1 MW有机朗肯循环系统及轴流透平设计

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摘要：

基于自行开发的有机朗肯循环（ORC）系统热力计算软件设计了1 mw ORC系统.考虑到有机朗肯循环系统的特点，介绍了适合于该系统工况参数的有机工质轴流透平的设计过程.随后分析比较了应用于ORC系统的向心透平、螺杆膨胀机及轴流透平的不同特点，总结了轴流透平应用于该功率等级ORC系统的主要优点.最后，针对ORC系统设计了采用R123为工质的1 MW轴流透平，在CFD数值模拟的基础上进行了通流的优化和通流结构设计.

关键词：

轴流透平； 有机朗肯循环； 氟利昂； CFD数值模拟

中图分类号： TK 472文献标志码： A

Abstract：

A 1 MW organic rankine cycle（ORC） system was designed based on the selfdeveloped software.Considering the characteristics of ORC system，design of axial turbine with organic medium，which was suitable for this system，was parative analysis of different types of expander’s characteristics in ORC system，such as radial inflow turbine，screw expander，and axial turbine，was made.Advantages of the application of axial flow turbine to the ORC system were summarized.At the end，a 1 MW axial turbine using refrigerant R123 as working medium was designed.Optimization and structure design of flow passage were done using CFD numerical simulation.

Keywords：

axial turbine； organic rankine cycle； freon； CFD numerical simulation

随着我国经济进入高速发展阶段，经济总量逐年增大，能源消耗量也随之增大.能源是经济发展的物质基础，为保证国民经济的可持续发展，必须有可持续供应的能源作为支撑.能源消费总量巨大、能源结构不合理、单位国民生产总值（GDP）能耗过高及能源对外依存度过大等问题已经引起全社会的广泛关注.余热回收是解决上述问题的有效途径之一.

中高温余热的回收利用技术相对成熟，已经得到广泛的应用.然而，工业生产和自然环境中存在大量的低温余热，包括热水、低品位烟气、蒸汽及地热等，由于品位低，绝大部分不能被很好地再利用，回收这些余热并加以利用既有助于提高能源利用效率，又能有效减少工业生产对环境的污染，具有十分重要的意义.

有机朗肯循环（ORC）系统在回收低温余热中具有较明显的优点，是未来低温余热回收利用的发展趋势之一.西方发达国家对ORC系统技术保密，国际上一些低温余热发电设备生产商，如ORMAT、PRATT & WHITNEY、GE油气集团等，已完成对我国大型冶金企业及石油化工企业低温余热资源的初步调查，准备进入我国市场.因此，加快研究，尽快攻克ORC技术难题，增强我国ORC设备制造及配套能力已刻不容缓.2012年ORC技术被国家四部委联合收录至《重大技术装备自主创新指导目录》，这对推动低温余热利用的ORC技术发展具有重大作用.

目前国内对ORC系统及透平的研究较多，清华大学、中国科学院、中国科技大学及浙江大学等科研院所都对ORC进行了系统的研究[1-3].然而轴流透平的设计及研究没有公开的文献可查.本文采用R123为工质进行了ORC系统和轴流透平的设计.利用NUMECA软件对设计方案进行了CFD数值模拟，并对结果进行对比分析.

1有机朗肯循环系统

1.1ORC系统设计

针对温度为130～160℃的热源和27℃的冷却水的条件，所设计的ORC系统如图1所示，图中1、2、3、4均为状态点，各点主要参数如表1所示.该系统采用R123工质作为循环介质，冷凝器、蒸发器及预热器均为管壳式换热器.系统热力计算采用基于EES软件编写的程序进行计算.该程序能针对不同热源和冷源，对ORC系统进行热力计算，计算所采用的有机工质物性参数采用美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的数据.

1.2ORC与水蒸气朗肯循环的比较

ORC系统与传统水蒸气朗肯循环有着很大的差别.一般来说，轴流ORC膨胀机的单级进出气容积变化较大；透平段整体温度较低；与普通凝汽式汽轮机相比轴流透平膨胀机背压较高；就系统而言，由于低压区相对汽轮机背压依然较高，工质外漏的风险较大，且有机工质相对于水蒸气价格非常昂贵，因此系统各部件包括透平膨胀机设计都对密封的要求比较高.这些主要差别决定了ORC低温余热发电系统的一些特点.本文的设计考虑采用机械密封作为膨胀机轴端密封.由于整个系统的温度相对传统汽轮机要低很多，系统各部件的热应力较小，对结构设计，尤其是透平膨胀机转子部分的强度和材料要求不是很高.此外，相较于水蒸气朗肯循环，两者最大的区别就是工质物性参数的区别，有机工质分子量大、音速低、总焓降小、膨胀比较大.因此，透平膨胀机、换热器、工质泵和仪表阀门等的设计选型均与普通水蒸气朗肯循环不同，需要特别注意避免生搬硬套传统水蒸气的相关经验和公式.

