Organiczny obieg Rankina do produkcji energii elektrycznej z ciepła odpadowego w tłoczni gazu. Część I: Model matematyczny systemu i sformułowanie zadania optymalizacji

Basic organic Rankine cycle (ORC), and two variants of regenerative ORC have been considered for the recovery of exhaust heat from natural gas compressor station. The modelling framework for ORC systems has been presented and the optimisation of the systems was carried out with turbine power output as the variable to be maximized. The determination of ORC system design parameters was accomplished by means of the genetic algorithm. The study was aimed at estimating the thermodynamic potential of different ORC configurations with several working fluids employed. The first part of this paper describes the ORC equipment models which are employed to build a NLP formulation to tackle design problems representative for waste energy recovery on gas turbines driving natural gas pipeline compressors.W artykule analizowano organiczny obieg Rankine’a (ORC) w wariancie podstawowym i z regeneracją ciepła, w celu odzyskiwania ciepła odpadowego w tłoczni gazu. Przedstawiono model matematyczny elementów systemu oraz sformułowano problem optymalizacji systemu, przyjmując maksymalizację mocy elektrycznej produkowanej w instalacji odzysku ciepła jako funkcję celu. Zadanie optymalizacji rozwiązano z wykorzystaniem algorytmu genetycznego. Celem badań było oszacowanie potencjalnych możliwości produkcji energii elektrycznej przy różnych konfiguracjach układu ORC oraz przy różnych czynnikach roboczych. W pierwszej części pracy przedstawiono uproszczony model matematyczny obiegu ORC, który posłużył do sformułowania zadania programowania nieliniowego, pozwalającego na rozwiązywanie typowych problemów projektowych instalacji odzysku ciepła z turbin gazowych w stacjach przetłocznych gazu

Organiczny obieg rankina do produkcji energii elektrycznej z ciepła odpadowego w tłoczni gazu. Część II: Symulacja i optymalizacja instalacji

After having described the models for the organic Rankine cycle (ORC) equipment in the first part of this paper, this second part provides an example that demonstrates the performance of different ORC systems in the energy recovery application in a gas compressor station. The application shows certain specific characteristics, i.e. relatively large scale of the system, high exhaust gas temperature, low ambient temperature operation, and incorporation of an air-cooled condenser, as an effect of the localization in a compressor station plant. Screening of 17 organic fluids, mostly alkanes, was carried out and resulted in a selection of best performing fluids for each cycle configuration, among which benzene, acetone and heptane showed highest energy recovery potential in supercritical cycles, while benzene, toluene and cyclohexane in subcritical cycles. Calculation results indicate that a maximum of 10.4 MW of shaft power can be obtained from the exhaust gases of a 25 MW compressor driver by the use of benzene as a working fluid in the supercritical cycle with heat recuperation. In relation to the particular transmission system analysed in the study, it appears that the regenerative subcritical cycle with toluene as a working fluid presents the best thermodynamic characteristics, however, require some attention insofar as operational conditions are concerned.W pierwszej części artykułu przedstawiono modele matematyczne elementów siłowni ORC, natomiast niniejsza, druga część artykułu, zawiera przykład ilustrujący efektywność różnych systemów ORC w instalacji odzysku ciepła w stacji przetłocznej. W wyniku lokalizacji w stacji przetłocznej, instalacja wyróżnia się pewnymi charakterystycznymi cechami, takimi jak stosunkowo duża wielkość systemu, praca przy niskich temperaturach otoczenia, zastosowanie skraplacza chłodzonego powietrzem. Obliczenia optymalizacyjne przeprowadzone dla 17 płynów pozwoliły na wybór odpowiednich czynników roboczych dla każdej konfiguracji obiegu, wśród których benzen, aceton i heptan wykazały najwyższą możliwość odzysku energii w obiegach nadkrytycznych, podczas gdy benzen, toluen i cykloheksan w obiegach podkrytycznych. Wyniki obliczeń pokazują, że dysponując strumieniem spalin z turbiny gazowej o mocy 25 MW, za pomocą benzenu jako czynnika roboczego, można uzyskać w obiegu nadkrytycznym z regeneracją ciepła maksymalną moc mechaniczną na wale turbiny wynoszącą 10,4 MW.W odniesieniu do systemu przesyłowego analizowanego w tej pracy najlepszym wariantem siłowni ORC z punktu widzenia charakterystyki termodynamicznej jest obieg nadkrytyczny z regeneracją ciepła przy zastosowaniu toluenu jako czynnika roboczego, jednak jego stosowanie mogłoby powodować problemy eksploatacyjne podczas użytkowania instalacji

Optymalne sterowanie siecią gazową

An algorithm for optimal control of a gas network with any configuration based upon hierarchical control and decomposition of the network is described. Local problems are solved using a gradient technique. The subsystems are coordinated using „good coordination” method to find the overall optimum. Discrete state equation for the case in which output pressures are treated as elements of the control vector has been formulated. Results of investigations are included.W artykule omówiono algorytm optymalnego sterowania siecią gazową o dowolnej konfiguracji wykorzystujący teorię systemów hierarchicznych oraz zasady dekompozycji systemu na podsystemy. Lokalne problemy optymalizacji są rozwiązywane stosując metodę gradientową. Koordynacja rozwiązań lokalnych pozwala na znalezienie rozwiązania optymalnego dla całego systemu. Optymalizowany system opisano za pomocą dyskretnego równania stanu przyjmując, że elementami wektora sterowania są wartości ciśnienia wyjściowego elementów nierurowych. W artykule przedstawiono rezultaty badań algorytmu

Analiza porównawcza modeli przepływu gazu w rurociągu w stanach ustalonych

One-dimensional, non-isothermal flow of gas in a straight pipe has been considered to predict pressure and temperature profiles along the horizontal pipeline under steady-state conditions. Selected analytical models for the simplified calculation of these profiles are evaluated on the basis of the numerical solution of the accurate model, which incorporates the convective term in the momentum equation and the kinetic energy term in the energy equation, while treating the enthalpy as a function of pressure and temperature. For closure of the system of the conservation equations, the GERG 2004 equation of state was chosen. In order to present the discrepancies introduced by the models, the results of the numerical and analytical solutions are compared with the field data. The results show that in the case of the high pressure gas transmission system, the effects of the convective term in the momentum equation and the kinetic energy term in the energy equation are negligible for pipeline pressure and temperature calculation accuracies. It also indicates that real gas effects play an important role in the temperature distribution along the pipeline and cannot be neglected from the calculation when approximate analytical equations are used.W artykule analizowano jednowymiarowy, nieizotermiczny przepływ gazu w stanie ustalonym w celu określenia zmian ciśnienia i temperatury w poziomym gazociągu. Wyniki uproszczonych obliczeń za pomocą wybranych modeli analitycznych zostały porównane z wynikami obliczeń uzyskanych za pomocą numerycznego całkowania modelu dokładnego, zawierającego człon konwekcyjny w równaniu pędu oraz człon energii kinetycznej w równaniu energii, jednocześnie przyjmując entalpię jako funkcję ciśnienia i temperatury. W celu zamknięcia układu równań zachowania zastosowano równanie stanu zgodnie z metodą GERG 2004. Dla przedstawienia niedokładności związanych z zastosowaniem różnych modeli, przeprowadzono weryfikację wyników na zbiorze danych rzeczywistych. Wyniki pokazują, że w przypadku systemów przesyłowych wysokiego ciśnienia, wpływ członu konwekcyjnego w równaniu pędu oraz członu energii kinetycznej w równaniu energii jest pomijalny z punktu widzenia dokładności obliczeń wartości ciśnienia i temperatury w gazociągu. Ponadto, wyniki pokazują, że prawidłowy opis właściwości gazu rzeczywistego odgrywa ważną rolę w obliczeniach zmian temperatury wzdłuż gazociągu i powinien być stosowany w przypadku przybliżonych metod analitycznych

Power-to-gas technologies in terms of the integration with gas networks

In a situation of surplus electricity production from fluctuating renewable energy sources, the optimal allocation, capacity and security of energy storage will play a pivotal role in the management of energy systems. In this context, highly flexible storage facilities providing access to stored energy at very short times are gaining in importance. Power-to-gas technologies combined with the injection of the produced gas to the natural gas network create the possibility of using the existing natural gas infrastructure to store large amounts of electricity converted into chemical energy of the fuel. This paper provides overview of selected demonstration projects carried out in this field. The literature review of the sensitivity of the elements of the gas value chain to the increased hydrogen concentrations is conducted. Next, the results of the simulation study of the effect of hydrogen injection on the hydraulic properties of a gas distribution network providing gas to 1167 customers are presented

