火力發電繞不開的經典物理學——朗肯循環

1819年8月25日，英國著明的發明家詹姆斯.瓦特帶著無數的榮譽離開了我們這個世界，瓦特是蒸汽機的發明人，而第一次工業革命則就是從蒸汽機開始的。瓦特的貢獻被寫進了各國的史書，人類步入工業時代，蒸汽機的發明是重要的標誌。

歷史總是有他的片面性，瓦特的貢獻自然巨大，不過如果離開了另外一位與瓦特同樣偉大的科學家，那麼人類的文明進程恐怕還要被推後很多年。這個人在瓦特離世後的第二年出生，與瓦特一樣也是蘇格蘭人，他就是W.J.M. Rankine（朗肯）。

如果說瓦特給蒸汽時代帶來了動力，那麼朗肯則是將蒸汽時代推向可行性利用的人，他提出了以水蒸汽作為製冷劑的一種實際的循環過程，主要包括等熵壓縮、等壓冷凝、等熵膨脹、以及一個等壓吸熱過程。可以用來制熱，也可以用來製冷。沒錯，這就是著名的「朗肯循環」。

而熟悉火力發電廠的朋友也會很熟悉這句話，我們將這段話翻譯過來就是，加熱水使成蒸汽，蒸汽壓力推動汽輪機旋轉。在這個過程中，就是朗肯循環的原理。

可以說火電廠使用的最基本的物理原理就是「朗肯循環」！

如今兩百年過去了，我們的火電廠雖然較之以前有了很大的進步，但是仍然沒有擺脫「朗肯循環」這個基礎物理原理。這讓我想起了《三體》中丁儀的一句話，「你們知道我這些年都在幹什麼嗎？我在大學裡教物理，還帶博士生。……孩子們啊，我這兩個世紀以前的人了，現在居然還能在大學裡教物理。」

恰好兩百年了，我們的基礎物理幾乎沒有進步！如果朗肯還活著，那麼他一定還可以在當今最好的大學帶博士生。

如果瓦特和朗肯活在同一時代，那麼可能會誕生蒸汽機，但是未必會發現朗肯循環原理。上帝在創造世界的時候順便給每個人安排了任務，所以你儘管努力，老天自有安排。

如今兩百年過去了，那麼我們對「朗肯循環」的使用到了什麼地步！

很遺憾的告訴大家，從目前的情況看，我們對於這個原理的使用只是處在一個極為表面的時代。我們只是將這個原理用在了大型火力發電廠，但是我們沒有對這個原理進行進一步的優化。很多人對我的這個觀點不敢苟同，但是事實不會撒謊。

我們目前的火力發電廠，燃料燃燒產生的熱量只有不到50%被做功，其餘的熱量可以說被完全浪費掉了。雖然我們在汽輪機和鍋爐的設計上增加了省煤器、預熱器、再熱、二次再熱這些系統，但是很遺憾對於整個熱量的利用提升有限。我看到一些新上大型活力發電機組的宣傳資料說機組的熱效率提高了多少個百分比，但是那是相對於原來的機組熱效率，並不是針對整個化石燃料的燃燒來說的。

不過，朗肯循環還是為解決這個問題保留了方法。這個方法就是有機朗肯循環，我們簡稱ORC。所謂ORC就是使用有機工質（O）作為朗肯（R）循環（C）的介質，而之前我們用水作為介質，就可以簡稱WRC。

那麼ORC如何能做到提高循環的效率，如何做到提高化石燃料的使用率的呢？我們可以從下圖進行分析。

有機工質通過蒸發器，與餘熱進行熱交換，有機工質的沸點較低，迅速膨脹為蒸氣，進入膨脹機做功，完成發電的過程。這裡的關鍵在於有機工質，選擇合適的有機工質可以大大提高整個機組的熱效率。而我們的餘熱源可以是煙氣、抽汽、低熱、光熱甚至是汽車尾氣等。有關資料顯示，只要餘熱源溫度在70℃以上，就可以實現將有機工質變為動力蒸氣進行做功。

如此完美的解決方案，是什麼時候被發現的呢？

我查到的最早的資料是上世紀50年代，沒錯是70年前，跟你老家房子的產權是一樣的。

所以很多人就有了疑問，既然技術這麼早就有了，為什麼沒見到被大規模使用？

關於這個問題我在初涉這個行業的時候也有疑問，後來隨著研究的深入，我得出了兩個原因。

第一個是技術原因，雖然我們發現了ORC這項技術，同時付諸了實踐，但是代價是很昂貴的。首先是膨脹機技術，無論是螺杆機還是透平機，都不能再使用ORC技術時做到功率很大，一般1MW的機組就算是ORC的大機組，換算作RMB,每度電的發電成本都在10000RMB以上。這就導致了很多有餘熱資源的企業打了退堂鼓，這樣的成本投入，收回成本估計至少六年以上。而且你還要考慮設備維護、機組的正常運轉周期等。

第二個原因是政策原因，我查了一下，自從2008年開始，各大論文網站關於ORC的文章激增，主要原因是國家在環保力度加大之後，廢熱資源的綜合利用被提上了日程。但是，國家對於ORC發電的上網電價等政策不明朗，造成審批難、上網難，所以對於一些有實力的大企業開始另闢蹊徑，放棄了ORC發電。

如果是這樣的話，ORC發電還有沒有希望呢？

涉足這個行業已經半年多了，我從來沒有懷疑過ORC的未來！首先，到目前為止ORC仍然是解決化石燃料燃燒利用率的有效途徑，這在全世界得到了公認。這個市場一旦開啟，將是萬億規模之巨大，因此前途是不用懷疑的。

其次，國內國際的科研院所、大學機構、企業都沒有放棄ORC這項技術的研發。大家都在努力把ORC產品的價格打下來，因此一旦有了更加成熟的產品，那麼市場就會被開啟，ORC的春天將不期而至。

目前可以了解到的ORC成功的案例，包括美國普惠動力公司2009年在加州建立的ORC&34;地熱電站，以及寶馬在自己的車動力系統中設計的ORC設備。

國內的ORC行業其實也算差，年前的時候我曾經去武漢一家垃圾發電企業，長江動力集團就在那裡成功併網了一臺ORC機組，而且運行不錯。我看到的數據是，歐美發達國家對於低溫餘熱的利用能達到60%的水平，而我們只要30%，如果這個數字屬實，那麼我們未來的進步空間還是很大的。當然，這其中就會牽扯到成本問題，一般的企業可能也是無力投入。

不過如果有一些政策導向，依託目前國內的技術，ORC還是很有希望釋放產能，最終走向批量生產的。朗肯循環這項技術我們已經掌握了近兩百年，但是我們還需要很長的路將它付諸實踐。

道阻且長，不過未來還是要充滿期待！如您對ORC發電有想法或者需要，可以留言私信，我會盡全力為您解答！