Organic Rankine cycle for residual heat to power conversion in natural gas compressor station. Part I: Modelling and optimisation framework

• Autorzy: Chaczykowski M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0018

Warianty tytułu

PL

Organiczny obieg Rankina do produkcji energii elektrycznej z ciepła odpadowego w tłoczni gazu. Część I: Model matematyczny systemu i sformułowanie zadania optymalizacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Basic organic Rankine cycle (ORC), and two variants of regenerative ORC have been considered for the recovery of exhaust heat from natural gas compressor station. The modelling framework for ORC systems has been presented and the optimisation of the systems was carried out with turbine power output as the variable to be maximized. The determination of ORC system design parameters was accomplished by means of the genetic algorithm. The study was aimed at estimating the thermodynamic potential of different ORC configurations with several working fluids employed. The first part of this paper describes the ORC equipment models which are employed to build a NLP formulation to tackle design problems representative for waste energy recovery on gas turbines driving natural gas pipeline compressors.

PL

W artykule analizowano organiczny obieg Rankine’a (ORC) w wariancie podstawowym i z regeneracją ciepła, w celu odzyskiwania ciepła odpadowego w tłoczni gazu. Przedstawiono model matematyczny elementów systemu oraz sformułowano problem optymalizacji systemu, przyjmując maksymalizację mocy elektrycznej produkowanej w instalacji odzysku ciepła jako funkcję celu. Zadanie optymalizacji rozwiązano z wykorzystaniem algorytmu genetycznego. Celem badań było oszacowanie potencjalnych możliwości produkcji energii elektrycznej przy różnych konfiguracjach układu ORC oraz przy różnych czynnikach roboczych. W pierwszej części pracy przedstawiono uproszczony model matematyczny obiegu ORC, który posłużył do sformułowania zadania programowania nieliniowego, pozwalającego na rozwiązywanie typowych problemów projektowych instalacji odzysku ciepła z turbin gazowych w stacjach przetłocznych gazu.

Słowa kluczowe

EN

gas pipeline; compressor station; waste heat; energy recovery; optimization algorithms

PL

gazociąg; tłocznia gazu; ciepło odpadowe; odzysk energii; optymalizacja

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, no. 2
• Strony: 245--258
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Chaczykowski M.

• Warsaw University of Technology, Department District Heating and Natural Gas Systems, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Bronicki L.Y., Schochet D.N., 2005. Bottoming organic cycle for gas turbines. [In:] Proceedings of the ASME Turbo Expo 5, art. no. GT2005-68121, 79-86.
• [2] Chacartegui R., Sánchez D., Muñoz J.M., Sánchez T., 2009. Alternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plants. Appl. Energy, 86(10), 2162-2170.
• [3] Chaczykowski M., 2012. Thermal processes in natural gas compressor station for pipeline system efficiency improvements. Scientific Papers of The Warsaw University of Technology, series Environmental Engineering, No. 60, Warszawa (in Polish).
• [4] Dai Y., Wang J., Gao L., 2009. Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery. Energy Convers Manage, 50(3), 576-582.
• [5] Drescher U., Brüggemann D., 2007. Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass power and heat plants. Appl. Therm. Eng., 27(1), 223-228.
• [6] Goldberg D.E., 1989. Genetic algorithms in search, optimization, and machine learning. Addison-Wesley, Reading, MA.
• [7] Gutiérrez L.C., López J.M., 2009. Residual Heat To Power Generation in a Compression Station of Enagas (Spain). [In:] Proceedings of the 24th World Gas Conference, 3066-3076.
• [8] Hedman B.A., 2008. Waste Energy Recovery Opportunities for Interstate Natural Gas Pipelines. INGAA Report.
• [9] Howard C., Oosthuizen P., Peppley B., 2011. An investigation of the performance of a hybrid turboexpander-fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction stations. Applied Thermal Engineering, 31(13), 2165-2170.
• [10] Hung T.C., 2001. Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids, Energy Convers Manage, 42(5), 539-553.
• [11] Invernizzi C., Iora P., Silva P., 2007. Bottoming micro-Rankine cycles for micro-gas turbines, Appl. Therm. Eng., 27(1), 100-110.
• [12] Kostowski W.J., Usón S., 2013. Thermoeconomic assessment of a natural gas expansion system integrated with a cogeneration unit. Appl. Energy, 101, 58-66.
• [13] Larjola J., 1995. Electricity from industrial waste heat using high-speed organic Rankine cycle (ORC). Int. J. Production Economics, 41(1-3), 227-235.
• [14] Lee J.H., Kim T.S., 2006. Analysis of design and part load performance of micro gas turbine/organic Rankine cycle combined systems. J. Mech. Sci. Technol., 20(9), 1502-1513.
• [15] Leslie N.P., Sweetser R.S., Zimron O., Stovall T.K., 2009. Recovered Energy Generation Using an Organic Rankine Cycle System. ASHRAE Transactions, 115(1), 220-230.
• [16] Łaciak M., 2013. Thermodynamic processes involving liquefied natural gas at the LNG receiving terminals. Arch. Min. Sci., 58(2), 349-359.
• [17] Michalewicz Z., 1996. Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programs, Springer, Berlin.
• [18] Mokhatab S., Santos S.P., Cleveland T., 2007. Compressor Station Design Criteria, Pipeline Gas J., 234(6), 26-32.
• [19] Najjar Y.S.H., Radhwan A.M., 1988. Cogeneration by combining gas turbine engine with organic Rankine cycle. Heat Recov. Syst. CHP, 8(3), 211-219.
• [20] Nguyen T.Q., Slawnwhite J.D., Boulama K.G., 2010. Power generation from residual industrial heat. Energy Convers Manage, 51(11), 2220-2229.
• [21] Saavedra I., Bruno J.C., Coronas A., 2010. Thermodynamic optimisation of organic Rankine cycles at several condensing temperatures: case study of waste heat recovery in a natural gas compressor station, Proc. IMechE Part A: J. Power Energy, 224, 917-930.
• [22] Sun J., Li W., 2011. Operation optimization of an organic Rankine cycle (ORC) heat recovery power plant. Appl. Therm. Eng., 31(11-12), 2032-2041.
• [23] Szargut J., Szczygieł I., 2009. Utilization of the cryogenic exergy of liquid natural gas (LNG) for the production of electricity, Energy, 34(7), 827-837.
• [24] Wang J., Dai Y., Gao L., 2009. Exergy analyses and parametric optimizations for different cogeneration power plants in cement industry. Appl. Energy, 86(6), 941-948.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę