千人同聚,共襄盛举!以“面向低碳社会的燃气轮机技术”为主题,2023第十届亚洲燃气轮机聚焦大会7月6日在无锡太湖国际博览中心隆重召开。作为国内两机行业(燃气轮机和航空发动机)最具影响力的专业峰会论坛,中国航空学会理事长林左鸣应邀出席参加开幕式,并做了重磅演讲。现全文刊登如下:
《双碳目标下:未来燃气轮机发展的畅想》
作者:史瑞华 林左鸣
演讲:林左鸣
一、人类动力技术进步的历史回顾
人类几千年文明史,真正进入机械动力时代,至今不到五百年。正是这五百年,使人类文明的进化发生了翻天覆地的变化,进入了今天这样一个光辉灿烂的局面。如果说时光是一个杠杆,那么动力技术就是那个杠杆的支点,以此推动了人类文明历史的前进。
17世纪下半叶,工程师托马斯·纽科门的蒸汽机在英国发明并开始在采矿业应用。
18世纪蒸汽机瓦特的改进,逐渐进入成熟,并引发了工业革命,推动了火车、轮船的发展。19世纪德国工程师奥托发明了第一台实用的活塞式内燃机,推动了汽车工业和航空工业的发展。
同样在19世纪,英国科学家法拉第发明了第一台实用的电动机。
20世纪,瑞士和德国在总结前人经验的基础上, 几乎同时发明了燃气轮机。
20世纪中叶,核反应堆动力也在美国应运而生。
欧洲文艺复兴之后,引发了科技中兴,推动了人类技术进步,其集中的表现,正是在动力技术的发展,从蒸汽机开始,引爆了工业革命,从此推动了一波接一波的产业革命和科技进步。
动力技术的发展,还一定程度上促进了人类对物质材料应用的发展,然而新的问题也在不断出现,这就是人们现在普遍关切的环境问题。解决环境保护问题,人们把减少碳排放作为重要目标,这个目标给动力技术的发展带来了全新的挑战。
动力发展所面临的历史拷问:
蒸汽机作为外燃机正在逐步退出历史舞台,“双碳”目标的历史任务,是否将逼退包括燃气轮机在内的所有内燃机?
风力、太阳能电力的蓬勃发展,是否会让电动机今后一枝独秀?
核能并非没有环境安全隐患,此后谁能解决目前面临的这个严峻挑战,这就成了我们必须回答的问题,日本福岛核电站污染引起全世界关注之后,更让人们认识到核电的发展亦是有瓶颈的。
似乎太阳能、风能等新能源的脱颖而出,将使电动机独领风骚了。太阳能、风能这样的零碳排放新能源,所存在最大问题,是能量供给不均衡,这一点它们无法和任何一类热机相比拟的。
目前采用的解决办法:是用储能设备进行储能,即用电池储存电能,然后再释放出来使用,以保证能量均衡供给。但是就目前的技术而言,电池的能量密度都很低,用在固定的非移动使用场景尚可,但要用在像飞机这样的移动装备上,受限制就很大了。
电池要做到什么程度,才能满足清洁能源可以在移动装备上,广泛并持续应用的要求呢?
