一、背景介绍
世界性的能源危机和环境污染对燃机装置的有效性和合理性提出了更高的要求。热力循环是热机发展的基础。每一次新的循环的提出都带动了动力机械发展的飞跃。有历史意义的，推朗肯(Rankine)循环和布雷敦(Brayton)循环，但都各有优缺点。
为了进一步提高能源转化效率和减少环境污染，近年来新型热力循环展开了广泛的研究，包括Kalinna循环、注蒸汽燃气轮机(STIG)循环、湿空气透平(HAT)循环等都是新型循环的代表，其中HAT(Hu Air Turbine)循环具有高效率、高比功、低污染、低成本及良好的变工况性能等优点，受到国际能源动力工程界的重视，已成为新型热力循环的重要研究方向之一，被誉为21世纪的热力循环。
例如，HAT循环的IGCC的发电效率达到70%以上。特别是HAT还有不少改进的循环动力技术(与电网储能相结合的新型HAT技术),虽然目前还出去开发初期，但是已有的研究成果已非常令人鼓舞，特别是和煤气技术相结合时更显示出它的优越性。
中国是世界上少数几个以煤炭为主要一次能源的国家，在一次能源生产和消费总量中煤占75%，这就形成了我国的能源利用效率低，实现可持续发展环境问题压力大的问题。为了解决能源利用中遇到的问题，近年来，在热力发电方面，国内外展开了对先进洁净煤技术和先进热力循环的研究。先进洁净煤发电技术主要包括IGCC(煤气化燃气～蒸汽轮机联合循环)，PFBC(加压流化床燃气轮机联合循环)，EFGT(外燃气轮机)及超临界蒸汽轮机等等。IGCC、PFB及超临界蒸汽轮机都进入示范阶段。它们具体技术特点和存在的问题如下(表1)。
由此，综合比较看，HAT循环是解决目前中国能源工业能源利用效，污染情况严重问题的捷径。其理由如下：
(1)国外燃气轮机已经形成产业，联合循环已经为燃气轮机制造厂家带来很好的商业利益，因此制造厂家不愿意用HAT循环燃气轮机去冲击其现有的产品。而中国尚未形成燃气轮机工业体系，无此问题。
(2)HAT循环燃气轮机的设备成本很低，但开发第件样机需要大量的工作，西方各个厂家多不愿用自己的研究费用开发第一台样机，除非国家整体支持。在中国要发展燃气轮机工业，一定要进行样机开发，因此，可以直接进行HAT循环燃气轮机的开发，一步到位。
(3)HAT循环燃气轮机十分适合小型甚至微型燃气轮机，因此开发费用比开发联合循环要低。
二、HAT循环简介
湿空气透平(HAT-Hu Air Turbine)循环具有高效率、高比功、低污染、低成本及良好的变工况性能等优点，已成为新型热力循环的重要研究发展方向之一。
HAT循环新概念是由日本Y.Mori教授于1983年首先提出当初他们把它看成是一种特殊的会热燃气轮机循环，带有喷水手段，且采用两相、多组分的混合工质，故称之为水接触蒸发的多相多组分系统(MPCS/DCE)。1985年后，美国出现多项HAT循环的专利。
HAT循环的核心是建立在中冷回热燃机循环的基础之上的。目前广泛使用的得到认可的HAT循环的系统流程为空气经低压压气机、中冷器、高压压气机、后冷器后进入饱和器底部，补充水在中冷器、后冷器、热水器中加热升温后从饱和器顶部进入。在饱和器中，空气和水逆流接触，空气被加热湿化，水被冷却并部分蒸发。从饱和器出来的湿空气回收透平排气高温余热后进入燃烧室，经燃烧加热，生成的高温高湿燃气在透平中膨胀做功，透平排气经回热器和热水器吸热后排入大气，完成一个工作流程。
水经过间冷器、后冷器和经济器的分别加热后，三股热水混合在一起，然后从顶部被喷射到饱和器内，压气机出口的高压空气经冷却后从底部进入饱和器内。在饱和器内，高压压缩空气和喷雾水滴(填料饱和器内填料上的水膜)直接接触，进行热质交换，高温水变温冷却和部分蒸发，使高压空气的温度和相对湿度(含湿量)都升高，成为空气和水蒸汽的混合物，未蒸发的水从饱和器底部引出并循环利用。随后，高含湿量的湿空气(含10～45%蒸汽)经回热器加热升温后，进入燃烧室与天然气或者液体燃料燃烧加热，最后高温、高压的湿空气在透平中膨胀做功。透平排气通过回热器和经济器逐步降温，最后排向大气。其充分利用了系统的各种余热和废热，循环放热温度很低，比较好的体现总能系统的能量梯级利用原则。其相应流程图如图2所示：
三、HAT循环的优点
与传统循环相比，HAT循环有以下优点：
(1)湿空气是在透平中膨胀做功的，它可以省去常规的燃气-蒸汽联合循环中的蒸汽轮机及其系统，使发电设备大为简化;
(2)从空气中冷器和排气给水预热器中回收的低温热能都能被利用来参与循环过程，而且这些传热过程中冷、热侧的工质都不发生相变，因而平均传热温差较低，能更大限度地回收热能，这些为提高循环的热效率提供了条件;
(3)由于水蒸汽的加入使湿空气的流量增加以及水蒸汽具有做功能力大的特点，因而循环的比功值很大;
(4)空气的湿化在饱和器内完成，湿化过程只需要较低温度的热水，可以更好的利用各种低温热能，而且气液直接接触，减少了传热、传质过程的不可逆性;
(5)由于大量的水蒸汽参与燃烧过程，可以降低燃烧产物中的NO化物的含量。
四、关键部件
HAT循环中关键部件—湿化器。当环境温度升高时，低压压气机流量减少、排气温度升高，则间冷器和后冷器间冷却水的排水温度和流量都随之变化，引起湿化器出口空气含湿量随着环境温度升高而增加，一定程度上减缓了功率的减小趋势，也减缓了循环效率的减小趋势，因此循环具有较好的变工况性能。
五、国内外的研究现状及主要进展
1、HAT循环的研究
HAT循环自提出以来，以其效率高、成本低等优点引起了广泛的重视，各国专家学者对HAT循环的整体性能作了大量的研究。早期的研究工作集中在系统整体分析上，主要对各种系统布置行式和运行参数进行分析，比较同其它循环在效率、功率输出等方面的不同，通过研究表明：利用现有的燃气轮机技术(初温1300℃，压比20～30)，循环效率可达55%～58%。若加大湿化热水量，即蒸汽空气混合比X提高到20%～45%，则可望突破60%。美国能源部、电力部和动力制造公司等对HAT循环十分重视，联合推出了一个“先进透平系统发展项目(ATSDP)”，旨在应用新颖循环概念和重大技术进步成果，开发HAT装置也是目标之一。美国的EPRI，Fluor Daniel等公司联合制定了一个时间表，准备分三个阶段实现HAT循环的商业化。前几年瑞典LUND大学在率先造出了世界上的第一台可以投入实际运行的蒸发式燃气轮机(HAT循环的雏形)。
国内从1993年起对HAT循环进行研究至今已经整整30多年，但研究基本上还限于理论研究，研究的重点是HAT循环的热力学分析、循环性能分析以及对循环参数与流程进行优化，从理论上研究和探讨HAT循环的本质及其性能。
2、饱和器的理论研究
近十年来，随着研究工作的深入和建立HAT循环示范电站的需要，研究工作逐步细化深入到循环的各个部件。饱和器是HAT循环的特色和核心部件，正是由于饱和器的存在，所以能够实现低温余热的回收，使比功和效率增大，因此饱和器在HAT循环中占有很重要的地位，对其性能的认识关系到整个系统的性能分析。
国内外对饱和器的研究也日益重视，在参考冷却塔德基础上建立相应的理论计算模型。根据饱和器内的传热传质规律，建立了微分方程组。编制SAT模型和CT模型程序计算得出了饱和器内部的参数分布规律，分析了两种数学模型与实验结果的差异，此外还分析了饱和器的热经济性能，对空气加压增湿过程进行了模拟计算和分析比较。
无论从理论分析还是实验研究来看，饱和器内部的传热传质过程还有许多问题需要解决，包括过程的火用分析、过程中温度和湿度场的测量，过程的实验组织和实验数据的整理、过程的稳态特别是动态的数值计算。只有在解决这些问题的基础上，人们才有可能掌握湿化饱和过程的实质，才有可能设计出性能良好的饱和器。
3、饱和器的实验研究
饱和器工作于高热、高压、高湿环境下，内部物理过程非常杂，通过纯理论的方法来研究存在较大的缺陷，如假定工质物性、传热和传质系数不变，因此在理论基础上的实验研究对于揭示饱和器内部规律是必须的。
瑞典的LUND理工学院与瑞典皇家理工学院共同于1998年10月搭建完成了第一台以600KW微型透平为基础的HAT循环实验台，此实验台基于Volvo VT600的单轴燃气轮机，涡轮入口温度大约1000℃，空气流量3.44kg/s，饱和器进口压力0.8MPa，通过此实验台对饱和器和大湿度燃烧室等进行了很好的研究，得到了许多宝贵的实验数据资料，完善了相关的理论模型空白。
近几年来国内几所高校和科研单位也相继搭建了饱和器性能实验台，对增湿饱和器进行了初步的实验研究，取得了一定的成果。然而由于测量条件限制一直未对饱和器内两相流动进行详细的试验研究，因此对饱和器内气体的流动、液滴的流动、液滴的分布、液滴的浓度、液滴的速度、液滴和气体间的换热和传质等的性质研究也很少。
4、饱和器的数值模拟研究
在饱和器内部喷雾水滴和湿空气直接接触，这是一个气液两相问题。由于流体流动过程的复杂，模型实验测量具有一定局限性，无法全面了解饱和器内部两相流场的微观状态和加热加湿动态过程的信息，而数值模拟的方法则可用于流场的预测和弥补实验中无法测量的一些参数。
5、对HAT循环优化的研究
目前已有多种HAT系统方案，由于没有试验验证，对他们性能的评价只能建立在各作者各种假设条件的基础上，因为条件不同，这些结果就没有可比性。
P.Chiesa等将以往研究者提出的HAT方案综合起来，并加入自己的构想，得到了HAT循环的超结构流程，如下图所示。图4为相应温熵图，左边曲线代表空气和燃气的工作过程，右边曲线代表补水的工作过程。
图3 HAT循环的超结构流程图
图4 HAT循环超结构温熵图
