胡國軍　胡剛星　祝華云

摘要：

基于自行開發(fā)的有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)熱力計算軟件設計了1 MW ORC系統(tǒng).考慮到有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的特點，介紹了適合于該系統(tǒng)工況參數(shù)的有機工質(zhì)軸流透平的設計過程.隨后分析比較了應用于ORC系統(tǒng)的向心透平、螺桿膨脹機及軸流透平的不同特點，總結了軸流透平應用于該功率等級ORC系統(tǒng)的主要優(yōu)點.最后，針對ORC系統(tǒng)設計了采用R123為工質(zhì)的1 MW軸流透平，在CFD數(shù)值模擬的基礎上進行了通流的優(yōu)化和通流結構設計.

關鍵詞：

軸流透平； 有機朗肯循環(huán)； 氟利昂； CFD數(shù)值模擬

中圖分類號： TK 472文獻標志碼： 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 introduced.Comparative analysis of different types of expanders 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

隨著我國經(jīng)濟進入高速發(fā)展階段，經(jīng)濟總量逐年增大，能源消耗量也隨之增大.能源是經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎，為保證國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須有可持續(xù)供應的能源作為支撐.能源消費總量巨大、能源結構不合理、單位國民生產(chǎn)總值（GDP）能耗過高及能源對外依存度過大等問題已經(jīng)引起全社會的廣泛關注.余熱回收是解決上述問題的有效途徑之一.

中高溫余熱的回收利用技術相對成熟，已經(jīng)得到廣泛的應用.然而，工業(yè)生產(chǎn)和自然環(huán)境中存在大量的低溫余熱，包括熱水、低品位煙氣、蒸汽及地熱等，由于品位低，絕大部分不能被很好地再利用，回收這些余熱并加以利用既有助于提高能源利用效率，又能有效減少工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染，具有十分重要的意義.

有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)在回收低溫余熱中具有較明顯的優(yōu)點，是未來低溫余熱回收利用的發(fā)展趨勢之一.西方發(fā)達國家對ORC系統(tǒng)技術保密，國際上一些低溫余熱發(fā)電設備生產(chǎn)商，如ORMAT、PRATT & WHITNEY、GE油氣集團等，已完成對我國大型冶金企業(yè)及石油化工企業(yè)低溫余熱資源的初步調(diào)查，準備進入我國市場.因此，加快研究，盡快攻克ORC技術難題，增強我國ORC設備制造及配套能力已刻不容緩.2012年ORC技術被國家四部委聯(lián)合收錄至《重大技術裝備自主創(chuàng)新指導目錄》，這對推動低溫余熱利用的ORC技術發(fā)展具有重大作用.

目前國內(nèi)對ORC系統(tǒng)及透平的研究較多，清華大學、中國科學院、中國科技大學及浙江大學等科研院所都對ORC進行了系統(tǒng)的研究[1-3].然而軸流透平的設計及研究沒有公開的文獻可查.本文采用R123為工質(zhì)進行了ORC系統(tǒng)和軸流透平的設計.利用NUMECA軟件對設計方案進行了CFD數(shù)值模擬，并對結果進行對比分析.

1有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

1.1ORC系統(tǒng)設計

針對溫度為130～160℃的熱源和27℃的冷卻水的條件，所設計的ORC系統(tǒng)如圖1所示，圖中1、2、3、4均為狀態(tài)點，各點主要參數(shù)如表1所示.該系統(tǒng)采用R123工質(zhì)作為循環(huán)介質(zhì)，冷凝器、蒸發(fā)器及預熱器均為管殼式換熱器.系統(tǒng)熱力計算采用基于EES軟件編寫的程序進行計算.該程序能針對不同熱源和冷源，對ORC系統(tǒng)進行熱力計算，計算所采用的有機工質(zhì)物性參數(shù)采用美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的數(shù)據(jù).

1.2ORC與水蒸氣朗肯循環(huán)的比較

ORC系統(tǒng)與傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)有著很大的差別.一般來說，軸流ORC膨脹機的單級進出氣容積變化較大；透平段整體溫度較低；與普通凝汽式汽輪機相比軸流透平膨脹機背壓較高；就系統(tǒng)而言，由于低壓區(qū)相對汽輪機背壓依然較高，工質(zhì)外漏的風險較大，且有機工質(zhì)相對于水蒸氣價格非常昂貴，因此系統(tǒng)各部件包括透平膨脹機設計都對密封的要求比較高.這些主要差別決定了ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的一些特點.本文的設計考慮采用機械密封作為膨脹機軸端密封.由于整個系統(tǒng)的溫度相對傳統(tǒng)汽輪機要低很多，系統(tǒng)各部件的熱應力較小，對結構設計，尤其是透平膨脹機轉(zhuǎn)子部分的強度和材料要求不是很高.此外，相較于水蒸氣朗肯循環(huán)，兩者最大的區(qū)別就是工質(zhì)物性參數(shù)的區(qū)別，有機工質(zhì)分子量大、音速低、總焓降小、膨脹比較大.因此，透平膨脹機、換熱器、工質(zhì)泵和儀表閥門等的設計選型均與普通水蒸氣朗肯循環(huán)不同，需要特別注意避免生搬硬套傳統(tǒng)水蒸氣的相關經(jīng)驗和公式.

2軸流透平的設計

2.1ORC軸流透平的熱力計算

ORC軸流透平通流圖如圖2所示.ORC系統(tǒng)所用膨脹機主要有透平膨脹機、螺桿膨脹機和蝸旋膨脹機三大類，其中透平膨脹機中較為常見的為向心透平[2].軸流透平膨脹機相較于其它幾類的主要優(yōu)點有：① 靜葉出口馬赫數(shù)不高于1，變工況性能更佳；② 轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1，可以不用齒輪箱，與發(fā)電機直聯(lián)；③ 低線速度對葉輪強度要求不高；④ 密封裝置設計選型難度較高速透平低.

2.2ORC軸流透平的CFD數(shù)值模擬及分析

本文利用NUMECA軟件對透平通流部分進行數(shù)值模擬[5]以驗證一元熱力計算的準確性.具體的計算方法為：

（1） 控制方程為三維雷諾平均N-S方程；

（2） 湍流模型為SpalartAllmaras單方程模型；

（3） 離散方法為空間項采用二階中心差分格式，時間項采用四階龍格庫塔法；

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

（5） 邊界條件如表2所示，全部采用結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)245萬，如圖3所示.

經(jīng)計算，數(shù)值模擬計算值與設計值偏差不大，均在5%以內(nèi)，表4為兩者對比情況.由于篇幅所限加上第三級的設計為整個通流部分設計的難點，本文僅對總體結果和第三級部分參數(shù)進行對比分析.

從CFD數(shù)值模擬結果來看，軸流透平各級從10%葉高到90%葉高處流線均較為光順，沒有在葉片內(nèi)弧與背弧處檢測到流動的附面層分離和渦的存在，如圖4所示.圖5為第三級50%葉高密度云圖.從圖5可以看出，在靜葉喉部下游背弧處有一低密度區(qū).這是由喉部工質(zhì)氣體達到臨界狀態(tài)后氣流的突然膨脹及氣流偏轉(zhuǎn)所致.在流線圖中沒有捕捉到渦的存在，可知該低密度區(qū)對級的效率影響不大.

采用直葉片，然而由于直徑變化，在徑向上氣流有一定的偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)需要在設計時使用徑向平衡方程進行計算.對于徑高比較小的葉片，需要采用彎扭葉片的設計以進一步提高效率.第三級動葉沿葉高的出口絕對氣流角分布比靜葉的更不均衡，最大偏差與設計值相差近20°.最大偏差發(fā)生在葉頂處，這與第三級動葉葉片高度有關，高度越高這種偏差越大.因此，該軸流透平的優(yōu)化設計要重點考慮第三級動葉的空間造型，盡可能采用彎扭葉片代替直葉片.

圖7分別為第三級靜葉和動葉在中間截面的載荷分布.從圖中可以看出，第三級靜葉的載荷主要分布在葉片的后部，且載荷的變化較為光滑，僅尾緣部分有些波動.這是因為喉部為臨界狀態(tài)，在喉部之后流動有個轉(zhuǎn)捩，進入葉柵的斜切部分，該部分的流動較為混亂，損失也較大.第三級

動葉的載荷分布在前緣位置變化較大，葉片前緣后載荷分布較為均衡.這是因為動葉前緣相對于靜葉前緣較為尖銳，而動葉葉型厚度沿軸向分布較為平均，且安裝角接近90°所致.

3結論

本文主要介紹了有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的設計.針對軸流透平的設計對其進行了CFD數(shù)值模擬及通流部分的結構設計.從分析對比的結果來看，應用于ORC系統(tǒng)的多級軸流透平的設計值與數(shù)值模擬計算值偏差不大.流場中渦和二次流較少，效率相較單級向心透平高.

由于采用多級軸流型式，透平除了可以與發(fā)電機直聯(lián)，葉輪最大線速度、靜葉出口馬赫數(shù)及軸封處線速度均遠低于單級向心透平.這將使葉輪強度要求、轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)設計難度以及材料的選擇要求降低，軸端密封更易于選型設計，同時省卻了一個齒輪箱.若設計得當則軸流透平將比向心透平及雙螺桿膨脹機更適合于某些ORC系統(tǒng)應用場合.

通流的設計及數(shù)值模擬盡管得到了不錯的氣動效果，但仍然需要結合強度、結構及轉(zhuǎn)子動力學特性對設計進行進一步校核.進氣道、出氣道及葉型也有進一步優(yōu)化的空間.透平總體性能參數(shù)及變工況性能還有待試驗的進一步驗證.

參考文獻：

[1]柯玄齡，梁秀英.有機工質(zhì)朗肯循環(huán)（ORC）在中、低溫余熱能量回收中的應用[J].汽輪機技術，1985（5）：58-69.

[2]李艷，連紅奎，顧春偉.有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)及其透平設計研究[J].工程熱物理學報，2010，31（12）：2014-2018.

[3]鄭浩，湯珂，金滔，等.有機朗肯循環(huán)工質(zhì)研究進展[J].能源工程，2008（4）：5-11.

[4]王乃寧，張志剛.汽輪機熱力設計[M].北京：水利電力出版社，1987.

[5]吳曼，朱奇，姚征.300 MW汽輪機中壓缸多級葉片氣動設計與分析[J].上海理工大學學報，2008，30（5）：434-438.