Modelling biomass-fuelled small-scale CHP plants for process synthesis optimisation
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2007-06-15
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
111, [60]
Series
TKK dissertations, 75
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.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.Description
Keywords
energy systems, CHP, MINLP, modelling, simulation, optimisation, energiasysteemit, CHP, MINLP, mallinnus, simulointi, optimointi
Parts
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