或许可以设想:把无数个电子压缩在一起,使电子质集呈结晶态,成为晶态电子。也就是整个物质晶体是由电子构成的,人们可以称它为纯电子晶体。那么这样的电子晶体就是和电池一样,是一种直接能量体。平时封存在绝缘容器中,使用时置于有双向回路的电容中,经过对晶体瞬时激励后,正负极连接使用电器,正极就能源源不断输出电能,其能量密度很大。
二、希望仍然寄托在燃气轮机之上
要做成电子晶体,需要应用宇宙黑洞聚集物质那样的技术——也就是黑洞聚集的原理来设计制造出电子的聚集设备,就我们人类目前的技术能力而言,还是可望而不可及的。所以无论从能量密度,还是动力输出和工作效率等方面而言,在电子晶体电池出现之前,燃气轮机还很难被电动机所超越。
过去我们在研发燃气轮机的工作中,经常告诫同事们要用“顶礼膜拜”的心态,来对待研究和制造燃气轮机的工作。
为什么会提出这样的要求呢?因为我们人类绝大多数技术的出现,都是仿生、仿自然的。比如飞机仿鸟、潜艇仿鲨鱼,而燃气轮机则几乎是目前人类唯一的一种仿效宇宙宏熵运行原理的设备。
也就是说燃气轮机的工作性态,与宇宙的单元区或星系的成因有很大的相似性,它就像宇宙中黑洞和白洞的漩涡运行规律的呈现,循环进行着熵减(负熵)和熵增。
所以燃气轮机在无破坏性振动影响下,其工作效率和运行时长,均为所有常规动力运行能力之首。这便是燃气轮机的神圣之处。
燃气轮机由四大部分组成:压气机、燃烧室、维持连续旋转运行的涡轮和输出动力的自由涡轮。压气机和燃烧室是个熵减(负熵)焓增的工作过程,相当于宇宙中的白洞效应;涡轮和
自由涡轮是个熵增焓减的过程,相当于宇宙的黑洞效应,从燃气轮机诞生之后,熵增部分的
技术一直没有太大的变化;所有的变化都集中在熵减(负熵)部分,即压气机和燃烧室部分。
燃气轮机的压气机,过去的主要变化是离心式压气机发展到轴流式压气机,也有两种压气机
混合应用;今后再往下发展,可能就是向心式压气机。
这种向心聚压式压气机,北航的高歌教授曾有过很多深入的研究,并在理论上取得了可喜的成果。
燃气轮机的燃烧室,形状很多种,有管形、环形等。但从原理上来说,无非是两大类,第一
类是形成紊流的燃烧,第二类是形成旋转离心式的燃烧。
如果从双碳目标考虑,人们开始在认真研究用氢燃料、氨燃料或生物燃料(SAF),从此替代已经在使用的化石燃料。这些发展,其重点都要求不断突破燃烧技术,也要不断突破压气机的增压技术。
但这仍然不是燃气轮机燃烧技术发展的终极目标。要用燃气轮机解决双碳目标,未来应向实现电爆气态等离子和光爆气态等离子燃气轮机,这样一种无其它物质燃料输入的动能输出技术发展。这是我今天讲的重点:就是将来燃气轮机的发展方向,可以不需要物质燃料的输入,直接用能量的输入,也就是利用特殊频率的电能辐射和特殊结构的激光器,激励压缩后的大气气体分子,使其发生等离子态膨胀,形成高熵减与焓增的气流射流,来推动燃气轮机的涡轮工作。
这样恐怕才是燃气轮机发展的终极技术,也是最终可以解决“双碳”目标的最佳方案。而这样的技术,目前我们要实现它已经不算太难了,经过努力是可以实现的。
三、未来“双碳”发展目标的憧憬
当我们开发出“等离子燃气轮机”之后,人类就走过了物质四态作为能源,并用于动力运行的全过程历史,即从最早的蒸汽容器使用的固态煤炭、液态的油、天然气等气态到等离子态。
下一步的发展,我们目标盯着用等离子态。一旦有了“等离子燃气轮机”之后,人们就可以利用太阳能,风能等清洁形式的能源,来提供电爆、光爆产生等离子的初始能量,最终形成“等离子燃气轮机”得以普遍使用的崭新局面。
有了“等离子燃气轮机”之后,人类的能源供应系统应该形成智能化分布式的全新布局。今后不再需要独立的发电机构,现有的能源供给形式或许将被完全颠覆。
今后每个建筑物,通过自身外表面太阳能发电装置,和建筑内的等离子燃气轮机,共同构成一个电能源发生装置,然后分布式上网并联网,除了满足了自身需求之外的能源,可以向外提供,所有的用电设施同时也是供电设施,实现能源分布式智能网络化布局。
