传统联合循环中能源有效利用即能（物理能）的梯级利用原理，它奠定了传统的燃气轮机总能系统的集成理论基础。这种总能系统是通过系统集成把各种热力过程有机地整合在一起，来同时满足各种热工功能需求的能量系统，系统集成理论对总能系统的设计优化、新系统开拓以及应用发展等都是至关重要的，而其本质特征在于不同热力循环和用能（供能）系统的有机整合与集成。但要特别指出的是，总能系统不是多个循环或系统的简单叠加，而是基于能的梯级利用原理集成的一体化系统。吴仲华先生从能量转换的基本定律出发，阐述了能的梯级利用与品位概念，提出“温度对口、梯级利用”原理，如图3.2所示。这个原理将燃气轮机和其他用能系统关联起来，综合考虑能源的综合梯级利用，组成总能系统。因此，热能的梯级利用就成为能源动力系统集成开拓的核心科学问题。不同的总能系统体现“热能梯级利用”的集成原理和方法有很大的差别，即要针对指定的具体功能和条件，从不同思路采用多种措施和组合，分别为：

1）热功联产的梯级利用。对于热功或冷热电联产系统集成时，侧重于按照热能品位的高低对口进行梯级利用，从系统层面安排好功、热或冷与工质内能等各种能量之间的配合关系与转换使用，以便在实现多种热功能目标时达到最合理用能。

2）高效利用系统中低温热能的梯级利用。对注蒸汽燃气轮机循环（STeam Injection Gasturbine，STIG）和湿空气透平循环（Humid Air Turbine，HAT）等系统，系统集成侧重通过热能梯级利用来高效利用系统中的各种中低温余热与废热。

图3.2 能的梯级利用示意图

3）联合循环的梯级利用。对于联合循环系统来说，一般高品位的热能首先在高温热力循环中做功，而中、低品位的排热和系统中其他余热与废热回收后再在中、低温热力循环中实现热功转换，然后利用系统流程和参数的综合优化，使各循环实现合理的匹配，减小系统不可逆损失，从而获得总能系统性能最优。(www.daowen.com)

用以实现热功转换功能的热力循环是热机发展的理论基础，其相关的核心科学问题就是热能的梯级利用，它从能的“质与量”相结合的思路进行系统集成，其本质是如何实现系统内动力、中温、低温余热等不同品位能量的耦合与转换利用。热力循环是利用受热后工质温度到环境温度之间的温区范围内热能，所以系统集成的好坏取决于这部分热能利用的充分性和有效性。图3.3是典型的系统能量转换与利用平衡方程。

很长一段时间内，大量热机采用简单循环，且大多采用一种工质。由于金属材料耐温性和所采用的工质性质等限制，只能工作在狭窄的温度区间内，热转功的效率比较低。若将具有不同工作温度区间的热机循环，按“温度对口、梯级利用”原理，联合起来、互为补充，就可以大大提高整体循环效率。例如，目前获得广泛采用和最高实用热机效率的燃气蒸汽联合循环发电系统，借助燃气轮机在高温区段实现高效热功转换，又利用汽轮机在中、低温区段实现热功转换、输出有效功，因而比较充分实现热能梯级利用，热效率就比较高。这样，它按梯级利用的原则把高加热温度（如1300℃以上）与高排气温度（一般在450～600℃）的布雷顿循环（燃气轮机）和低初温（550℃左右）与低排气温度（接近环境温度）的朗肯循环（汽轮机）串联起来，获得比燃气轮机和汽轮机简单循环时高得多的循环效率（50％～60％）。这主要得益于系统集成。联合循环中系统的整合原则是：按照热能品位的高低进行梯级利用，安排好不同循环的热能对口利用及其各种能量之间的配合关系与转换使用，在系统的层面上综合利用好各级能量，从而获得更好的联合循环系统性能。另外，联合循环系统可以在常规联合循环基础上后置更低温热力循环或逆向制冷循环，即所谓的正逆向耦合循环动力系统。它是通过吸收式制冷逆向循环，利用各种废热或余热，把正向循环（Brayton）进口工质温度或循环放热平均温度降低，来提高循环性能。下面对几种常规的联合循环系统集成时热能的梯级利用情况进行分析。

图3.3 典型总能系统能量平衡示意图

W_gt—燃气循环功率W_st—蒸汽循环功率Q_f—输入系统的燃料能量Q_gt—输入燃气轮机循环的能量Q_st—输入蒸汽循环的能量Q_si—系统有效热输入Q_R—系统有效热输出