2轴流透平的设计

2.1ORC轴流透平的热力计算

ORC轴流透平通流图如图2所示.ORC系统所用膨胀机主要有透平膨胀机、螺杆膨胀机和蜗旋膨胀机三大类，其中透平膨胀机中较为常见的为向心透平[2].轴流透平膨胀机相较于其它几类的主要优点有：① 静叶出口马赫数不高于1，变工况性能更佳；② 转速3 000 r・min-1，可以不用齿轮箱，与发电机直联；③ 低线速度对叶轮强度要求不高；④ 密封装置设计选型难度较高速透平低.

2.2ORC轴流透平的CFD数值模拟及分析

本文利用NUMECA软件对透平通流部分进行数值模拟[5]以验证一元热力计算的准确性.具体的计算方法为：

（1） 控制方程为三维雷诺平均N-S方程；

（2） 湍流模型为SpalartAllmaras单方程模型；

（3） 离散方法为空间项采用二阶中心差分格式，时间项采用四阶龙格库塔法；

（4） 动静交界面采用周向混合法（mixing plane approach）；

（5） 边界条件如表2所示，全部采用结构化网格，网格总数245万，如图3所示.

经计算，数值模拟计算值与设计值偏差不大，均在5%以内，表4为两者对比情况.由于篇幅所限加上第三级的设计为整个通流部分设计的难点，本文仅对总体结果和第三级部分参数进行对比分析.

从CFD数值模拟结果来看，轴流透平各级从10%叶高到90%叶高处流线均较为光顺，没有在叶片内弧与背弧处检测到流动的附面层分离和涡的存在，如图4所示.图5为第三级50%叶高密度云图.从图5可以看出，在静叶喉部下游背弧处有一低密度区.这是由喉部工质气体达到临界状态后气流的突然膨胀及气流偏转所致.在流线图中没有捕捉到涡的存在，可知该低密度区对级的效率影响不大.

采用直叶片，然而由于直径变化，在径向上气流有一定的偏转，这种偏转需要在设计时使用径向平衡方程进行计算.对于径高比较小的叶片，需要采用弯扭叶片的设计以进一步提高效率.第三级动叶沿叶高的出口绝对气流角分布比静叶的更不均衡，最大偏差与设计值相差近20°.最大偏差发生在叶顶处，这与第三级动叶叶片高度有关，高度越高这种偏差越大.因此，该轴流透平的优化设计要重点考虑第三级动叶的空间造型，尽可能采用弯扭叶片代替直叶片.

图7分别为第三级静叶和动叶在中间截面的载荷分布.从图中可以看出，第三级静叶的载荷主要分布在叶片的后部，且载荷的变化较为光滑，仅尾缘部分有些波动.这是因为喉部为临界状态，在喉部之后流动有个转捩，进入叶栅的斜切部分，该部分的流动较为混乱，损失也较大.第三级

动叶的载荷分布在前缘位置变化较大，叶片前缘后载荷分布较为均衡.这是因为动叶前缘相对于静叶前缘较为尖锐，而动叶叶型厚度沿轴向分布较为平均，且安装角接近90°所致.

3结论

本文主要介绍了有机朗肯循环系统的设计.针对轴流透平的设计对其进行了CFD数值模拟及通流部分的结构设计.从分析对比的结果来看，应用于ORC系统的多级轴流透平的设计值与数值模拟计算值偏差不大.流场中涡和二次流较少，效率相较单级向心透平高.

由于采用多级轴流型式，透平除了可以与发电机直联，叶轮最大线速度、静叶出口马赫数及轴封处线速度均远低于单级向心透平.这将使叶轮强度要求、转子轴承系统设计难度以及材料的选择要求降低，轴端密封更易于选型设计，同时省却了一个齿轮箱.若设计得当则轴流透平将比向心透平及双螺杆膨胀机更适合于某些ORC系统应用场合.

通流的设计及数值模拟尽管得到了不错的气动效果，但仍然需要结合强度、结构及转子动力学特性对设计进行进一步校核.进气道、出气道及叶型也有进一步优化的空间.透平总体性能参数及变工况性能还有待试验的进一步验证.

参考文献：

[1]柯玄龄，梁秀英.有机工质朗肯循环（ORC）在中、低温余热能量回收中的应用[J].汽轮机技术，1985（5）：58-69.

[2]李艳，连红奎，顾春伟.有机朗肯循环系统及其透平设计研究[J].工程热物理学报，2010，31（12）：2014-2018.

[3]郑浩，汤珂，金滔，等.有机朗肯循环工质研究进展[J].能源工程，2008（4）：5-11.

[4]王乃宁，张志刚.汽轮机热力设计[M].北京：水利电力出版社，1987.

[5]吴曼，朱奇，姚征.300 MW汽轮机中压缸多级叶片气动设计与分析[J].上海理工大学学报，2008，30（5）：434-438.