现在的喷气式航空飞机在一万米高空所排放的碳,在平流层就像刷油漆一样,一层一层的往上刷,这些排放基本上是很难被降解的,不像地面汽车的排放还可以被海洋、被雨水、森林等降解。
有了“等离子燃气轮机”之后,喷气式飞行器在不用化石能源的情况下,仍然可以充分使用。
这就彻底解决了化石能源对大气层碳排放污染的问题,最终实现人类在能源应用上的“双碳”目标。
由于光爆等离子的能量是百瓦级的,用于电爆等离子的能量不过也就是千瓦级的,因此这样一种中低能量输入,带动大能量输出的动力装置,不但可以继续在航空器上应用,而且可以在替代有较大安全隐患的核反应堆,实现船舶长时间不补充化石燃料的运行。应该说,只要发电设备和储电设备不出故障,就能一直通过气爆发生等离子(压缩空气瞬爆发生等离子)产生动力,理论上是可以实现无限续航的。
等离子燃气轮机的出现,很可能对人类经济历史再次产生颠覆性的改变。
在人类经济历史上,实际上不再用贵金属作为“一般等价物”之后,能源被推出来成为“终极等价物”,而其代表性的就是石油。所以金本位之后,美元实际上是以石油产业作为自己的“锚”。
其实在人类经济历史上,以贵金属作为“一般等价物”时,曾转化为以重要先进工具作为
“终极等价物”,最典型的是商朝时的“铲币”和春秋战国时期的“刀币”。自从那以后,就很少再用重要的技术工具作为等价物,原因或许是技术发展日新月异,很难较长时间稳定下来。
将来在“等离子燃气轮机”出现之后,作为具有能量形成能力的重要产业,很可能扮演起历史上“铲币”和“刀币”的角色,使经济活动中的“终极等价物”成为“等离子燃气轮机” ,也许今后国际上的强势货币那是要以“等离子燃气轮机”产业技术为“锚”的。
人类经济将再进化到一个由技术取代物质作为经济等价物的时代,“等离子燃气轮机”技术将回归成为新的终极等价物,和古代的“铲币”、“刀币”一样,就像现在的石油产业一样,成为强势货币的新“锚”。
综上所述,人类今后很长一段时间内,最理想的“双碳”功能动力设备,应该是“等离子燃气轮机”。等离子燃气轮机产业,是现代工业皇冠上的明珠,也是今后经济的“财富标志” 。
“等离子燃气轮机”技术的完全实现,需要有一个过程。但这个过程,我们认为是不远了。在这个过程中,最重要的事情,是加快普及燃气轮机技术的应用。
而这一点我国目前仍然是落后的,因此要重视和普及天然气、页岩气等更清洁的化石燃料用于燃气轮机发电,努力推动使用氢气、氨气和生物燃料(SAF)的燃气轮机投入实际应用,最终实现“等离子燃气轮机”的成熟和普及应用。
在人类使用的动力只有两种是普及到千家万户的,一个是活塞式内燃机,第二个是电动机。蒸汽轮机没有经过这个历史就被淘汰了。
燃气轮机缺这个历史,我们必须让燃气轮机将来也有可能进入千家万户。那么这就有个需要解决的问题,希望在座的做燃气轮机的各位同仁,努力奋进。现在既需要作为能源发电的大型、中型燃气轮机,也需要中小型的、微小型燃气轮机。
最近我国的通用航空发展,其中一个很重要的技术是飞行汽车、eVTOL飞行器的发展,它的最好的动力是什么呢,我认为经过油电混合动力后,其最好的动力就是等离子燃气轮机。
小燃气轮机虽然会效率低点,但很多特殊的场合,如果采取了联合循环和热电联供技术的话,它的综合效率依然是很可观的。
所以,我希望搞燃气轮机的同仁们,积极努力的推动燃气轮机全谱系发展,尤其要关注中小型燃气轮机的发展,只有这样,这个产业才能有更好的群众基础,普及性的基础有了,那么燃气轮机作为将来人类动力发展的比较终极性的形态,可能就出现了。
在此我呼吁,各位从业于燃气轮机研发制造的同仁们,让我们携手共同努力,早日实现这一光荣而伟大的历史使命。
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