排放问题和热效率问题一直无法得到很好的解决。由于煤炭本身的燃烧性质，其产生的NOx和SOx以及颗粒物是环境污染的主要来源。然而，以天然气为主要燃料的燃气轮机在颗粒物排放方面就比蒸汽轮机要好很多，只要燃烧充分，天然气几乎不产生颗粒物排放。但是，燃气轮机本身也存在一定的局限性，如前期投入成本过大，NOx排放，以及动力输出不足等。
美国的程大酉教授基于自己多年在NASA的研究成果发明了两项既能提升燃气轮机动力输出又能大大减少NOx和CO排放的技术，一项是Cheng Cycle，也就是程式汽电共生循环，另一项是Cheng Low NOx System(CLN)。这两项技术都获得了美国国家专利，并广泛应用于世界各地安装的燃气轮机上，如意大利，法国，美国，以色列，日本等。到目前为止，共有超过300台燃气轮机改装成了Cheng Cycle或者CLN。
世界上第一台Cheng Cycle燃气轮机，位于美国加州San Jose State University
位于美国夏威夷Kauai岛的Kapaia发电站也使用了Cheng Cycle
下面，撸主来带大家了解一下这两项技术的具体细节。
1，Cheng Cycle
首先，我们来说Cheng Cycle。众所周知，燃气轮机排放的尾气温度极高，但是却无法再推动更多一级的涡轮来产生额外动力，在普通的燃气轮机中，这部分的热量被白白地浪费，造成燃气轮机总体热效率不高。而Cheng Cycle是利用这部分高温尾气注入热交换装置，用于加热水蒸汽，当水蒸汽达到一定温度的时候，再重新注入燃气轮机的燃烧室中。
Cheng Cycle示意图
首先，燃气轮机的总功率与流体总质量和涡前温度成正比。也就是说在涡前温度保持不变的情况下，增加燃气轮机中的流体总质量会增加总功率。Cheng Cycle中将高温蒸汽注入燃烧室的方法就是增加了流体总质量，从而大大地提高了发动机的总功率。
那就会有人问，燃烧的时候注入水蒸汽岂不是会影响火焰燃烧么?这句话既错又不错。先来说没错的地方，如果水蒸汽注入过多或者水蒸汽的温度不够的话，的确会将火焰吹灭或者造成不完全燃烧。上世纪六七十年代，由于飞机发动机推力不够，在起飞阶段将水注入燃烧室可以瞬时增加推力。然而这样的做法会使燃烧室中的火焰不完全燃烧，从而产生大量的黑烟。
起飞阶段将水注入燃烧室而产生的大量黑烟
再来说说错误的地方。由于水蒸汽在整个燃烧过程中扮演了类似惰性气体的角色，它并不参与化学反应，所以只要控制好水蒸汽的注入量和温度，那就不会影响火焰的燃烧。另一方面，由于水的比热容大，注入的水蒸汽还能够吸收大量来自于燃烧的热量，从而降低火焰温度，大大提高了燃气轮机中各部件的寿命。
另一方面，由于水蒸汽注入导致了火焰温度降低，燃烧所产生的NOx(氮氧化合物)含量也会大幅度降低。氮氧化合物的产生很大程度上是来自于空气中的氮气在高温环境下与氧气结合造成的，降低温度能够降低NOx的产生。所以Cheng Cycle中注入的水蒸汽不仅提高了燃气轮机的功率、提高了热部件的使用寿命，还能够降低氮氧化合物的产生，可以说是一举三得。
Cheng Cycle中的水蒸汽注入设备
对燃气轮机了解的朋友会说，Combine Cycle的功率岂不是更大么?没错，Combine Cycle是将燃气轮机产生的高温尾气加热水蒸汽，然后利用这部分水蒸汽再去推动一个蒸汽轮机，从而实现总功率的提升。但是Combine Cycle并没有解决减少排放的问题，而且前期的投入成本巨大。Cheng Cycle更够在低成本简单改造现有燃气轮机的基础上提升50%-90%的功率，这点是任何技术都无法比拟的。
Combine Cycle和Cheng Cycle的区别
另外，大部分的燃气轮机很难维持在低功率状态下工作，因为这样对部件损伤较大，同时热效率极低。而Cheng Cycle可以通过调控水蒸汽的注入来调控功率大小，使得燃气轮机能够在客户想要的任何功率下工作。同时，剩余的水蒸汽能够用作其他用途，如暖气供应，工业加工等。
Cheng Cycle还有许多的好处，撸主来一一列举：
提高的燃气轮机的热效率
对现有燃气轮机可做简单改装，费用不高
启动时间短
后期操作维护成本小
下面我们就来看看一组数据，更能够直观地了解Cheng Cycle带来的好处。
各个燃气轮机安装Cheng Cycle后所带来的提升
从上图我们很容易看出，Cheng Cycle不仅提升了燃气轮机的功率还提高了热效率。就拿著名的LM2500PH来说(这款发动机同样安装在了美国宙斯盾驱逐舰和我国052型驱逐舰上)，改装成了Cheng Cycle后，总功率从19.1MW提升到了27.5MW，热效率从35.3%提升到了44.8%。
不得不承认，Cheng Cycle在节能减排、提高效率和功率方面的确是一项突破性的技术。
2，Cheng Low NOx System(CLN)
氮氧化合物NOx对环境的危害极大，它能够破坏大气中臭氧层，同时在阳光照射下与氧气发生光化学反应产生刺激性的烟雾，对人体造成严重损伤，长期暴露其中甚至会致人死亡。氮氧化合物污染也是北京雾霾的主要成因之一。
现在国际上对于燃气轮机的氮氧化合物排放规定越来越严格，GE和西门子也在不断开发降低NOx排放的技术，如GE开发的DLN(Dry Low NOx)燃烧室最多能够将NOx的排放控制在5ppm。但是这两大公司都将目光锁定在了燃烧室的改造之上，导致燃烧室的设计越来越复杂，成本大幅度提升。程大酉教授发明的Cheng Low NOx System(CLN)却另辟蹊径，在不改变现有燃烧室设计的基础上，将燃气轮机高温尾气所生产的水蒸汽与燃料进行一定比例的混合，并通过技术使混合物达到高度homogeneity(均匀性)，然后再注入燃烧室燃烧。结果证明，CLN技术能够有效地将NOx排放控制在2ppm以下，这是目前世界上从来没有达到过的成果。
和Cheng Cycle中水蒸汽注入燃烧室不同，CLN是将水蒸汽与燃料预先混合，然后再注入燃烧室。这项技术不仅和Cheng Cycle一样能够提升燃气轮机的功率和热效率，更能够大幅度减少NOx的产生。
如果将Cheng Cycle与CLN一同使用，那就能同时达到节能减排和提高功率的双重目的。
Cheng Cycle和CLN结合使用后的燃烧室示意图
众所周知，美国加州的排放标准是全世界最为严苛的，特别是“洛杉矶烟雾事件”后(主要就是NOx造成的)，加州对于NOx的排放控制更是变本加厉甚至达到了毫无情面的地步。但是就在2015年，美国加州环保部门(EPA)将CLN提名为目前全州最好的减排技术(BACT)。这是对CLN最高度的肯定，也是对程大酉教授多年科研成果的一种肯定。
目前，全世界各地的发电厂或者燃气轮机使用客户已经纷纷表示对该技术有极大的兴趣，希望能够将CLN运用到自己的燃气轮机上。比利时、墨西哥、以色列等国已经开始进入实质性的论证阶段了。
