Organic Rankine cycle for residual heat to power conversion in natural gas compressor station. Part II: Plant simulation and optimisation study

• Autorzy: Chaczykowski M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0019

Warianty tytułu

PL

Organiczny obieg rankina do produkcji energii elektrycznej z ciepła odpadowego w tłoczni gazu. Część II: Symulacja i optymalizacja instalacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

After having described the models for the organic Rankine cycle (ORC) equipment in the first part of this paper, this second part provides an example that demonstrates the performance of different ORC systems in the energy recovery application in a gas compressor station. The application shows certain specific characteristics, i.e. relatively large scale of the system, high exhaust gas temperature, low ambient temperature operation, and incorporation of an air-cooled condenser, as an effect of the localization in a compressor station plant. Screening of 17 organic fluids, mostly alkanes, was carried out and resulted in a selection of best performing fluids for each cycle configuration, among which benzene, acetone and heptane showed highest energy recovery potential in supercritical cycles, while benzene, toluene and cyclohexane in subcritical cycles. Calculation results indicate that a maximum of 10.4 MW of shaft power can be obtained from the exhaust gases of a 25 MW compressor driver by the use of benzene as a working fluid in the supercritical cycle with heat recuperation. In relation to the particular transmission system analysed in the study, it appears that the regenerative subcritical cycle with toluene as a working fluid presents the best thermodynamic characteristics, however, require some attention insofar as operational conditions are concerned.

PL

W pierwszej części artykułu przedstawiono modele matematyczne elementów siłowni ORC, natomiast niniejsza, druga część artykułu, zawiera przykład ilustrujący efektywność różnych systemów ORC w instalacji odzysku ciepła w stacji przetłocznej. W wyniku lokalizacji w stacji przetłocznej, instalacja wyróżnia się pewnymi charakterystycznymi cechami, takimi jak stosunkowo duża wielkość systemu, praca przy niskich temperaturach otoczenia, zastosowanie skraplacza chłodzonego powietrzem. Obliczenia optymalizacyjne przeprowadzone dla 17 płynów pozwoliły na wybór odpowiednich czynników roboczych dla każdej konfiguracji obiegu, wśród których benzen, aceton i heptan wykazały najwyższą możliwość odzysku energii w obiegach nadkrytycznych, podczas gdy benzen, toluen i cykloheksan w obiegach podkrytycznych. Wyniki obliczeń pokazują, że dysponując strumieniem spalin z turbiny gazowej o mocy 25 MW, za pomocą benzenu jako czynnika roboczego, można uzyskać w obiegu nadkrytycznym z regeneracją ciepła maksymalną moc mechaniczną na wale turbiny wynoszącą 10,4 MW.W odniesieniu do systemu przesyłowego analizowanego w tej pracy najlepszym wariantem siłowni ORC z punktu widzenia charakterystyki termodynamicznej jest obieg nadkrytyczny z regeneracją ciepła przy zastosowaniu toluenu jako czynnika roboczego, jednak jego stosowanie mogłoby powodować problemy eksploatacyjne podczas użytkowania instalacji.

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: 259--274
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Chaczykowski M.

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

Bibliografia

• [1] Angelino G., Colonna Di Paliano P., 1998. Multicomponent working fluids for organic Rankine cycles (ORCs). Energy, 23(6), 449-463.
• [2] Badr O., Probert S.D., O’Callaghan W.P., 1985. Selecting a working fluid for a Rankine-cycle engine. Appl. Energy, 21(1), 1-42.
• [3] Borsukiewicz-Gozdur A., Nowak W., 2007. Comparative analysis of natural and synthetic refrigerants in application to low temperature Clausius-Rankine cycle. Energy, 32(4), 344-352.
• [4] 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).
• [5] Chaczykowski M., 2016. Organic Rankine cycle for residual heat to power conversion in natural gas compressor station. Part I: Modelling and optimisation framework. Arch. Min. Sci., Vol. 61, No 2, p. 245-258.
• [6] Charbonneau P., 2002. Release Notes for PIKAIA 1.2, NCAR Technical Note 451+STR. National Center for Atmospheric Research, Boulder.
• [7] Chen Y., Lundqvist P., Johansson A., Platell P., 2006. A comparative study of the carbon dioxide transcritical power cycle compared with an organic Rankine cycle with R123 as working fluid in waste heat recovery. Appl. Therm. Eng., 26(17-18), 2142-2147.
• [8] Desai N.B., Bandyopadhyay S., 2009. Process integration of organic Rankine cycle. Energy, 34, 1674-1686.
• [9] 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.
• [10] Hung T.-C., 2001. Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids. Energy Convers Manage, 42(5), 539-553.
• [11] Hung T.C., Shai T.Y., Wang S.K., 1997. A review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heat. Energy, 22(7), 661-667.
• [12] Karellas S., Schuster A., 2008. Supercritical Fluid Parameters in Organic Rankine Cycle Applications. Int. J. of Thermodynamics, 11(3), 101-108.
• [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] Lemmon E.W., Huber M.L., McLinden M.O., 2007. NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 8.0. National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Data Program, Gaithersburg.
• [15] Liu B.-T., Chien K.-H., Wang C.-C., 2004. Effect of working fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery. Energy, 29(8), 1207-1217.
• [16] Mago P.J., Chamra L.M., Somayaji C., 2007. Performance analysis of different working fluids for use in organic Rankine cycles. Proc. IMechE, Part A: J. Power and Energy, 221(3), 255-264.
• [17] Maizza V., Maizza A., 1996. Working fluids in non-steady flows for waste energy recovery systems, Appl. Therm. Eng., 16(7), 579-590.
• [18] NREL, 2008. The System Advisor Model (SAM Version 2.5) Reference Manual. National Renewable Energy Laboratory, Denver.
• [19] Papadopoulos A.I., Stijepovic M., Linke P., 2010. On the systematic design and selection of optimal working fluids for Organic Rankine Cycles. Appl. Therm. Eng., 30(6-7), 760-769.
• [20] Rayegan R., Tao Y.X., 2011. A procedure to select working fluids for Solar Organic Rankine Cycles (ORCs). Renew Energy, 36(2), 659-670.
• [21] Schroeder D.J., Leslie N., 2010. Organic Rankine Cycle Working Fluid Considerations for Waste Heat to Power Applications, ASHRAE Transactions, 116 PART 1, 525-533.
• [22] Tchanche B.F., Lambrinos Gr., Frangoudakis A., Papadakis G., 2010. Exergy analysis of micro-organic Rankine power cycles for a small scale solar driven reverse osmosis desalination system. Appl. Energy, 87(4), 1295-1306.

Uwagi

PL

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