Analysis of a trigeneration application for LNG plants

This thesis has been performed in collaboration with Eni and Baker Hughes, and focuses on the integration of a trigeneration system in Liquefied Natural Gas (LNG) plants with a Mixed Refrigerant (MR) technology. An absorption refrigeration cycle is powered by waste heat from power generation gas turbines, and it is aimed to cool the intake air of MR gas turbines. The objective is to increase gas turbine power output and LNG production in high-temperature environments where gas turbine performance is strongly affected. A simulation model for the absorption chiller has been developed and validated in Aspen Plus® , using different sources from literature and a sensitivity analysis has been carried out to study the relation between chiller performance and operative parameters. A thermodynamic analysis of the whole system has been conducted using real operational data and simulations. The absorption chiller model has been demonstrated useful and accurate for a first design analysis, with a thorough study of the operational variables influencing its performance. The implementation of an absorption cycle into an LNG plant can increase each MR gas turbine power with a small and negligible electrical load required by the absorption chiller. These results can lead to possible higher LNG production rates and increased profits. These outcomes demonstrate the potential of waste heat recovery applied to LNG plants and the possible effect of trigeneration application on a real case study.

Il seguente lavoro è stato svolto in collaborazione con Eni e Baker Hughes, e analizza l'integrazione di un sistema trigenerativo su impianti di liquefazione del gas naturale con tecnologia a refrigerante misto (MR). Il ciclo frigorifero ad assorbimento è alimentato dal calore di scarto proveniente dalle turbine a gas per produzione di energia elettrica e raffredda l'aria in ingresso delle turbine a gas nei circuiti del MR. L'obiettivo è incrementare la potenza erogata dalle turbine e la produzione di gas naturale liquefatto (GNL) in zone ad alta temperatura, dove il funzionamento dei cicli a gas viene penalizzato dalle calde condizioni ambientali. Un modello di simulazione per il ciclo ad assorbimento è stato sviluppato in Aspen Plus® e validato tramite diverse fonti di letteratura, con un'analisi di sensitività che ha consentito di approfondire il legame tra le prestazioni del refrigeratore e le sue variabili operative. L’intero sistema di recupero è stato analizzato tramite l’uso di dati reali e simulazioni. Il modello del ciclo ad assorbimento risulta utile e accurato per una prima analisi di design; lo studio approfondito permette una scelta ottimale dei suoi parametri operativi al fine di ottenere migliori prestazioni. L'implementazione del ciclo ad assorbimento in un impianto GNL permette di aumentare la potenza di ciascuna turbina a gas MR, con un carico elettrico richiesto dal refrigeratore ad assorbimento piccolo e trascurabile, permettendo di ottenere un aumento di produzione di GNL e di profitti economici. Il lavoro dimostra il potenziale di recupero del calore di scarto dalle turbine a gas negli impianti di GNL e il possibile effetto della trigenerazione su un caso studio reale.