1 MW有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)及軸流透平設(shè)計(jì)

胡國軍　胡剛星　祝華云

摘要：

基于自行開發(fā)的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)熱力計(jì)算軟件設(shè)計(jì)了1 MW ORC系統(tǒng).考慮到有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了適合于該系統(tǒng)工況參數(shù)的有機(jī)工質(zhì)軸流透平的設(shè)計(jì)過程.隨后分析比較了應(yīng)用于ORC系統(tǒng)的向心透平、螺桿膨脹機(jī)及軸流透平的不同特點(diǎn)，總結(jié)了軸流透平應(yīng)用于該功率等級(jí)ORC系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn).最后，針對ORC系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)上進(jìn)行了通流的優(yōu)化和通流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：

軸流透平； 有機(jī)朗肯循環(huán)； 氟利昂； CFD數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TK 472文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)進(jìn)入高速發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)總量逐年增大，能源消耗量也隨之增大.能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，為保證國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須有可持續(xù)供應(yīng)的能源作為支撐.能源消費(fèi)總量巨大、能源結(jié)構(gòu)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(huì)的廣泛關(guān)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(shù)相對成熟，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)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?zé)岬?，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(jī)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(diǎn)，是未來低溫余熱回收利用的發(fā)展趨勢之一.西方發(fā)達(dá)國家對ORC系統(tǒng)技術(shù)保密，國際上一些低溫余熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)商，如ORMAT、PRATT & WHITNEY、GE油氣集團(tuán)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(zhǔn)備進(jìn)入我國市場.因此，加快研究，盡快攻克ORC技術(shù)難題，增強(qiáng)我國ORC設(shè)備制造及配套能力已刻不容緩.2012年ORC技術(shù)被國家四部委聯(lián)合收錄至《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄》，這對推動(dòng)低溫余熱利用的ORC技術(shù)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(xué)、中國科學(xué)院、中國科技大學(xué)及浙江大學(xué)等科研院所都對ORC進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[1-3].然而軸流透平的設(shè)計(jì)及研究沒有公開的文獻(xiàn)可查.本文采用R123為工質(zhì)進(jìn)行了ORC系統(tǒng)和軸流透平的設(shè)計(jì).利用NUMECA軟件對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析.

1有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

1.1ORC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對溫度為130～160℃的熱源和27℃的冷卻水的條件，所設(shè)計(jì)的ORC系統(tǒng)如圖1所示，圖中1、2、3、4均為狀態(tài)點(diǎn)，各點(diǎn)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(yù)熱器均為管殼式換熱器.系統(tǒng)熱力計(jì)算采用基于EES軟件編寫的程序進(jìn)行計(jì)算.該程序能針對不同熱源和冷源，對ORC系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，計(jì)算所采用的有機(jī)工質(zhì)物性參數(shù)采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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(jī)的單級(jí)進(jìn)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(jī)相比軸流透平膨脹機(jī)背壓較高；就系統(tǒng)而言，由于低壓區(qū)相對汽輪機(jī)背壓依然較高，工質(zhì)外漏的風(fēng)險(xiǎn)較大，且有機(jī)工質(zhì)相對于水蒸氣價(jià)格非常昂貴，因此系統(tǒng)各部件包括透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)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(diǎn).本文的設(shè)計(jì)考慮采用機(jī)械密封作為膨脹機(jī)軸端密封.由于整個(gè)系統(tǒng)的溫度相對傳統(tǒng)汽輪機(jī)要低很多，系統(tǒng)各部件的熱應(yīng)力較小，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子部分的強(qiáng)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(jī)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(jī)、換熱器、工質(zhì)泵和儀表閥門等的設(shè)計(jì)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(guān)經(jīng)驗(yàn)和公式.

2軸流透平的設(shè)計(jì)

2.1ORC軸流透平的熱力計(jì)算

ORC軸流透平通流圖如圖2所示.ORC系統(tǒng)所用膨脹機(jī)主要有透平膨脹機(jī)、螺桿膨脹機(jī)和蝸旋膨脹機(jī)三大類，其中透平膨脹機(jī)中較為常見的為向心透平[2].軸流透平膨脹機(jī)相較于其它幾類的主要優(yōu)點(diǎn)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(jī)直聯(lián)；③ 低線速度對葉輪強(qiáng)度要求不高；④ 密封裝置設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)值模擬[5]以驗(yàn)證一元熱力計(jì)算的準(zhǔn)確性.具體的計(jì)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(xiàng)采用二階中心差分格式，時(shí)間項(xiàng)采用四階龍格庫塔法；

（4） 動(dòng)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)245萬，如圖3所示.

經(jīng)計(jì)算，數(shù)值模擬計(jì)算值與設(shè)計(jì)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(jí)的設(shè)計(jì)為整個(gè)通流部分設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文僅對總體結(jié)果和第三級(jí)部分參數(shù)進(jìn)行對比分析.

從CFD數(shù)值模擬結(jié)果來看，軸流透平各級(jí)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(dòng)的附面層分離和渦的存在，如圖4所示.圖5為第三級(jí)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(dá)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(jí)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(shè)計(jì)時(shí)使用徑向平衡方程進(jìn)行計(jì)算.對于徑高比較小的葉片，需要采用彎扭葉片的設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提高效率.第三級(jí)動(dòng)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(shè)計(jì)值相差近20°.最大偏差發(fā)生在葉頂處，這與第三級(jí)動(dòng)葉葉片高度有關(guān)，高度越高這種偏差越大.因此，該軸流透平的優(yōu)化設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮第三級(jí)動(dòng)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(jí)靜葉和動(dòng)葉在中間截面的載荷分布.從圖中可以看出，第三級(jí)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(dòng).這是因?yàn)楹聿繛榕R界狀態(tài)，在喉部之后流動(dòng)有個(gè)轉(zhuǎn)捩，進(jìn)入葉柵的斜切部分，該部分的流動(dòng)較為混亂，損失也較大.第三級(jí)

動(dòng)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?yàn)閯?dòng)葉前緣相對于靜葉前緣較為尖銳，而動(dòng)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(jié)論

本文主要介紹了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).針對軸流透平的設(shè)計(jì)對其進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬及通流部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).從分析對比的結(jié)果來看，應(yīng)用于ORC系統(tǒng)的多級(jí)軸流透平的設(shè)計(jì)值與數(shù)值模擬計(jì)算值偏差不大.流場中渦和二次流較少，效率相較單級(jí)向心透平高.

由于采用多級(jí)軸流型式，透平除了可以與發(fā)電機(jī)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(yuǎn)低于單級(jí)向心透平.這將使葉輪強(qiáng)度要求、轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度以及材料的選擇要求降低，軸端密封更易于選型設(shè)計(jì)，同時(shí)省卻了一個(gè)齒輪箱.若設(shè)計(jì)得當(dāng)則軸流透平將比向心透平及雙螺桿膨脹機(jī)更適合于某些ORC系統(tǒng)應(yīng)用場合.

通流的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬盡管得到了不錯(cuò)的氣動(dòng)效果，但仍然需要結(jié)合強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性對設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步校核.進(jìn)氣道、出氣道及葉型也有進(jìn)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(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證.

參考文獻(xiàn)：

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

[2]李艷，連紅奎，顧春偉.有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)及其透平設(shè)計(jì)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31（12）：2014-2018.

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

[4]王乃寧，張志剛.汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)[M].北京：水利電力出版社，1987.

[5]吳曼，朱奇，姚征.300 MW汽輪機(jī)中壓缸多級(jí)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)與分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（5）：434-438.