Analysis of organic Rankine cycles considering both expander and cycle performances

With the shortage of fossil fuel availability and the deterioration of the environment, new strategies and non-conventional methodologies for energy supply have been proposed. The effective use of low and medium temperature energy sources is one of the main directions to follow to reduce CO2 emissions and attend to Kyoto protocol. Distributed electricity (and heat) generation, energy-savings as well as renewable sources thus received great attention in these last years. The organic Rankine cycle (ORC) technology has proved a valid alternative for waste heat recovery from different energy sources, e.g. exhausted gas flows from industrial and micro gas turbines, biomass and internal combustion engines. Owing to its feasibility and reliability, ORC power systems have received widespread attention from industries and academia. This work is focused on the optimization of an axial-flow-turbine design by means of a computational model, capable of evaluating turbine efficiency as a function of expander inlet conditions, and on the coupling of the obtained results into a complete ORC power plant model to achieve a more reliable evaluation of its performances. The computational model had been aforetime developed in the context of previous studies but it was improved and optimized for the purpose of this work. A new validation process in order to verify its performance and reliability was so performed. The turbine code was afterwards integrated with the full cycle model. In order to reduce the computational time and ensure convergence, the turbine efficiency map was built. The full ORC model was applied in the context of the Draughen offshore platform with different boundary conditions and plant configurations. The comparison between the results obtained with a constant-turbine-efficiency model and the ones achieved computing explicitly the expander performance shows, for this latter case, a progressively decrement in turbine efficiency for increasing values of pressure ratio, followed by a progressively flattening power curve. The reduction in output power is almost 1 MW with respect to a maximum estimated power of 6.3 MW, thereby yielding to a relative reduction of about 15.12% in the most general case. In the next step, the rotational speed was included among the optimizing parameters and another turbine map was built, allowing to evaluate cycle performances accounting for a turbine with optimized rotational speed. It was found the addition of a gearbox can significantly improve turbine efficiency, with a benefit in power of about 500 kW that implies a relative increment of 7.5% with respect to the results obtained in the previous case. A first approximated attempt to evaluate the convenience of a gearbox insertion shows this configuration seems profitable; however, more detailed information about gearbox efficiency, weight and volume, as well as data on the effective load regime and utilization factor are required to evaluate properly its profitability, depending the revenue mainly on this latter parameter. In the end, a different optimization was performed, aiming to minimize the specific cost instead of maximizing turbine efficiency. The results show the economic-best efficiency configuration for the turbine appears to be slightly different from the thermodynamic one, even if the value of obtained specific cost and efficiency are very close.

Il progressivo esaurimento dei combustibili fossili e il deterioramento dell'ecosistema terrestre ha comportato nell'ultimo decennio una accesa ricerca di nuove strategie per la produzione di energia. L'uso efficace di risorse energetiche a media e bassa temperatura è una delle principali strade da intraprendere per rispettare il protocollo di Kyoto. Per questo motivo, la generazione distribuita di energia elettrica e calore, il risparmio energetico e le risorse rinnovabili hanno ricevuto sempre più attenzione in questi anni. L'impiego di fluidi organici si è dimostrato una valida alternativa per il recupero di calore da svariate tipologie di fonti energetiche (correnti gassose provenienti da microturbine e turbine a gas industriali, biomassa, motori a combustione interna e sorgenti geotermiche). Per via della loro affidabilità e semplicità, i cicli ORC hanno ricevuto sempre più interesse sia da parte di industrie che da enti di ricerca. Lo scopo principale del presente lavoro consiste nell'ottimizzare il design di una turbina assiale monostadio attraverso un codice computazionale, in grado di generare una stima di rendimento dell'espansore per date condizioni in ingresso, e di inserire i risultati ottenuti in un modello completo di ciclo ORC, valutando le prestazioni dell'impianto al variare dell'efficienza della turbina. Il modello computazionale è stato sviluppato nell'ambito di studi precedenti ma è stato migliorato e ottimizzato per essere impiegato nel presente lavoro. E' stato pertanto necessario validare il codice per comprenderne i suoi reali limiti e potenzialità. Il codice computazionale è stato successivamente integrato nel modello completo di impianto mediante la realizzazione della mappa di ottimo rendimento della turbina a numero di giri costante. Il modello di ciclo è stato applicato nel contesto della Draugen offshore platform con differenti condizioni al contorno e configurazioni di impianto. Il confronto tra le prestazioni dell'impianto calcolate assumendo un rendimento di turbina costante e calcolando le prestazioni della macchina mostra, per quest'ultimo caso, una curva di potenza la cui pendenza decresce progressivamente con l'aumentare del rapporto di pressione, causando una riduzione di potenza di circa 1 MW su una potenza massima calcolata di 6.3 MW, con una riduzione relativa del 15.12%. Nella fase successiva, il numero di giri della macchina è stato ottimizzato ed è stata ottenuta una nuova mappa dell'espansore, consentendo di calcolare le prestazioni del ciclo con una turbina a numero di giri ottimizzato. L'incremento di efficienza dell'espansore consente di aumentare la potenza ottenuta di circa 500 kW, con un incremento relativo di circa il 7.5% rispetto ai risultati ottenuti nel test precedente. Una indicazione di massima sulla convenienza economica legata all'impiego di una turbina a numero di giri ottimizzato mostra che questa seconda configurazione sembra essere conveniente. Tuttavia, per una stima più accurata sono necessari ulteriori dati su peso, volume ed efficienza dello stesso, nonché una stima più accurata del fattore di utilizzo e delle effettive condizioni di carico dell'impianto. Infine, è stato effettuato un ultimo processo di ottimizzazione, scegliendo di minimizzare il costo specifico della turbina anziché ottimizzare il rendimento. I risultati mostrano che la configurazione di minimo costo specifico sono leggermente differenti da quelle ottenute con una ottimizzazione termodinamica, sebbene i valori di efficienza e costo specifico ottenuti nei due processi siano molto vicini.