Exergy-based analysis of gas transmission system with application to Yamal-Europe pipeline

This paper presents a thermodynamic analysis of a gas transmission system consisting compressor stations and pipeline sections. It has been assumed that the compressor station comprises a gas turbine-driven compressor and a gas cooler, and the irreversibility of the processes associated with the gas transmission was investigated. The exergy method was used to determine the amount of work supplied to the components of the pipeline system and the amount of work that is lost during the gas transmission. For the case study, the Yamal-Europe pipeline is chosen. In this study, a nonisothermal, steady-state gas flow model was used for comparing the performance of the gas transmission system under different cooler operating set points. The pipeline flow and the compressor station processes were governed by the equations which include real-gas model based on virial equation of state.Gas transmission system Compressor station Gas cooler Gas pipeline Exergy Efficiency

Ocena zjawiska tworzenia się hydratów w warunkach nieustalonego przepływu gazu w gazociągach

This work presents a transient, non-isothermal compressible gas flow model that is combined with a hydrate phase equilibrium model. It enables, to determine whether hydrates could form under existing operating conditions in natural gas pipelines. In particular, to determine the time and location at which the natural gas enters the hydrate formation region. The gas flow is described by a set of partial differential equations resulting from the conservation of mass, momentum, and energy. Real gas effects are determined by the predictive Soave-Redlich-Kwong group contribution method. By means of statistical mechanics, the hydrate model is formulated combined with classical thermodynamics of phase equilibria for systems that contain water and both hydrate forming and non-hydrate forming gases as function of pressure, temperature, and gas composition. To demonstrate the applicability a case study is conducted.W artykule omówiono model nieustalonego, nieizotermicznego przepływu gazu w rurociągu, który uwzględnia model gazowego hydratu w stanie równowagi fazowej. To pozwala określić czy hydraty mogą tworzyć się w określonych warunkach eksploatacji gazociągu a w szczególności określić czas oraz miejsce ich tworzenia. Przepływ gazu jest opisany za pomocą układu równań różniczkowych cząstkowych utworzonych w oparciu o równanie zachowania masy, pędu, energii oraz równanie stanu wykorzystujące równanie Soave-Redlich-Kwonga. Za pomocą mechaniki statystycznej, model hydratu jest formułowany w oparciu o równowagę fazową dla układów zawierających wodę oraz gazy tworzące i nie tworzące hydraty jako funkcję ciśnienia, temperatury oraz składu gazu

Nieliniowa optymalizacja sieci gazowej wysokiego ciśnienia z uwzględnieniem zapobieganiu hydratów

In this paper, gas pipeline optimization includes constraints resulting from hydrate prevention. The key is to seek for the optimal settings of both: the compressor units and hydrate combating method at minimum fuel consumption subject to security of supply and hydrate prevention. A case study is conducted on the Polish section of the Yamal pipeline and an arbitrarily selected partial onshore and offshore pipeline. Three different configurations are investigated: (i) cooling the compressed gas, (ii) no cooling and (iii) line heating immediately after the compressor station. For each configuration, the fuel consumption of the compressors is minimized and in order to prevent hydrate formation, the outlet temperature of the line heater, allowable water vapour in the gas and methanol concentration are calculated for each pipe section. The hydrate model is based on the statistical mechanical approach of Van der Waals and Platteeuw and applicable for systems that contain water (free or dissolved in gas), methanol and mixed gases both hydrate and non-hydrate formers.W artykule omówiono zagadnienie optymalizacji gazowego systemu przesyłowego uwzględniając dodatkowo ograniczenia wynikające z warunków tworzenia się hydratów. Kryterium optymalizacji to minimum zużycia paliwa w tłoczniach gazu. Badania przeprowadzono na polskiej części gazociągu jamalskiego dla trzech przypadków pracy tłoczni: chłodzenie gazu w tłoczni, brak chłodzenia oraz podgrzewanie gazu za stacją przetłoczną. Dla każdego wariantu, zużycie paliwa przez sprężarki jest minimalizowane oraz w celu przeciwdziałania tworzenia się hydratów, temperatura wyjściowa podgrzewacza jest obliczana a także obliczana jest zawartość pary wodnej i metanolu w gazie dla każdej sekcji gazociągu. Zastosowany model hydratu jest oparty na modelu Van der Waalsa oraz Platteeuw