蒸汽动力：21世纪仍驱动着我们

我们生活在一个由蒸汽驱动的文明中。我们大多数人没有注意到它在维持照明方面的作用，但蒸汽动力几乎无处不在。无论发电厂使用何种燃料——煤炭、天然气、石油、铀——它们都服务于一个目的：烧水产生高压蒸汽，驱动涡轮机叶片，从而产生电力。即使是迄今为止设想过的最先进的发电厂——一个目前正在法国建造的大型实验性核聚变项目——本质上只是一个极其复杂的锅炉。

在我们对热能的现代依赖（及其可能的用途）方面，没有任何地方比纽约更能体现了，这个城市字面上是建立在蒸汽之上的。

纽约：蒸汽之城

在纽约及世界各地其他大城市，蒸汽不仅仅是在发电厂发电：它还直接通过管道输送到建筑物中用于供暖、制冷和其他用途。曼哈顿的蒸汽服务始于1881年，当时纽约蒸汽公司（NY Steam Corporation）的单座发电厂那座225英尺高的烟囱是曼哈顿的第二高建筑，仅次于三一教堂的尖顶。如今，超过100英里的蒸汽管道埋在纽约路面下5至8英尺处，就在地铁隧道上方，嵌入混凝土中以防止意外施工损坏。

“我们估计有250万到300万人受到蒸汽系统的影响，”纽约康爱迪生公司（Con Edison）的蒸汽分销总经理弗兰克·库莫（Frank Cuomo）说——这大约是该市官方人口的三分之一。他如数家珍地说出了康爱迪生公司蒸汽供暖客户的一些名字，这份名单包括世界上许多最具传奇色彩的房地产：中央车站、帝国大厦、新的世界贸易中心综合体以及9/11纪念馆的双重倒影池。“倒影池也由蒸汽供暖，以确保它们在整个冬季都能运行，不会结冰，”库莫说。

康爱迪生公司目前在该市有五座发电厂，在高峰时段每小时使用天然气烧开超过一百万加仑的水。“没有蒸汽动力，这座城市的标志性天际线看起来会截然不同，”康爱迪生公司东河发电站（East River Generating Station）的厂长迈克尔·布朗（Michael Brown）说。“每栋建筑都会有一个烟囱，因为它们需要自己的内燃式锅炉。你将看到像伦敦工业革命一样的烟囱。”

纽约市快速事实

• 蒸汽为9/11纪念馆的倒影池供暖。

• 曼哈顿熨斗区（Flat Iron district）的Beecher’s Handmade Cheese使用蒸汽加热其凝乳。

• 曼哈顿东村的一个发电厂提供了该市约一半的蒸汽。该厂的九个锅炉中有四个非常巨大——约10层楼高。该设施位于洪水区，在超级风暴“桑迪”（Superstorm Sandy）期间曾遭受严重破坏，因此关键设备已被抬高。

• 公园大道432号（432 Park Avenue）纤细的占地面积之所以可行，是因为它在较低楼层不需要自己笨重的供暖系统。

• Memorial Sloan Kettering医院每天使用蒸汽消毒数百个手术托盘。

• 古根海姆博物馆（Guggenheim Museum）和美国自然历史博物馆（American Museum of Natural History）使用蒸汽供暖来调节其许多宽敞展厅的湿度。

蒸汽如何驱动城市

在每个发电厂，发电都始于锅炉，锅炉将水加热成蒸汽(1)。水在使用前必须进行净化，以防止在大多数锅炉中产生沉淀物。管道随后将高压蒸汽输送到涡轮机叶片(2)。蒸汽的冲击驱动涡轮机叶片旋转，这些叶片通过轴连接到发电机(3)。在发电机内部，连接到旋转轴的是放置在磁铁之间的铜线圈。旋转线圈与磁铁之间的电磁相互作用产生电流(4)，然后可以将其输送给消费者(5)。

发生意外时

城市街道下的蒸汽管道在高压下运行。爆炸并不常发生，但一旦发生，就会造成毁灭性后果。例如，2018年7月，纽约熨斗区发生蒸汽管道爆裂，将石棉和其他碎片散落到几个街区，迫使49栋建筑疏散。一年前，巴尔的摩坎登球场（Camden Yards）附近发生地下蒸汽管道爆炸，将碎片扩散到整个街区，造成五人受伤。2007年，中央车站附近发生蒸汽管道爆炸，将400度的蒸汽和泥浆喷射成一股高达附近77层高的克莱斯勒大厦顶部的喷泉。

令人惊讶的是，这些结构性故障通常不是由陈旧、磨损的管道引起的。“这与系统的年龄无关，”康爱迪生公司经理库莫说。去年7月爆裂的管道是1924年投入使用的，但当它被拆除时，它处于“相当好的状态”。

那么是什么导致了爆炸呢？它们都围绕着一个因素：水锤。

水锤时刻

当大雨或供水管道泄漏的水积聚在蒸汽管道周围时，内部的蒸汽会冷却并迅速凝结，形成一列水。周围蒸汽的压力会加速水柱，形成液态的撞击物——水锤——从而导致管道破裂。与蒸汽不同，液态水基本不可压缩，这意味着它不会吸收任何冲击力，因此水锤会以毁灭性的力量撞击管道。这种现象的微缩版本会产生你在蒸汽散热器里听到的敲击声。

纽约和其他城市的工程师部署了监测系统来跟踪旨在防止水积聚在蒸汽管道周围的“疏水阀”。

快速事实

冰岛位于地质活跃的中大西洋海岭板块之间，约27%的电力来自地热能。深井抽取地下高压热水储层，为冰岛六个地热电站的涡轮机提供蒸汽。

亚历山大港的希罗（Heron of Alexandria）被认为是公元一世纪发明了第一台蒸汽机。他的aeolipile，或称“风球”，包括一个密封的球形容器，装满水并在明火上加热。蒸汽从球体表面的两个喷嘴喷出，使其旋转。希罗将该装置视为一个没有实际用途的玩具。

如果你曾自助取餐或在自助餐厅吃过饭，你一定见过蒸汽台，它能让食物盘的底部和四侧保持热度。蒸汽的热传递效率是水的五倍，比空气高12%。

蒸汽风笛——也称为蒸汽管风琴——通过将蒸汽强制通过哨管发出声音。键盘控制热气流进入管中。

超越蒸汽

“蒸汽时代”始于200多年前，詹姆斯·瓦特（James Watt）发明了第一台高效蒸汽机。但如果一项正在测试的新技术成功了，蒸汽对我们电网的垄断可能就结束了。一家位于北卡罗来纳州达勒姆的公司NET Power开发了一种根本性新型发电厂，该厂使用二氧化碳而非蒸汽。值得注意的是，它可以在不排放任何温室气体的情况下燃烧化石燃料。

位于德克萨斯州拉波特（La Porte）的示范工厂已于去年建成。它在纯氧而非普通空气中燃烧天然气，产生加热加压的“超临界”二氧化碳来驱动涡轮机叶片。超临界物质结合了液体和气体的特性：它们像液体一样流动，或者像气体一样填充空体积。由于超临界二氧化碳的密度比蒸汽大，它每单位体积的能量更大，可以将更多的能量传递给叶片。在驱动叶片后，超临界气体可以被输送到地下储存，无需任何特殊设备即可捕获所有温室气体。这些工厂以水为唯一排放物，可能在低碳未来中发挥关键作用。