Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Modular design and feasibility analysis of a Rankine Compression GasTurbine system for industrial cogeneration
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2018 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Modulär design och genomförbarhet analys av en Rankine komprimering gasturbin för industriell kraftvärme (Swedish)
Abstract [en]

A substantial share of the world’s energy is consumed in the form of heat in many distinct industries, which usually generates it through a boiler and consumes the heat by using steam as an energy carrier. In such factories, a cogeneration installation is economically and environmentally beneficial.

In this thesis, a new type of cogeneration cycle for industrial biomass-fired boilers is studied, the Rankine Compression Gas turbine (RCG) cycle. Consisting in a combined Rankine and Brayton cycle that can be easily integrated in industries using steam boilers, the system presents clear advantages such as a up to 35% higher power output compared to a simple steam turbine system and a quick demand response in the electricity generation, being able to change its power output within seconds.

Firstly, a time-based model is developed by implementing the differential equations that represent the dynamic behavior of all components, culminating in an easy-to-use Matlab-Simulink model; this model presents a robust modular concept, in which distinct systems and equipment can be studied.

Then, a 40 kW pilot RCG system and a 100 kW commercial-scale RCG system are designed, aiming to investigate the system’s behavior and select its components. It is proven that most of the RCG components are found as off-the-shelf products and, thus, with reduced cost when compared to customized ones. The simulations show the system advantages and establish key design criteria for the RCG.

Finally, an economic feasibility analysis of commercial-scale RCG systems is carried out. Even though the system’s feasibility is considerably sensitive to the electricity cost, capacity factor and fuel cost, the RCG system presents a payback time from 2 to 4 years and a levelized cost of electricity between €0.07 and €0.12 per kWh.

Abstract [sv]

En väsentlig del av världens energikonsumtion sker i form av värme inom industrier. Dessa industrier genererar oftast värmen med hjälp av en värmepanna där ånga agerar som energibärare. I dessa industrier är en kraftvärmeinstallation både ekonomisk och miljömässigt försvarbar.

I denna rapport studeras en ny teknik för kraftvärmecykler för industriella värmepannor drivna på biomassa, en så kallad Rankine Compression Gas turbine (RCG) cykel. Bestående av en kombinerad Rankine och Brayton cykel som enkelt kan integreras inom industrier som använder ångpanna. Systemet visar på tydliga fördelar, som up till 35% högre kraftutflöde, jämfört med ett system med en enkel ångturbin. Den har även snabb respons gällande el generering, med möjlighet att ändra produktionen inom fåtal sekunder. 

Inledningsvis utvecklades en tidsbaserad modell genom att implementera differentialekvationerna som representerar komponenternas dynamiska beteende, vilket resulterade i en användarvänlig Matlab-Simulink modell. En modell som representerar en robust modulärt koncept, där distinkta system och utrustning kan studeras. 

Därefter designades ett 40 kW pilot RCG system och ett 100 kW RCG system i kommersielle skala, med förhoppningen att undersöka systemets beteende och välja ut dess komponenter. Det visades att de flesta RCG komponenter är standardprodukter och var därmed billigare än specialbeställda. Simuleringarna visar systemets fördelar samt väsentliga kriterier gällande design och utformning av RCG.  

Slutligen utfördes en ekonomisk genomförbarhetsanalys av storskaliga RCG system. Trots att systemets genomförbarhet är relativt känslig för elkostnader, kapacitetsfaktorn och bränslekostnader, ger RCG systemet en återbetalningstid från 2 till 4 år samt en stabil elkostnad mellan 0,07 och 0,12 euro/kWh

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 92
Series
TRITA-ITM-EX 2018:637
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-246130OAI: oai:DiVA.org:kth-246130DiVA, id: diva2:1295996
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-03-13 Created: 2019-03-13 Last updated: 2019-03-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2574 kB)33 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2574 kBChecksum SHA-512
2405878bd87e32eb82f236878d6530c6ea1422787892f2b503eb0279a2666239aa874a0a0999d9542bd3e43f4a739b43024a6a098526e17d5304b1c248599b59
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 33 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 43 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf