一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种有机朗肯循环(ORC)向心透平的分层协同优化设计方法。该方法从气动参数与叶型参数两个层次对向心透平进行优化设计，主要包括以下步骤：首先输入循环的工作条件，然后建立透平一维设计数学模型；其次，以循环热效率、透平轴效率及其尺寸为目标，建立多目标优化模型，通过优化确定最优气动参数；在此基础上，采用拉丁超立方法设计叶型参数方案，建立透平三维模型并划分网格；然后，对透平流动特性进行模拟，确定各方案的透平功率与积分熵产并将其作为优化目标，利用BP神经网络预测不同叶型参数的目标值，通过优化确定最优叶型参数。本发明专利技术不仅实现了系统性能与透平性能的融合提升，而且最大限度提升了向心透平的性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法


[0001]本专利技术涉及向心透平优化领域，尤其是一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法。

技术介绍

[0002]低温余热约占余热资源量的60％，随着我国节能减排工作的不断推进，低温余热的利用受到重视。有机朗肯循环是利用低温余热发电的有效途径之一，具有结构简单紧凑、运行维护成本低等优点。在国外，该技术已在地热、太阳能、生物质能等低品位能源利用领域得到了应用，产生了显著的经济效益。在能源短缺与双碳目标的双重压力下，有机朗肯循环发电技术受到国内学者与工业界越来越多的关注。
[0003]作为一种速度型膨胀机，向心透平具有结构紧凑，单级焓降大，小流量与高效率等优点，不仅是有机朗肯循环膨胀机的理想选择，而且也是循环高效及安全运行的基础。目前，向心透平往往是根据给定的进出口参数开展气动优化设计，而没有结合循环性能对透平进出口参数进行一体优化设计。若同时考虑透平性能与循环性能，通过多目标优化方法对透平进行优化，则有望实现两者性能的融合提升，使透平更好地适应有机朗肯循环。/>[0004]叶型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据有机朗肯循环的实际工作条件，输入热源温度、热源流量、环境温度及循环工质。(2)根据向心透平一维气动设计方法，选取透平入口压力(P
t
)、过热度(ΔT)、压比(П
T
)、转速(N
s
)、速比(U)、反动度(Ω)等6个参数为透平性能的设计变量，建立透平轴效率与功率的数学模型。(3)建立有机朗肯循环热经济性能的数学模型，将透平设计参数、循环蒸发器夹点温度(
△
T
e
)、冷凝器夹点温度(
△
T
c
)选取为设计变量，以循环热效率(η
I
)最高、投资回收期(PBP)最短、透平轴效率(η
t
)最高、透平尺寸(TPcc)最小为目标，建立循环热经济性能的多目标优化模型。设定约束条件C的关系式为：(4)利用Matlab编写有机朗肯循环多目标优化计算程序，利用NSGA
‑
II算法对选择的8个设计参数进行优化，获得多目标优化的Pareto前沿解集，并确定向心透平的最优气动参数。(5)将透平叶栅及叶轮叶型控制点与对应基点的距离作为透平叶型的设计变量，利用拉丁超立方方法设计透平叶型控制点的试验方案。(6)建立各个方案向心透平的三维模型，对透平三维模型进行网格划分，设置透平模拟的边界条件，并对透平仿真模型的可靠性进行验证；在此基础上，利用CFX软件对不同方案下的透平性能进行模拟分析，获得各个方案下透平的输出功率。(7)建立流动熵产数学模型并编写熵产的计算程序，对透平内部流场进行处理，得到透平内部的局部熵产分布；对整个透平内部局部熵产进行积分，得到不同方案下透平总的积分熵产。(8)利用Matlab建立BP神经网络数学模型，选取85％模拟方案的计算结果作为训练样本，对BP神经网络进行训练，并以剩余15％样本验证神经网络预测的准确性。(9)以透平输出功率与总积分熵产为目标函数，以叶型控制参数为设计变量，建立向心透平叶型优化的多目标优化模型；利用Matlab编写叶型优化的优化计算程序，利用NSGA
‑
II算法对设计变量进行优化。(10)对优化所得的Pareto最优解前沿进行决策，得到向心透平的最优叶型参数及其对应的透平性能。2.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法，其特征在于：该透平设计方法采用分层优化的结构，即首先开展透平气动参数的多目标优化，实
现透平性能与ORC系统性能融合提升；在确定透平最优气动参数的基础上，对透平叶型参数开展多目标优化，进一步改进透平的叶型结构，最大限度提升透平的气动性能。3.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中的设计变量(透平入口压力、过热度、压比、转速、速比、反动度)共同影响透平性能与循环热力性能，所述步骤(3)中的设计变量(循环蒸发器夹点温度、冷凝器夹点温度)影响循环的经济性能，通过合理匹配这些设计变量，提升透平的热经济性能。4.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环向心透平的分层协同优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中多目标优化模型，不仅考虑了透平性能，而且兼顾了循环性能，使向心透平的设计结果更加合理。所述目标函数的具体表达式为：循环热效率：系统投资回收期：透平轴效率：η
t
＝(η
u
‑
ζ
f
)ζ
l
η
m
‑
0.24(1
‑
Γ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)透平尺寸：式中，W
net
是系统的净输出功率，Q2‑3为系统蒸发器吸热量，C
tot
是所有设备的总成本，C
no
为系统第n年的净现金流，k为折扣率，η
u
为向心透平轮周效率，ζ
f
为透平摩擦损失，ζ
l
为漏气损失，η
m
为机械效率，Γ为叶轮部分进气度，D4为叶轮出口平均直径。步骤(3)中优化模型的约束条件如下：约束条件中，蒸发温度(T
e
)上限根据热源温度(T
h
)与蒸发器夹点温度(
△
T
e
)确定，要求T
max

【专利技术属性】
技术研发人员：王志奇，杨胡娅，谢宝琦，夏小霞，罗兰，徐泽华，孙童，赵亚斌，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：