关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们屡获殊荣的新闻报道，以支持我们的工作。 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保未来关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的持续发布。
现代电网旋转的核心是过去被称为发电机的装置——一个由在电磁场中旋转的铜线堆组成的装置。但是驱动发电机旋转的是涡轮机——为了从智能电网中榨取更多效率、减少温室气体排放和其他污染，可能需要改进这项核心技术。
“最好的减排方式是不产生排放，”阿尔斯通电力公司技术高级副总裁查尔斯·苏希尔指出，该公司是涡轮机制造商。
将水加热成蒸汽以驱动涡轮机旋转是大多数发电的基本原理。例如，如今，西弗吉尼亚州新黑文的登山者发电厂的燃烧炉每分钟消耗近14,000公斤煤，使该电厂能够输出1,300兆瓦的电力。蒸汽温度高达500摄氏度以上，通过管道流入并围绕涡轮机——一个200公吨重、30米长的钢轴，配备了叶片和翼片，以便在蒸汽膨胀和冷却时帮助它旋转。
这种机械旋转反过来又使磁场中的铜管旋转。这会在铜中产生电流，然后电流流经现代电网——一个巨大的电路——到达您的家中。
“蒸汽涡轮机和燃气涡轮机是将蒸汽或燃气形式的能量转化为机械能和电能的手段，”苏希尔解释说。“这些机器已经存在了很长时间——超过120年。”
在那段时间里，旋转涡轮机的基本原理并没有发生太大变化。大多数发电厂——无论是燃煤、天然气、核电，甚至是风力发电——都依赖涡轮机来驱动发电机旋转并产生大量电力。改进这些涡轮机可以节省燃料并减少污染。“从提高一个百分点的效率中，你每年可以节省90亿磅的二氧化碳，”通用电气（GE）能源公司的一位工程师、总经理埃里克·格布哈特说，该公司也是一家涡轮机制造商。
旋转周期
从特殊形状的钢块制造新的蒸汽涡轮机大约需要18个月的时间，其中包括制造与人手臂一样长的钛合金叶片。最终，涡轮机将以每分钟高达3,600转的速度旋转（核电站所需的大型蒸汽涡轮机的转速为1,800转/分钟）。这些涡轮机的设计寿命至少为20年，必须承受来自高速水滴的巨大冲击，以及高达620摄氏度的高温，以及其他挑战。“设备运行温度越高，效率就越高，”苏希尔指出。
当然，钢等金属在暴露于高温时往往会软化——这会导致零件过早磨损。与钢混合的镍合金提高了涡轮机的耐热性，并可能使涡轮机到2020年能够在700摄氏度的温度下运行，苏希尔说。这样的温度将使燃煤电厂能够捕获燃煤释放能量的50%，高于目前约40%的平均水平。
通用电气正在探索使用碳纤维和碳化硅复合材料制成的陶瓷，以允许在更高的温度下运行。通用电气先进陶瓷实验室的格雷格·科曼指出，该公司目前正在其位于马萨诸塞州林恩的工厂的测试涡轮机上评估陶瓷，尽管这些新材料可能会在发电厂之前在喷气发动机涡轮机中得到应用。“这两种可能性各占一半，”他说。
未来是（天然）气的天下
尽管核电复兴可能正在进行中——并且新的涡轮机正在被改装到那些运营许可证已经延长了几十年的现有电厂中——但美国对蒸汽涡轮机的需求并不强劲，很大程度上是因为公用事业公司现在想要可以更灵活、更清洁地停止和启动的发电来源。“用电话很难启动燃煤电厂，”格布哈特说。“在碳排放受限的世界中，天然气将发挥越来越大的作用。”
事实上，鉴于核电复兴的缓慢启动和煤炭的恶名，“天然气正在填补空白，”阿尔斯通北美地区营销总监理查德·潘格拉齐说。与燃煤相比，天然气不仅在二氧化碳排放方面节省了40%，而且由于其能够在几分钟内启动的能力，还可以可靠地支持更多可变的——并且越来越受欢迎的——发电来源，例如风力涡轮机或太阳能电池板。
燃气涡轮机有多种类型，从基本上绑在地上的喷气发动机到联合循环装置，该装置在加压空气中燃烧天然气以驱动一个涡轮机旋转，然后捕获该过程产生的热量以产生蒸汽，从而驱动第二个涡轮机旋转。但它们的工作原理与蒸汽涡轮机完全相同：使用高温高压气体——在这种情况下是燃烧天然气的产物——来产生旋转。“联合循环燃气涡轮机的效率略低于60%，”苏希尔指出，其运行温度高达1300摄氏度。
陶瓷和涡轮机周围的气流有助于保护其金属部件免受高温的影响，否则这些高温会使它们熔化。“如果你失去气流，它会在几秒钟内熔化，”格布哈特指出。
干式冷却真的有效吗？
冷却仍然是所有涡轮机和所有发电面临的主要挑战。如今，大多数发电厂都依赖附近河流或湖泊的冷却水——随着淡水变得更加稀缺或受到保护，这种选择可能会消失。例如，纽约州最近要求印第安角核电站，如果想要延长其运营寿命，就必须转换为空气冷却。
不幸的是，空气冷却意味着效率的大幅降低。苏希尔指出，水冷允许操作温度和冷却温度之间存在更大的差异，这对于可以捕获的功率量至关重要。“采用空气冷却系统，涡轮机变得更小，”他说，“你会损失一点效率。”
“时至今日，还没有人发现比水更好用的流体，”通用电气结构力学和动力学实验室的机械工程师杰伊迪普·罗伊说。简而言之，它仍然是驱动涡轮机旋转和收集热量的最经济实惠的方式。随着国家对电力的需求持续增长，水可能成为症结所在——减缓涡轮机的旋转。