Designing of an organic rankine cycle power plant by using low enthalpy geothermal resources

Abstract

Bu tez, Türkiye'de kullanılmayan düşük entalpili ve düşük debili jeotermal akışkanın elektrik üretiminde kullanılması için bir ORC sistemi geliştirmeyi amaçlamaktadır. 150 ton/saat debide ve 90 °C sıcaklıkta olan düşük sıcaklıklı jeotermal kaynaklardan yararlanarak Organik Rankine Çevrimine (ORC) dayalı bir santralın performansının ve ana ekipmanlarının (ön ısıtıcı, buharlaştırıcı ve hava soğutmalı kondenser) detay tasarımlarının hesaplanması için ORC Designer isimli detaylı bir MATLAB programı geliştirilmiştir. ORC Designer programının MATLAB algoritması farklı çalışma koşulları için ORC'nin tüm ana ekipmanlarına uygulanmış; ekipmanların geometrileri ve santral performansı üzerinde optimizasyonlar yapmaya imkan tanımıştır. Öncelikle, ORC sistemi yeterli sayıda ön ısıtıcı, bir adet buharlaştırıcı, bir adet hava soğutmalı condenser, bir adet türbin, bir adet pompa ve bir adet rekuperatörden oluşmaktadır. ORC sisteminde yapılan modellemede tüm çevrim içi akışkanlar için reküperatörsüz sistemin daha yüksek brüt güç vermesinden dolayı rekuperatör ORC'den çıkarılmıştır. Sistem dokuz farklı organik çevrim içi akışkan ile değerlendirilmiştir. Çevrim içi akışkanların en yüksek net güç üretimine göre sıralaması, R218, n-pentan, izo-pentan, R245FA, R123, n-bütan, R236FA, izo-bütan, R134A, olup sırasıyla 197kWe, 189 kWe, 186kWe,182 kWe, 181 kWe, 180 kWe, 177 kWe ve 166 kWe net enerji üretmektedirler. En yüksek verim ve net güç üretimi açısından optimum çevrim içi akışkan n-pentan bulunmuştur. N-pentanın toplam debisi ORC sirkülasyonunda 39.791 ton/saat'tir. N-pentanlı ORC, ortam hava sıcaklığı 18 °C iken 90 °C'de 150 ton/saat jeotermal su kullanarak %5.6 brüt ve %4.32 net verimlilikle 245 kWe brüt ve 189 kWe net elektrik üretmektedir.

This thesis aims to develop an ORC system to utilize the low enthalpy, low flow rate geothermal fluid, which is unused in Turkey, for power generation. A detailed MATLAB program which is named as ORC Designer is developed to evaluate the performance of an Organic Rankine Cycle (ORC) and detailed main-component (preheater, evaporator, and air-cooled condenser) design on low-temperature geothermal resources such as 150 tons/hour flow at 90 ℃ temperature. MATLAB algorithm of ORC Designer Program has implemented for all equipment of ORC for different working conditions, and it is developed to make optimization for performance and geometrical conditions of the equipment. First, ORC system is modelled with enough preheater, an evaporator, an air-cooled condenser, a turbine, a pump, and a recuperator. The recuperator was removed from the system because the gross energy production of ORC system without recuperator calculated higher than ORC system with recuperator system for all working fluids. The system was evaluated nine dry organic working fluids: the ranking of working fluids from highest to lowest net power generation are R218, n-pentane, iso-pentane, R245FA, R123, n-butane, R236FA, iso-butane, R134A with net power productions of 197kWe, 189 kWe, 186kWe, 182 kWe, 181 kWe, 180 kWe, 177 kWe and 166 kWe, respectively. N-pentane is found as the optimum working fluid in terms of the highest efficiency and net power generation. The total flow rate of n-pentane is 39.791 tons/hour at circulation. ORC with n-pentane generates 245 kWe gross and 189 kWe net electricity with 5.6% gross and 4.32% net efficiency by using 150 tons/hour geothermal brine at 90 °C while ambient air temperature is 18 °C.