Optimal design of a waste heat recovery ORC in natural gas pipelines compressor stations based on off-design annual simulation

The thesis investigates the use of an ORC as heat recovery unit in a natural gas pipeline compressor station powered by a gas turbine with the aim of increasing the process energy efficiency. The bottoming ORC processes refrigerant R1233zd(E) as working fluid, a new compound which performances in this application are equivalent to those of pentane, but with a remarkably lower environmental impact. The authors implemented a flexible Matlab suite for the evaluation of the optimal design configuration and the partial load operation of the bottoming cycle. The optimization tool to find the optimal configuration of the plant is able to investigate both subcritical and supercritical cycles. The code receives as inputs different nominal conditions of the ambient temperature and exhausts conditions and optimizes three internal variables to find the optimal thermodynamic configuration. The simulation tool for the part-load simulation evaluates the power output of the sized cycle at operational compressor station load and ambient temperature. Additionally, the code computes the energy yield of each month evaluated. The methodology to compute the system energetic performance is discussed. The ORC configuration that guarantees the maximum power output (6.31 MW,el) is identified. The yearly electricity yield (42.62 GWh,el) reveals good perspectives of implementing ORC with the aim of reducing the environmental impact of natural gas compressor stations.

La tesi studia l'applicazione degli ORC come unità di recupero di calore nelle centrali di ricompressione alimentate da turbine a gas lungo i gasdotti, con l'obbiettivo di aumentare l'efficienza energetica del processo. Il ciclo di bottoming impiega il refrigerante R1233zd(E) come fluido di lavoro, un nuovo composto le cui prestazioni termodinamiche sono equivalenti a quelle del pentano nelle applicazioni investigate, ma il cui impatto ambientale è decisamente inferiore. Gli autori hanno sviluppato in Matlab un set flessibile di codici per valutare la configurazione di design ottimale e il funzionamento a carico parziale del ciclo di bottoming. Lo strumento di ottimizzazione per identificare la configurazione di impianto più performante è in grado di studiare cicli subcritici e supercritici. Il codice riceve come input le condizioni nominali di temperatura ambiente e condizioni dei fumi di scarico della turbina, e ottimizza tre variabili interne per trovare l'ottimo termodinamico. Lo strumento di simulazione per il funzionamento a carico parziale valuta la potenza generata dalla configurazione di design alle condizioni di funzionamento della centrale di ricompressione e si tempertaura ambiente. La metodolgia per calcolare le prestazioni energetiche del sistema è discussa. La configurazio dell'ORC che garantisce la massima potenza generata (6.31 MW,el) è identificata. La produzione annua di energia (42.62 GWh,el) rivela buone prospettive per l'applicazione dell'ORC con l'obbiettivo di ridurre l'impatto ambientale delle centrali di ricompressione del gas naturale.