近日華能公司投產(chǎn)的二氧化碳發(fā)電項(xiàng)目的新聞引起了熱議，雖然裝機(jī)只有5MW，但是在目前的低溫介質(zhì)發(fā)電中絕對(duì)屬于大機(jī)組了。很多人不太理解，二氧化碳是怎么發(fā)電的？其實(shí)，這就是朗肯循環(huán)發(fā)電的一種形式，我們?nèi)粘＝獬睦士涎h(huán)使用的介質(zhì)是水，之前筆者在工作中還接觸過(guò)用一些有機(jī)工質(zhì)，而新聞中使用的是二氧化碳。
為何選擇二氧化碳？首先二氧化碳是一種不活潑介質(zhì)，而且沸點(diǎn)在零下五十幾度的樣子，這樣就可以保證在極低的溫度下將二氧化碳?xì)饣苿?dòng)汽輪機(jī)做功，也就是說(shuō)可以比水更容易變成推動(dòng)力，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)于這個(gè)原理，在很早的時(shí)候，筆者寫過(guò)一篇文章，再次拿出來(lái)，與大家分享。
1819年8月25日，英國(guó)著明的發(fā)明家詹姆斯.瓦特帶著無(wú)數(shù)的榮譽(yù)離開了我們這個(gè)世界，瓦特是蒸汽機(jī)的發(fā)明人，而第一次工業(yè)革命則就是從蒸汽機(jī)開始的。瓦特的貢獻(xiàn)被寫進(jìn)了各國(guó)的史書，人類步入工業(yè)時(shí)代，蒸汽機(jī)的發(fā)明是重要的標(biāo)志。
歷史總是有他的片面性，瓦特的貢獻(xiàn)自然巨大，不過(guò)如果離開了另外一位與瓦特同樣偉大的科學(xué)家，那么人類的文明進(jìn)程恐怕還要被推后很多年。這個(gè)人在瓦特離世后的第二年出生，與瓦特一樣也是蘇格蘭人，他就是W.J.M. Rankine(朗肯)。
詹姆斯.瓦特 JAMES WATT和朗肯 W.J.M.Rankine
如果說(shuō)瓦特給蒸汽時(shí)代帶來(lái)了動(dòng)力，那么朗肯則是將蒸汽時(shí)代推向可行性利用的人，他提出了以水蒸汽作為制冷劑的一種實(shí)際的循環(huán)過(guò)程，主要包括等熵壓縮、等壓冷凝、等熵膨脹、以及一個(gè)等壓吸熱過(guò)程。可以用來(lái)制熱，也可以用來(lái)制冷。沒(méi)錯(cuò)，這就是著名的“朗肯循環(huán)”。
而熟悉火力發(fā)電廠的朋友也會(huì)很熟悉這句話，我們將這段話翻譯過(guò)來(lái)就是，加熱水使成蒸汽，蒸汽壓力推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，就是朗肯循環(huán)的原理。
可以說(shuō)火電廠使用的最基本的物理原理就是“朗肯循環(huán)”！
如今兩百年過(guò)去了，我們的火電廠雖然較之以前有了很大的進(jìn)步，但是仍然沒(méi)有擺脫“朗肯循環(huán)”這個(gè)基礎(chǔ)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干什么嗎？我在大學(xué)里教物理，還帶博士生。……孩子們啊，我這兩個(gè)世紀(jì)以前的人了，現(xiàn)在居然還能在大學(xué)里教物理。”
恰好兩百年了，我們的基礎(chǔ)物理幾乎沒(méi)有進(jìn)步！如果朗肯還活著，那么他一定還可以在當(dāng)今最好的大學(xué)帶博士生。
如果瓦特和朗肯活在同一時(shí)代，那么可能會(huì)誕生蒸汽機(jī)，但是未必會(huì)發(fā)現(xiàn)朗肯循環(huán)原理。上帝在創(chuàng)造世界的時(shí)候順便給每個(gè)人安排了任務(wù)，所以你盡管努力，老天自有安排。
如今兩百年過(guò)去了，那么我們對(duì)“朗肯循環(huán)”的使用到了什么地步！
很遺憾的告訴大家，從目前的情況看，我們對(duì)于這個(gè)原理的使用只是處在一個(gè)極為表面的時(shí)代。我們只是將這個(gè)原理用在了大型火力發(fā)電廠，但是我們沒(méi)有對(duì)這個(gè)原理進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。很多人對(duì)筆者的這個(gè)觀點(diǎn)不敢茍同，但是事實(shí)不會(huì)撒謊。
我們目前的火力發(fā)電廠，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量只有不到50%被做功，其余的熱量可以說(shuō)被完全浪費(fèi)掉了。雖然我們?cè)谄啓C(jī)和鍋爐的設(shè)計(jì)上增加了省煤器、預(yù)熱器、再熱、二次再熱這些系統(tǒng)，但是很遺憾對(duì)于整個(gè)熱量的利用提升有限。我看到一些新上大型活力發(fā)電機(jī)組的宣傳資料說(shuō)機(jī)組的熱效率提高了多少個(gè)百分比，但是那是相對(duì)于原來(lái)的機(jī)組熱效率，并不是針對(duì)整個(gè)化石燃料的燃燒來(lái)說(shuō)的。
不過(guò)，朗肯循環(huán)還是為解決這個(gè)問(wèn)題保留了方法。這個(gè)方法就是有機(jī)朗肯循環(huán)，我們簡(jiǎn)稱ORC。所謂ORC就是使用有機(jī)工質(zhì)(O)作為朗肯(R)循環(huán)(C)的介質(zhì)，而之前我們用水作為介質(zhì)，就可以簡(jiǎn)稱WRC。
那么ORC如何能做到提高循環(huán)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(jìn)行分析。
