Dynamic modelling and analyses of an organic Rankine cycle plant exploiting the waste heat of a natural gas compressor station

The aim of this thesis is the development of the dynamic model of a waste heat recovery ORC plant applied to a natural gas pipeline compressor station. The ORC plant recovers thermal power from the exhaust gases of the gas turbine which mechanically drives the natural gas compressor. The cycle processes refrigerant R1233zd(E) as working fluid, a new compound having a remarkably low environmental impact. The investigated system has been previously optimized from a thermodynamic point of view in the work “Optimal design of a waste heat recovery ORC in natural gas pipelines” (Alfani, Brizzi. Politecnico di Milano – 2016). In order to build the dynamic model of the power plant, the authors implemented the sizing of each cycle component. Heat exchangers have been sized with Aspen® Exchanger Rating & Design, while pump and turbine have been modelled using their performances maps. The dynamic analysis of the system has been developed on Dymola® using different libraries to build-up models of each component. Particularly, the ThermoPower library (Casella, Leva. Politecnico di Milano) has been mainly used. Dynamic simulations have been performed to evaluate how the ORC plant responses to both smooth and sudden variations of ambient temperature and exhaust gases conditions. The target is to analyze the transient behavior of the plant, paying particular attention on measuring settling times and on ensuring that the control strategy is able to keep the plant in safety.

Questa tesi ha l'obiettivo di sviluppare il modello dinamico di un impianto ORC a recupero di calore precedentemente ottimizzato da un punto di vista termodinamico nel lavoro “Optimal design of a waste heat recovery ORC in natural gas pipelines, Politecnico di Milano – 2016” (Alfani, Brizzi. Politecnico di Milano – 2016). L'impianto considerato recupera energia termica dai gas di scarico di una turbina a gas che fornisce la potenza richiesta dal compressore di una stazione di ricompressione del gas naturale. Il fluido di lavoro del ciclo è il refrigerante R1233zd(E), un nuovo composto con un impatto ambientale notevolmente basso. Prima di costruirne il modello dinamico, gli autori hanno svolto il dimensionamento di ogni componente del ciclo. Gli scambiatori di calore sono stati dimensionati con Aspen® Exchanger Rating & Design, mentre la pompa e la turbina sono state modellate utilizzando le loro curve caratteristiche. Il modello dinamico del sistema è stato sviluppato su Dymola® utilizzando diverse librerie per costruire i modelli di ciascun componente. In particolare, è stata ampiamente utilizzata la libreria ThermoPower (Casella, Leva. Politecnico di Milano). Le simulazioni dinamiche hanno il principale scopo di valutare la dinamica del sistema in risposta a variazioni, sia graduali che improvvise, di temperatura ambiente e delle condizioni dei gas di scarico, prestando particolare attenzione alla misurazione dei tempi di assestamento e assicurando che la strategia di controllo sia in grado di mantenere l'impianto in condizioni di sicurezza.