Multi-Period Optimization of Organic Rankine Cycles (Orc) Design Under Waste Heat Load Variability

Multi-Period Optimization of Organic Rankine Cycles (Orc) Design Under Waste Heat Load Variability. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS_Thesis_Hani Al Saed_g201706490.pdf
Restricted to Repository staff only until 4 January 2023.

Download (1MB)

Arabic Abstract

يبين التوافر الهائل للحرارة المهدرة في الصناعة أوجه القصور والممارسات المهدرة المستخدمة حاليا في القطاع الصناعي. هذه الطاقة المهدرة ال تكلف المرافق الصناعية فقط أمواال إضافية لتشغيلها، بل تضيف أيضا تأثيرا سلبيا على البيئة. هذا التأثير ليس فقط من إنتاج ثاني أكسيد الكربون الزائد ولكن أيضا من إنتاج مصدر ثابت للهواء ذو درجة الحرارة العالية الذي يتدفق إلى الغالف الجوي. وقد أظهرت االهتمامات في استخدام الحرارة المهدرة منخفضة الدرجة بواسطة دورة رانكن العضوية. يشبه عمل هذه الدورة دورة رانكن التقليدية ولكن تختلف من حيث نوع السائل المستخدم. في الممارسة العملية، غالبا ما تعمل مرافق التشغيل في قطاع النفط والغاز على الخطط والجداول الزمنية المتوقعة التي تفرض أحمال مختلفة للمصنع على مدار دورة حياة المصنع. وبالتالي، فإن الحرارة المهدرة المتولدة داخل هذه المرافق سوف تزيد وتنقص مع زيادة ونقصان األحمال للمصنع. هذا النوع من التغييرات في الحمل يؤدي إلى صعوبة لتصميم حجم دورة رانكن العضوية المناسب الستعادة الحرارة المهدرة وتحويلها الى طاقة كهربائية. تصميم حجم صغير من هذه التقنية سوف يقلل من كفاءة استرداد الحرارة المهدرة، في حين أن اإلفراط في الحجم سيجعلها تعمل بأحمال جزئية عندما يعمل المصنع بأحمال أقل. تشغيل هذه التقنية في األحمال الجزئية من شأنه أن يقلل من كفاءة محرك التوربينة والمضخة وبالتالي خفض كفاءة هذه التقنية وتقليل توليد الطاقة الكهربائية الخضراء. من أجل االستفادة القصوى من الحرارة المهدرة وتحويلها الى الطاقة الكهربائية الخضراء باإلضافة إلى تعظيم الفائدة االقتصادية طوال دورة حياة المشروع، يجب تحديد الحجم األمثل للتقنية من البداية باستخدام تقنيات التحسين. في هذا العمل، تم تطوير تصميم متزامن متعدد الفترات ونموذج تحسين خارج التصميم لتحديد الحجم األمثل لتقنية تحويل الحرارة المهدرة الى الطاقة الكهربائية الخضراء مع مراعاة جميع القيود العملية. يتم في هذا العمل أيضا، تحليل دراسة حالة وحلها لمرفق غاز الضغط الذي يتم تشغيله بواسطة توربينات غاز االحتراق وتوليد حرارة مهدرة مصاحبة مع غازات المداخن.

English Abstract

The overwhelming availability of waste heat in industry indicates the inefficiencies current practices used in the industrial sector. Besides the extra money the facilities are paying to operate, it also adds an additional environmental impact. This impact is not just from excess CO2 production but also from a steady source of high temperature air flowing into the atmosphere. Interests has been shown in low-grade waste heat recovery by Organic Rankine Cycle (ORC). ORC is similar to a typical Rankine Cycle but differs in terms of the type of working fluid. Which is here a low temperature boiling refrigerant. In practice, operating facilities in Oil and Gas sector often operate on forecasted plans and schedules that impose different plant loads over the plant life cycle. Consequently, the waste heat generated within these facilities would be fluctuating along with plant loads. This kind of load changes results in difficulty for designing a proper ORC size for waste heat recovery. Under-sizing of the ORC will minimize the waste heat recovery efficiency, while over-sizing will make the ORC run at partial loads when the plant is running at lower loads. Operating the ORC at partial loads would lower the efficiency of the turbo-expander and the pump and therefore lower the efficiency of ORC cycle and minimize the power generation. In order to maximize the waste heat to power conversion in addition to maximizing the economic benefit throughout the life cycle of the project, the optimum sizing of the ORC should be identified from the beginning using optimization techniques. In this work, a multiperiod simultaneous design and off-design optimization model is developed to identify the optimum ORC size subject to all process constraints. A case study is analyzed and solved for compression gas facility that is driven by combustion gas turbines (CGT) and generate waste heat, flue gases, though the combustion exhaust.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Department: College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor: Baaqeel, Hassan
Committee Members: Al-Mutairi, Eid and Zahid, Umer
Depositing User: HANI ALSAED (g201706490)
Date Deposited: 06 Jan 2022 08:41
Last Modified: 06 Jan 2022 08:41
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142012