第 10 章 重型燃氣渦輪與聯合循環發電（CCGT）#
本章導言#
把航空噴射引擎放大、並把排氣的廢熱再打一次蒸汽循環，是 20 世紀動力工程最後一次偉大的效率躍進。本章三節：10.1 重型燃氣渦輪的誕生；10.2 聯合循環；10.3 高溫材料的微觀刃鋒。
10.1 航太噴射技術反哺陸地發電：重型工業燃氣渦輪機的極限燃燒室與高溫合金#
10.1.1 為何電網需要燃氣渦輪？#
電網有兩類需求：基載（baseload）與調峰（peaker）。燃氣渦輪機的絕對優點：
- 啟動快：數十分鐘即可輸出全功率（蒸汽電廠要數小時以上）；
- 單位造價低、佔地小；
- 排放相對較低（以天然氣為燃料）。
早在 1939 年，瑞士 Brown Boveri（BBC）為 Neuchâtel 電廠建成的 4 MW 級燃氣輪機機組常被引為全球首例商轉之燃氣輪機電站；戰後因天然氣供應擴大而急速成長。1980s 起航改陸（aeroderivative）與重型機（GE Frame 系列、西門子 V 系、MHI M 系）分途。
10.1.2 一個燃氣渦輪機的物理：Brayton 循環#
定壓燃燒＋絕熱膨脹。理想循環效率：
\[ \eta_{th} = 1-\left(\frac{1}{r_p}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} \]
壓比 \(r_p\) 越大效率越高，但要付出燃燒溫度（turbine inlet temperature, TIT）的高昂代價：TIT 近 1,500–1,700°C，已超過鎳基合金熔點——材料問題成為效率的全部瓶頸（10.3）。
10.1.3 航空—電力技術循環的雙向驅動#
- 《8 章》噴射機所積累的三項技術——高溫合金葉片、冷卻葉片技術：與數位燃燒控制——直接由 GE-Siemens-MHI 共享；
- 反向亦然：重型機的長壽命工程（設計壽命 30 年以上、數十萬小時運行）要求不同的材料嚴謹度——重機與航機形成「一軸兩面」的技術循環；
- 二級效果：20 世紀末以來的地緣衝突不斷抬高燃氣渦輪的戰略地位（俄烏戰爭中西門子等退出俄市場即為一例）。
10.1.4 前因後果#
- 前因：噴射引擎（第 8 章）、天然氣供應擴大、BBC 初代機與電網調峰需求。
- 事件：1939 Neuchâtel；1960s–80s 重型機系列化。
- 後果：最高效率的傳統熱機路線由聯合循環完成，下一節直接計量 60%+ 的效率奇蹟。
下一節：10.2 聯合循環（CCGT）