Learning Centre

Modelling biomass-fuelled small-scale CHP plants for process synthesis optimisation

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Savola, Tuula
dc.date.accessioned 2012-02-24T08:22:09Z
dc.date.available 2012-02-24T08:22:09Z
dc.date.issued 2007-06-15
dc.identifier.isbn 978-951-22-8802-1
dc.identifier.issn 1795-4584
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2876
dc.description.abstract In this work possible process improvements for biomass-fuelled small-scale combined heat and power (CHP) plants are evaluated and a new mixed integer nonlinear programming (MINLP) model for process synthesis optimisation of these processes is presented. Small-scale (1-20 MWe) CHP plants are of interest, as in Finland the potential to increase the CHP production is in converting small heating units to CHP production. However, the profitability of these small-scale CHP investments should be higher than today. The small-scale CHP plants are usually operated according to the heat demand of a district heating network or an industrial process. Thus, the possibility to increase the profitability of these plants is in improving their power-to-heat ratios (α) or electrical efficiencies (ηe). The possibilities to increase the power production of small-scale CHP plants are studied here with simulations and optimisation. Especially, a superstructure of the possible process improvements and a MINLP model including the special properties of small-scale CHP plants is developed for the process synthesis optimisation. Unlike previous models of CHP processes, the model includes the modelling of pressures and steam and water property functions that depend both on temperatures and pressures. Also, a new model for a back-pressure steam turbine is developed. This model takes into account the nonlinear efficiency changes in the regulation stage of the turbine, the changes caused by the exhaust losses at the end of the turbine, and the dependence of pressure on the steam mass flow through the turbine at part loads. The part load operation of the small-scale CHP plants is incorporated into the model with multiperiods. With the developed simulation and optimisation models the profitability of the process changes in small-scale CHP processes based on existing plants are evaluated. With the addition of a steam reheater, a feed water preheater, and a two-stage district heat exchanger the simulation and optimisation models found profitable processes where α is increased from 0.23-0.50 to 0.45-0.50, depending on the size of the plant. Similarly, ηe is increased in a profitable way from 0.17-0.30 to 0.28-0.30. If also natural gas is used as fuel and a gas engine integrated to the process, the efficiencies are further improved. In general, the process alternatives and model formulations presented here can be useful in the design and planning of new efficient small-scale CHP processes. Some of the model formulations can be utilised also in the modelling of other energy related processes with similar challenges as in the modelling of small-scale CHP plants. en
dc.description.abstract Tässä työssä arvioidaan mahdollisia sähköntuotantoa parantavia prosessimuutoksia biomassaa polttaville pienille yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotannon (CHP) laitoksille ja esitetään uusi jatkuvia ja kokonaislukumuuttujia sisältävä epälineaarinen (MINLP) malli näiden laitosten optimointiin. Suomessa potentiaalia CHP-tuotannon lisäämiseen on lähinnä pienen kokoluokan lämpölaitoksilla ja näiden muuntamisella yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon, joten pienet (1-20 MWe) CHP-prosessit ovat tällä hetkellä erityisen kiinnostavia. Jotta tarvittavat investoinnit saataisiin nykyistä kannattavammiksi, tulisi näiden pienten CHP-laitosten tehokkuuden parantua. Kaukolämpöverkon tai teollisuusprosessin lämmöntarve määrää usein pienten CHP-laitosten ajotavan. Mahdollisuus pienten CHP-laitosten kannattavuuden parantamiseen on nostaa niiden sähköntuotannon hyötysuhdetta (ηe) ja/tai rakennusastetta (α) eli tuotetun sähkömäärän suhdetta