1 MW有機朗肯循環系統及軸流透平設計

胡國軍　胡剛星　祝華云

摘要：

基于自行開發的有機朗肯循環（ORC）系統熱力計算軟件設計了1 MW ORC系統.考慮到有機朗肯循環系統的特點，介紹了適合于該系統工況參數的有機工質軸流透平的設計過程.隨后分析比較了應用于ORC系統的向心透平、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系統的主要優點.最后，針對ORC系統設計了采用R123為工質的1 MW軸流透平，在CFD數值模擬的基礎上進行了通流的優化和通流結構設計.

關鍵詞：

軸流透平； 有機朗肯循環； 氟利昂； CFD數值模擬

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

隨著我國經濟進入高速發展階段，經濟總量逐年增大，能源消耗量也隨之增大.能源是經濟發展的物質基礎，為保證國民經濟的可持續發展，必須有可持續供應的能源作為支撐.能源消費總量巨大、能源結構不合理、單位國民生產總值（GDP）能耗過高及能源對外依存度過大等問題已經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，已經得到廣泛的應用.然而，工業生產和自然環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，又能有效減少工業生產對環境的污染，具有十分重要的意義.

有機朗肯循環（ORC）系統在回收低溫余熱中具有較明顯的優點，是未來低溫余熱回收利用的發展趨勢之一.西方發達國家對ORC系統技術保密，國際上一些低溫余熱發電設備生產商，如ORMAT、PRATT & WHITNEY、GE油氣集團等，已完成對我國大型冶金企業及石油化工企業低溫余熱資源的初步調查，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合收錄至《重大技術裝備自主創新指導目錄》，這對推動低溫余熱利用的ORC技術發展具有重大作用.

目前國內對ORC系統及透平的研究較多，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為工質進行了ORC系統和軸流透平的設計.利用NUMECA軟件對設計方案進行了CFD數值模擬，并對結果進行對比分析.

1有機朗肯循環系統

1.1ORC系統設計

針對溫度為130～160℃的熱源和27℃的冷卻水的條件，所設計的ORC系統如圖1所示，圖中1、2、3、4均為狀態點，各點主要參數如表1所示.該系統采用R123工質作為循環介質，冷凝器、蒸發器及預熱器均為管殼式換熱器.系統熱力計算采用基于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系統進行熱力計算，計算所采用的有機工質物性參數采用美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的數據.

1.2ORC與水蒸氣朗肯循環的比較

ORC系統與傳統水蒸氣朗肯循環有著很大的差別.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；就系統而言，由于低壓區相對汽輪機背壓依然較高，工質外漏的風險較大，且有機工質相對于水蒸氣價格非常昂貴，因此系統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低溫余熱發電系統的一些特點.本文的設計考慮采用機械密封作為膨脹機軸端密封.由于整個系統的溫度相對傳統汽輪機要低很多，系統各部件的熱應力較小，對結構設計，尤其是透平膨脹機轉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，兩者最大的區別就是工質物性參數的區別，有機工質分子量大、音速低、總焓降小、膨脹比較大.因此，透平膨脹機、換熱器、工質泵和儀表閥門等的設計選型均與普通水蒸氣朗肯循環不同，需要特別注意避免生搬硬套傳統水蒸氣的相關經驗和公式.

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點有：① 靜葉出口馬赫數不高于1，變工況性能更佳；② 轉速3 000 r·min-1，可以不用齒輪箱，與發電機直聯；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數值模擬及分析

本文利用NUMECA軟件對透平通流部分進行數值模擬[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，全部采用結構化網格，網格總數245萬，如圖3所示.

經計算，數值模擬計算值與設計值偏差不大，均在5%以內，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進行對比分析.

從CFD數值模擬結果來看，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.這是由喉部工質氣體達到臨界狀態后氣流的突然膨脹及氣流偏轉所致.在流線圖中沒有捕捉到渦的存在，可知該低密度區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，這種偏轉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，在喉部之后流動有個轉捩，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系統的設計.針對軸流透平的設計對其進行了CFD數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系統的多級軸流透平的設計值與數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，透平除了可以與發電機直聯，葉輪最大線速度、靜葉出口馬赫數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、轉子軸承系統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系統應用場合.

通流的設計及數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化的空間.透平總體性能參數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.有機工質朗肯循環（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.有機朗肯循環系統及其透平設計研究[J].工程熱物理學報，2010，31（12）：2014-2018.

[3]鄭浩，湯珂，金滔，等.有機朗肯循環工質研究進展[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.