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

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.

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.