tuotettuun lämpömäärään. Sähköntuotannon lisäämistä pienissä CHP-laitoksissa tutkitaan tässä työssä simuloimalla ja optimoimalla valittuja prosesseja. Erityisesti on kehitetty ns. superstruktuuri mahdollisista pienten CHP-laitosten sähköntuotantoa nostavista prosessimuutoksista ja siihen perustuva MINLP-malli laitosten prosessisynteesin optimointiin. Aikaisemmista malleista poiketen uusi MINLP-malli sisältää paineiden mallinnuksen ja standardin mukaiset vesihöyryn ja veden entalpian ja entropian funktiot, jotka riippuvat sekä lämpötilasta että paineesta. Lisäksi vastapainehöyryturbiinille on kehitetty uusi malli, joka huomioi säätövyöhykkeen ja höyryn ulosvirtaushäviöiden aiheuttamat epälineaariset turbiinin hyötysuhteen muutokset sekä turbiinin höyryn paineen ja höyryn massavirran riippuvuuden osakuormilla. Pienen CHP-laitoksen osakuorma-ajo on mallinnettu jakamalla laitoksen toiminta useaan eri ajanjaksoon. Pienten CHP-laitosten prosessimuutosten kannattavuutta arvioidaan kehitetyillä simulointi- ja optimointimalleilla. Höyryn välitulistuksen, syöttöveden esilämmityksen ja kaksivaiheisen kaukolämmönvaihtimen lisäämiseen prosessiin on kannattavia mahdollisuuksia, joissa laitoksen koosta riippuen α nousee tasolta 0.23-0.50 tasolle 0.45-0.50 ja ηe tasolta 0.17-0.30 tasolle 0.28-0.30. Maakaasua käyttävän kaasumoottorin lisäys prosessiin nostaa hyötysuhteita edelleen. Kehitettyjä malleja voidaan hyödyntää erityisesti uusien pienten CHP-laitosten prosessien suunnittelussa. Useat mallin osat voivat olla hyödyllisiä myös muiden energiasysteemien optimoinnissa, joissa on ratkaistavana samankaltaisia mallinnuksen haasteita kuin pienten CHP-laitosten kohdalla. fi
dc.format.extent 111, [60]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries TKK dissertations en
dc.relation.ispartofseries 75 en
dc.relation.haspart Savola, T. and Keppo, I. 2005. Off-design simulation and mathematical modeling of small-scale CHP plants at part loads. Applied Thermal Engineering 25 (8-9): 1219-1232.
dc.relation.haspart Savola, T. and Fogelholm, C.-J. 2006. Increased power to heat ratio of small scale CHP plants using biomass fuels and natural gas. Energy Conversion and Management 47 (18-19): 3105-3118.
dc.relation.haspart Savola, T. and Fogelholm, C.-J. 2007. MINLP optimisation model for increased power production in small-scale CHP plants. Applied Thermal Engineering 27 (1): 89-99.
dc.relation.haspart Tveit, T.-M., Savola, T. and Fogelholm, C.-J. 2005. Modelling of steam turbines for mixed integer nonlinear programming (MINLP) in design and off-design conditions of CHP plants. In: J. Amudsen, H. I. Andersson, E. Celledoni, T. Gravdahl, F. A. Michelsen, H. R. Nagel, T. Natvig (eds.), Proceedings of the 46th Conference on Simulation and Modeling (SIMS 2005), 13-14 October 2005, Trondheim, Norway. Trondheim, Tapir Academic Press: 335-344.
dc.relation.haspart Savola, T., Tveit, T.-M. and Fogelholm, C.-J. 2007. A MINLP model including the pressure levels and multiperiods for CHP process optimisation. Applied Thermal Engineering 27 (11-12): 1857-1867.
dc.subject.other Energy en
dc.title Modelling biomass-fuelled small-scale CHP plants for process synthesis optimisation en
dc.title Pienten biomassaa polttavien CHP-laitosten mallinnus ja optimointi fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan osasto fi
dc.subject.keyword energy systems en
dc.subject.keyword CHP en
dc.subject.keyword MINLP en
dc.subject.keyword modelling en
dc.subject.keyword simulation en
dc.subject.keyword optimisation en
dc.subject.keyword energiasysteemit fi
dc.subject.keyword CHP fi
dc.subject.keyword MINLP fi
dc.subject.keyword mallinnus fi
dc.subject.keyword simulointi fi
dc.subject.keyword optimointi fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-009347
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.lab Laboratory of Energy Engineering and Environmental Protection en
dc.contributor.lab Energiatekniikan ja ympäristönsuojelun laboratorio fi
local.aalto.digifolder Aalto_65467
local.aalto.digiauth ask


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse