[發明專利]一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法

在審

• 申請號: 202210046295.0
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114398832A
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 王志奇;楊胡婭;謝寶琦;夏小霞;羅蘭;徐澤華;孫童;趙亞斌
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F30/23;G06N3/08;G06T17/20;G06F111/06;G06F119/08
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本發明公開了一種有機朗肯循環(ORC)向心透平的分層協同優化設計方法。該方法從氣動參數與葉型參數兩個層次對向心透平進行優化設計，主要包括以下步驟：首先輸入循環的工作條件，然后建立透平一維設計數學模型；其次，以循環熱效率、透平軸效率及其尺寸為目標，建立多目標優化模型，通過優化確定最優氣動參數；在此基礎上，采用拉丁超立方法設計葉型參數方案，建立透平三維模型并劃分網格；然后，對透平流動特性進行模擬，確定各方案的透平功率與積分熵產并將其作為優化目標，利用BP神經網絡預測不同葉型參數的目標值，通過優化確定最優葉型參數。本發明不僅實現了系統性能與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。

技術領域

本發明涉及向心透平優化領域，尤其是一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法。

背景技術

低溫余熱約占余熱資源量的60％，隨著我國節能減排工作的不斷推進，低溫余熱的利用受到重視。有機朗肯循環是利用低溫余熱發電的有效途徑之一，具有結構簡單緊湊、運行維護成本低等優點。在國外，該技術已在地熱、太陽能、生物質能等低品位能源利用領域得到了應用，產生了顯著的經濟效益。在能源短缺與雙碳目標的雙重壓力下，有機朗肯循環發電技術受到國內學者與工業界越來越多的關注。

作為一種速度型膨脹機，向心透平具有結構緊湊，單級焓降大，小流量與高效率等優點，不僅是有機朗肯循環膨脹機的理想選擇，而且也是循環高效及安全運行的基礎。目前，向心透平往往是根據給定的進出口參數開展氣動優化設計，而沒有結合循環性能對透平進出口參數進行一體優化設計。若同時考慮透平性能與循環性能，通過多目標優化方法對透平進行優化，則有望實現兩者性能的融合提升，使透平更好地適應有機朗肯循環。

葉型優化設計過程涉及三維流場的CFD仿真計算，存在計算量大、優化時間長及易收斂在局部最優解等問題。BP神經網絡具有自學習逼近任意非線性函數的能力，將其與優化方法相結合，可以減少三維仿真計算量、加快優化計算速度并提高預測精度。

傳統葉型優化主要利用效率、總壓損失等參數來衡量透平的流動損失，但這些參數只能反映損失總體累積大小，不能反映流道內局部損失的具體來源和增加過程。基于熱力學第二定律，熵產理論可作為描述不可逆過程的量度，熵產可以衡量流動中能量損失的大小。已有研究表明，基于熵產理論的氣動優化可使葉輪機械獲得更好的氣動性能。

此外，已有研究往往只從氣動參數或葉型參數單個方面對向心透平進行優化設計，兩者之間沒有關聯起來，難以最大限度提升向心透平的整體性能。因此，將氣動優化與葉型優化相結合，在開展氣動優化的基礎上，進一步基于熵產理論進行葉型優化設計。通過分層協同優化設計方法，最大限度提升有機朗肯循環向心透平的氣動性能。

發明內容

本發明的目的是克服上述背景技術的不足，提出一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法，實現有機朗肯循環性能與透平性能的融合提升，并最大限度提升向心透平的氣動性能。

本發明的目的通過以下技術方案實現：一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法，包括以下步驟：

(1)根據有機朗肯循環的實際工作條件，輸入熱源溫度、熱源流量、環境溫度及循環工質。

(2)根據向心透平一維氣動設計方法，選取透平入口壓力(P_t)、過熱度(ΔT)、壓比(∏_T)、轉速(N)、速比(U)、反動度(Ω)等6個參數為透平性能的設計變量，建立透平效率與功率的數學模型。

(3)建立有機朗肯循環熱經濟性能的數學模型，將透平設計參數、循環蒸發器夾點溫度(△T_e)、冷凝器夾點溫度(△T_c)選取為設計變量，以循環熱效率(η_I) 最高、投資回收期(PBP)最短、透平軸效率(η_t)最高、透平尺寸(TPcc)最小為目標，建立循環熱經濟性能的多目標優化模型。

設定約束條件C的關系式為：