火力发电绕不开的经典物理学——朗肯循环

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1819年8月25日，英国著明的发明家詹姆斯.瓦特带着无数的荣誉离开了我们这个世界，瓦特是蒸汽机的发明人，而第一次工业革命则就是从蒸汽机开始的。瓦特的贡献被写进了各国的史书，人类步入工业时代，蒸汽机的发明是重要的标志。历史总是有他的片面性，瓦特的贡献自然巨大，不过如果离开了另外一位与瓦特同样伟大的科学家，那么人类的文明进程恐怕还要被推后很多年。这个人在瓦特离世后的第二年出生，与瓦特一样也是苏格兰人，他就是W.J.M. Rankine（朗肯）。

如果说瓦特给蒸汽时代带来了动力，那么朗肯则是将蒸汽时代推向可行性利用的人，他提出了以水蒸汽作为制冷剂的一种实际的循环过程，主要包括等熵压缩、等压冷凝、等熵膨胀、以及一个等压吸热过程。可以用来制热，也可以用来制冷。没错，这就是著名的“朗肯循环”。而熟悉火力发电厂的朋友也会很熟悉这句话，我们将这段话翻译过来就是，加热水使成蒸汽，蒸汽压力推动汽轮机旋转。在这个过程中，就是朗肯循环的原理。可以说火电厂使用的最基本的物理原理就是“朗肯循环”！如今两百年过去了，我们的火电厂虽然较之以前有了很大的进步，但是仍然没有摆脱“朗肯循环”这个基础物理原理。这让我想起了《三体》中丁仪的一句话，“你们知道我这些年都在干什么吗？我在大学里教物理，还带博士生。……孩子们啊，我这两个世纪以前的人了，现在居然还能在大学里教物理。”

恰好两百年了，我们的基础物理几乎没有进步！如果朗肯还活着，那么他一定还可以在当今最好的大学带博士生。如果瓦特和朗肯活在同一时代，那么可能会诞生蒸汽机，但是未必会发现朗肯循环原理。上帝在创造世界的时候顺便给每个人安排了任务，所以你尽管努力，老天自有安排。如今两百年过去了，那么我们对“朗肯循环”的使用到了什么地步！很遗憾的告诉大家，从目前的情况看，我们对于这个原理的使用只是处在一个极为表面的时代。我们只是将这个原理用在了大型火力发电厂，但是我们没有对这个原理进行进一步的优化。很多人对我的这个观点不敢苟同，但是事实不会撒谎。我们目前的火力发电厂，燃料燃烧产生的热量只有不到50%被做功，其余的热量可以说被完全浪费掉了。虽然我们在汽轮机和锅炉的设计上增加了省煤器、预热器、再热、二次再热这些系统，但是很遗憾对于整个热量的利用提升有限。我看到一些新上大型活力发电机组的宣传资料说机组的热效率提高了多少个百分比，但是那是相对于原来的机组热效率，并不是针对整个化石燃料的燃烧来说的。不过，朗肯循环还是为解决这个问题保留了方法。这个方法就是有机朗肯循环，我们简称ORC。所谓ORC就是使用有机工质（O）作为朗肯（R）循环（C）的介质，而之前我们用水作为介质，就可以简称WRC。

那么ORC如何能做到提高循环的效率，如何做到提高化石燃料的使用率的呢？我们可以从下图进行分析。

有机工质通过蒸发器，与余热进行热交换，有机工质的沸点较低，迅速膨胀为蒸气，进入膨胀机做功，完成发电的过程。这里的关键在于有机工质，选择合适的有机工质可以大大提高整个机组的热效率。而我们的余热源可以是烟气、抽汽、低热、光热甚至是汽车尾气等。有关资料显示，只要余热源温度在70℃以上，就可以实现将有机工质变为动力蒸气进行做功。如此完美的解决方案，是什么时候被发现的呢？我查到的最早的资料是上世纪50年代，没错是70年前，跟你老家房子的产权是一样的。所以很多人就有了疑问，既然技术这么早就有了，为什么没见到被大规模使用？关于这个问题我在初涉这个行业的时候也有疑问，后来随着研究的深入，我得出了两个原因。第一个是技术原因，虽然我们发现了ORC这项技术，同时付诸了实践，但是代价是很昂贵的。首先是膨胀机技术，无论是螺杆机还是透平机，都不能再使用ORC技术时做到功率很大，一般1MW的机组就算是ORC的大机组，换算作RMB,每度电的发电成本都在10000RMB以上。这就导致了很多有余热资源的企业打了退堂鼓，这样的成本投入，收回成本估计至少六年以上。而且你还要考虑设备维护、机组的正常运转周期等。第二个原因是政策原因，我查了一下，自从2008年开始，各大论文网站关于ORC的文章激增，主要原因是国家在环保力度加大之后，废热资源的综合利用被提上了日程。但是，国家对于ORC发电的上网电价等政策不明朗，造成审批难、上网难，所以对于一些有实力的大企业开始另辟蹊径，放弃了ORC发电。如果是这样的话，ORC发电还有没有希望呢？涉足这个行业已经半年多了，我从来没有怀疑过ORC的未来！首先，到目前为止ORC仍然是解决化石燃料燃烧利用率的有效途径，这在全世界得到了公认。这个市场一旦开启，将是万亿规模之巨大，因此前途是不用怀疑的。其次，国内国际的科研院所、大学机构、企业都没有放弃ORC这项技术的研发。大家都在努力把ORC产品的价格打下来，因此一旦有了更加成熟的产品，那么市场就会被开启，ORC的春天将不期而至。目前可以了解到的ORC成功的案例，包括美国普惠动力公司2009年在加州建立的ORC"集群式"地热电站，以及宝马在自己的车动力系统中设计的ORC设备。国内的ORC行业其实也算差，年前的时候我曾经去武汉一家垃圾发电企业，长江动力集团就在那里成功并网了一台ORC机组，而且运行不错。我看到的数据是，欧美发达国家对于低温余热的利用能达到60%的水平，而我们只要30%，如果这个数字属实，那么我们未来的进步空间还是很大的。当然，这其中就会牵扯到成本问题，一般的企业可能也是无力投入。不过如果有一些政策导向，依托目前国内的技术，ORC还是很有希望释放产能，最终走向批量生产的。朗肯循环这项技术我们已经掌握了近两百年，但是我们还需要很长的路将它付诸实践。道阻且长，不过未来还是要充满期待，最后我们用一个美国小伙给非洲送来一台ORC发电机的故事作为文章的结尾。如您对ORC发电有想法或者需要，可以留言私信，我会尽全力为您解答！

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