有機(jī)工質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)器，與余熱進(jìn)行熱交換，有機(jī)工質(zhì)的沸點(diǎn)較低，迅速膨脹為蒸氣，進(jìn)入膨脹機(jī)做功，完成發(fā)電的過(guò)程。這里的關(guān)鍵在于有機(jī)工質(zhì)，選擇合適的有機(jī)工質(zhì)可以大大提高整個(gè)機(jī)組的熱效率。而我們的余熱源可以是煙氣、抽汽、低熱、光熱甚至是汽車尾氣等。有關(guān)資料顯示，只要余熱源溫度在70℃以上，就可以實(shí)現(xiàn)將有機(jī)工質(zhì)變?yōu)閯?dòng)力蒸氣進(jìn)行做功。
如此完美的解決方案，是什么時(shí)候被發(fā)現(xiàn)的呢？
筆者查到的最早的資料是上世紀(jì)50年代，沒(méi)錯(cuò)是70年前，跟你老家房子的產(chǎn)權(quán)是一樣的。
所以很多人就有了疑問(wèn)，既然技術(shù)這么早就有了，為什么沒(méi)見(jiàn)到被大規(guī)模使用？
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題筆者在初涉這個(gè)行業(yè)的時(shí)候也有疑問(wèn)，后來(lái)隨著研究的深入，筆者得出了兩個(gè)原因。
第一個(gè)是技術(shù)原因，雖然我們發(fā)現(xiàn)了ORC這項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)付諸了實(shí)踐，但是代價(jià)是很昂貴的。首先是膨脹機(jī)技術(shù)，無(wú)論是螺桿機(jī)還是透平機(jī)，都不能再使用ORC技術(shù)時(shí)做到功率很大，一般1MW的機(jī)組就算是ORC的大機(jī)組，換算作RMB，每度電的發(fā)電成本都在10000RMB以上。這就導(dǎo)致了很多有余熱資源的企業(yè)打了退堂鼓，這樣的成本投入，收回成本估計(jì)至少六年以上。而且你還要考慮設(shè)備維護(hù)、機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)周期等。
第二個(gè)原因是政策原因，我查了一下，自從2008年開始，各大論文網(wǎng)站關(guān)于ORC的文章激增，主要原因是國(guó)家在環(huán)保力度加大之后，廢熱資源的綜合利用被提上了日程。但是，國(guó)家對(duì)于ORC發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)等政策不明朗，造成審批難、上網(wǎng)難，所以對(duì)于一些有實(shí)力的大企業(yè)開始另辟蹊徑，放棄了ORC發(fā)電。
如果是這樣的話，ORC發(fā)電還有沒(méi)有希望呢？
涉足這個(gè)行業(yè)已經(jīng)半年多了，我從來(lái)沒(méi)有懷疑過(guò)ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))的未來(lái)！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(rèn)。這個(gè)市場(chǎng)一旦開啟，將是萬(wàn)億規(guī)模之巨大，因此前途是不用懷疑的。
其次，國(guó)內(nèi)國(guó)際的科研院所、大學(xué)機(jī)構(gòu)、企業(yè)都沒(méi)有放棄ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。大家都在努力把ORC產(chǎn)品的價(jià)格打下來(lái)，因此一旦有了更加成熟的產(chǎn)品，那么市場(chǎng)就會(huì)被開啟，ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))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(guó)普惠動(dòng)力公司2009年在加州建立的ORC"集群式"地?zé)犭娬荆约皩汃R在自己的車動(dòng)力系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的ORC設(shè)備。
國(guó)內(nèi)的ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))行業(yè)其實(shí)也算差，年前的時(shí)候筆者曾經(jīng)去武漢一家垃圾發(fā)電企業(yè)，長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)就在那里成功并網(wǎng)了一臺(tái)ORC機(jī)組，而且運(yùn)行不錯(cuò)。我看到的數(shù)據(jù)是，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于低溫余熱的利用能達(dá)到60%的水平，而我們只有30%，如果這個(gè)數(shù)字屬實(shí)，那么我們未來(lái)的進(jìn)步空間還是很大的。當(dāng)然，這其中就會(huì)牽扯到成本問(wèn)題，一般的企業(yè)可能也是無(wú)力投入。
不過(guò)如果有一些政策導(dǎo)向，依托目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)，ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))還是很有希望釋放產(chǎn)能，最終走向批量生產(chǎn)的。朗肯循環(huán)這項(xiàng)技術(shù)我們已經(jīng)掌握了近兩百年，但是我們還需要很長(zhǎng)的路將它付諸實(shí)踐。
作者：貓 不捉老鼠
