ORC科普3-创业小王子Turboden

        上一次，咱们聊了ORC行业老大，ORAMT的创业故事。这一次，咱们继续聊聊ORC领域另外一个大咖，Turboden的那些事。

        Turboden的前世今生
        Turboden是ORC行业里面，发展最快的公司，目前的运行的ORC机组（项目）已经有362套，遍布世界上40个国家，是全世界拥有ORC机组最多的公司。机组总装机量565MW(ORMAT2017年的装机量为2500MW)，在装机容量上应该是世界第二大。那Turboden是从怎么来的呢？这还得从上个世纪70年代开始说起。
        在ORMAT公司成立后，影响不小。研究ORC机组的风吹到了意大利，在意大利米兰理工大学有一个比较厉害的教授，叫G，angelino，开始带着Ennio Macchi 和Mario Gaia. 来搞ORC透平的设计。外国人名字老难记，咱们就分别用按顺序用G，E和M来分别代表这三个人吧。一开始他们主要关注在太阳能的ORC发电利用上，可以说那一批前后的科学家，对实现太阳能利用是情有独钟，也可以说是一种情怀吧。这三个研究人员当中呢，M是个富二代，自己的家族里面有企业。所以他们设计的第一台3kW的原型机就在M家的家族企业中做出来了。第一台样机以热水为热源，温度90℃，使用冷水冷却，冷水温度15℃，工质采用Perchloro-ethylene （全氯乙烯），第一台机组能运行起来，虽然效率不高，但三人都很兴奋，毕竟技术走通了，觉得这个事情可以搞。得弄个大一点，效率高一点的机组才行。所以他们转年，也就是1978年他们在澳大利亚搞了一个35kW的太阳能ORC机组，导热油 集热温度280℃，冷却水为25℃，工质采用Perfluoro-dimethylcyclohexane（全氟-1,3-二甲基环己烷）。这种工质大家也许比较陌生，但对于搞ORC热力系统设计的人应该有个朦胧的概念，就是对于高温ORC系统，临界温度越高的工质，热效率往往也比较高。那C8F16的临界点是多少度呢？241℃，这个温度已经比咱们常用的R245fa（临界温度154℃）已经高出许多（其他物性放在下表中，感兴趣的自己研究）。实际上，他们这个机组的理论热效率达到了23.6%。因为工质比焓降较大，透平采用了一个4级轴流透平， 在这期间他们也尝试设计几款其他的径流透平。

        当这些验证都通过后，这三人坐不住了，这个事情可以搞啊，因为M有钱，所以他就成立了公司，而G和E给他当技术支持。再说回来，这M是谁呢？就是Turboden的创始人，这也就是Turboden的由来。G，angelino教授已在前几年过世，而Ennio Macchi 教授仍在米兰理工大学，也一直活跃在ORC的学术圈。他的一些学术资料我放在文末供参考[1]。G，angelino也有不少文章影响力很大，我在文末[2]也给出一篇当年他设计一个100kW透平的论文，感兴趣的人可以看看。
        Turboden 成立后，刚开始的目标是在太阳能上，但很快，他经历了和ORMAT一样的尴尬，太阳能系统的经济性太差。随后，他们也把焦点转向地热能。1988年他们在Zambia成功运行了一个100kW的地热电站使用tetrachloroethylene，四氯乙烯，由于环境温度了热源温度都比较低，这个ORC系是不需要工质泵的，这点小编很感兴趣，不需要工质泵的ORC系统听起来还是挺新奇的，要是有机会去现场看一下就好了。比较可惜的是，这套ORC系统因为容量小，经济效益也是一般。Turboden并没有大力推广。

        两次碰壁后，他们决定聚焦中高温热源，以提高机组效率和经济性。这一次他们把目光转向高温高效的微型ORC系统。 其实出发点很简单，要是这种机组能像空调一样走进千家万户，那市场空间是极大的。而这种微型的系统，只需要极为简单的原料——木头。小编现在德国体会到，欧洲的绿化很好，到处是森林，木头实在太多了。而且欧洲人居住得比较分散，好些都是独栋别墅，这种分布式的发电系统还真是合适，并且这个机组做得很紧凑，很漂亮啊，有木有（见下图）。虽然这个想法很激动人心，但事与愿违，这款机组也没有得到大面积运用。但这一台机组为Turboden在生物质能ORC机组的发展积累了经验。

        Turboden真正发展的春天是在1997年，它放弃了小型的生物质能ORC系统，开始建立一个300kW的生物质能系统。而这个系统采用了所谓的模块化设计，就是整个机组是安装一个整体的模块上，这样电站的运输和安装都极为方便。而且这种机组启动快，便于安装，很适合一些中小企业，加入热电联供的功能，经济性大幅提升，所以在德国，澳大利亚，意大利和其他北欧国家市场很受欢迎。 Turboden在2000-2009年间的装机量基本呈指数型上涨，经过这十年发展，Turboden在生物质能发电方面已经是无可辩驳的霸主。到目前为止，生物质ORC机组仍是Turboden中的王牌，在他362座ORC电站中，其中有300座是生物质能的。而他最早关注的太阳能ORC电站，只有2座，而且都是近年做的。

        2009年，Turboden在经历了春光灿烂的十年后，似乎遇见了美妙的爱情，被一个美国土豪UTC看上了，从此嫁入豪门。UTC占股份51%，Turbonden占股49%。UTC是什么来头？美国500强排行榜中，排名第50，其他看链接吧[3]。可惜好景不长，2013年离婚，被打包卖给了日本的三菱重工。豪门一堕深似海，从此萧郎是路人。商人重利轻离别啊，有木有?

        **Turboden的机组特点 **
        从前面的分析我们可以看出，Turboden的机组类型很多，各种热源的都有，我们拣最典型的生物质能ORC机组来说吧，小编已经将系统的主要部件都标在下图上了。

        热 源 − 锅 炉 \color{lime}{热源-锅炉} 热源−锅炉
        生物质锅炉，也有烧石油或天然气的，因为导热油的温度只要求到300℃，小编想，是不是垃圾焚烧锅炉也能到这个温度。锅炉里面的结构和流动，可以看视频中意大利工程师的介绍。（尴尬，微信公众号国外居然不能传视频了，有需要的加微信，私下传吧）

        换 热 器 \color{lime}{换热器} 换热器
        可以看出来，除了常规的蒸发器和冷凝器外，这套机组还多了两个换热器，一个是蒸发器之前的预热器，一个是冷凝器里面的回热器。把回热器设计在冷凝器里面，这个设计挺巧妙的，减少整个系统体积，也提高换热效率，这应该是Turboden的首创，当然肚子里装了个回热器，也就让这个冷凝器看起来特别肥大。使用这么多换热器，主要是由其使用的工质决定的，因为干性工质在透平出口的过热度很大。

        透 平 \color{lime}{透平} 透平
        Turbonden采用的轴流透平，这在学术上也基本达成共识，功率在1MW以上的ORC机组，基本采用轴流透平，效率比较高。

        冷 源 − 蒸 汽 \color{lime}{冷源-蒸汽} 冷源−蒸汽
        很多工业生产的工业中是需要低压蒸汽的，有不少单位直接用烧锅炉来产这种蒸汽，Turboden的这种机组可以说在这种工业中，把热量用到了极致，因为冷却水冷却工质后，变成的低压蒸汽，供下游使用。这样机组的热效率能达90%以上，经济性也比较好。

        装 机 量 和 热 效 率 \color{lime}{装机量和热效率} 装机量和热效率
        Turboden机组的平均功率为1.5MW，多数都是通过导热油作为中间导热介质，热油温度300℃，热效率在18-25%。2014年，Turbodon在加拿大建立了两个比较大的生物质发电系统，环戊烷为工质，导热油最高温度315℃，毛效率达25%，这个应该是商用ORC机组里面效率最高的了。
        下面这张Turboden的机组分布图，对我国准备发展ORC业务的企业还是有指导意义的。多高的温度，多大的热源适合发展ORC机组呢？Turboden的这张图应该提供了一个初步的回答。

        近年，Turboden为了提高效益，向老大ORMAT看齐，开始做大型地热ORC机组，这一动手也是有板有眼。这宣传视频的质量直接就盖过ORMAT了，Turboden做事还是很认真的。

        给ORC创业者的启示
        Turboden就像一个创业小王子一样，他的成长过程可以给我们现在许多初创的ORC相关单位一些提醒和启示

        掌 握 核 心 科 技 ， 掌 握 透 平 的 设 计 。 \color{lime}{掌握核心科技，掌握透平的设计。} 掌握核心科技，掌握透平的设计。
        Ormat，Turbonden，以及后续小编要介绍的单位，都是从透平设计开始的。在ORC系统中，只要掌握透平的设计，其他部件的设计是个优化问题。

        思 路 活 ， 改 变 快 。 \color{lime}{思路活，改变快。} 思路活，改变快。
        Turbonden前几个机型都有不错的设计理念，但是当时市场是不接受的，这个需要常常调整自己，看看现阶段我们市场比较需要的产品是怎样的。同样适合国外的，不一定就适合国内，我们国内的ORC设计单位也需要注意这一点，更好的认识国内市场。

        坚 忍 不 拔 ， 不 放 弃 。 \color{lime}{坚忍不拔，不放弃。} 坚忍不拔，不放弃。
        Turboden在迎来发展之前，应该碰壁过三次，开始向太阳能，随后搞地热，再到搞小型生物质ORC系统。然而这三次失败，没有毁掉Turboden，它在一步步积累自己技术的等待中，终于迎来曙光。你看它的Logo就是一个风中的帆船，代表着一种一往直前，不惧风浪的企业文化。正处在摸索阶段的中国ORC设计生产单位，也许也要经过这个阶段。坚持住！

        长 期 和 高 校 合 作 ， 创 新 不 断 。 \color{lime}{长期和高校合作，创新不断。} 长期和高校合作，创新不断。
        可以说是意大利米兰理工大学孕育了Turboden，高校的技术支持给Turboden提供了源源不断的前进动力，这也是我们看它技术转型和更新很快的原因之一，是一个比较好的产学研相结合的范例企业。近年Turboden又高调宣布，要和米兰理工大学再度联手，开发以R134a为工质的超临界ORC发电机组，样机功率为500kW。目标是用在地热发电，而工业机组的量级要比这个样机的几十倍。超临界机组主要是为了提高效率，而目前世界上运行的超临界ORC机组几乎没有，我们还是有机会的。

        一点悲伤的事
        最后要聊点悲伤的事，这事起源呢来自ORC界的后期之秀Exergy公司对学术大牛Ennio Macchi 教授的一段采访，Ennio Macchi就是咱们前面说的Turboden创始人的师兄。

        Exergy： 意大利米兰理工大学和美国曾经是ORC研究的领导者，然而这种现象正常被中国超越，（小编注：米兰理工现在发表的ORC论文量在全球的机构中排名第五，而前四名的机构全部来自中国，大家可以默默猜一下是哪四所），当为什么中国的工业界现在还很少有像样的ORC机组呢？
        Ennio Macchi：中国哪个领域发论文都多，但是别太在意，在科学和工程领域，发表论文数量不算数，主要看质量和原创性思维。 （附原话：China nowadays is a global power in almost all sectors. I don’t think we should overrate the importance of such a high number ofscientific articles regarding ORC from Chinese authors: in science and intechnology the number of publications is not what counts, the quality and theoriginal ideas that each article communicates are important.）原文对话的链接放在[3]
        作为ORC发电技术的研究人员，我感觉这一巴掌火辣辣的呀，国家不是没投钱，那数以千计的论文都是一个个项目，一堆堆钱堆出来的，为什么我们还几乎没有像样的ORC机组呢？小编《ORC发电的那点事》提到的体会，可能是个重要原因。衷心希望我们国家早点有自己的ORC机组，有自己的ORC设计企业，毕竟那么多工业余热，那么多地热，还有那么雾霾等着我们呢！而且国内像G. Angelino 教授那样配置的科研团队比比皆是，有机会的，加油！

参考资料
[1]Ennio Macchi 教授的资料链接

[2] G. Angelino的ORC透平设计论文
[3]UTC
[4]Exergy 和Ennio Macchi 的对话

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标签：小王子,工质,机组,Turboden,透平,ORC,lime
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