FRRo - Producción académica de posgrado - Doctorado en Ingeniería - Tesis

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    Aplicación de técnicas de programación matemática y métodos de integración de procesos para determinar la síntesis y el diseño óptimo de una planta de cogeneración de ciclo combinado
    (2017-03-29) Manassaldi, Juan Ignacio; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás José
    La presente tesis trata sobre el modelado matemático, simulación y optimización de ciclos combinados operando en forma desacoplada y acoplada a otros procesos, como por ejemplo, sistemas de utility y planta de captura de CO2. Precisamente, la tesis presenta modelos matemáticos utilizando programación matemática y metodologías “alternativas” para optimizar la configuración y el diseño de sistemas de cogeneración de vapor y electricidad. El planteamiento del problema de optimización se resolverá postulando una superestructura de configuraciones alternativas considerando la posibilidad de intercambios de calor en paralelo, serie y serie-paralelo entre la corriente de gas que abandona la turbina de gas y el fluido circulante del ciclo de vapor. De esta manera, la superestructura embebe numerosas alternativas para la configuración de los equipos las cuales son tenidas en cuenta simultáneamente por el algoritmo de optimización. La ventaja principal de este tipo de planteo es que al modificar las especificaciones de diseño permite determinar en forma automática la configuración óptima correspondiente. Durante el desarrollo de la tesis, se proponen y resuelven diferentes problemas de optimización considerando diferentes funciones objetivos y considerando fija la demanda de electricidad, según se detalla a continuación: 1) minimización del área total de transferencia de calor, 2) minimización del consumo de combustible, 3) minimización del costo total (inversión y costo de operación). Los modelos y metodologías de solución se aplican a la optimización de la configuración, diseño y operación de un sistema de cogeneración acoplado a distintos procesos, por ejemplo a un proceso de captura de CO2 utilizando aminas. Finalmente, la metodología es aplicada también para optimizar la síntesis y diseño de plantas de “utility” (configuración del ciclo combinado y configuración del sistema de turbinas y válvulas) considerando diferentes niveles de demandas de potencia y vapor. Las metodologías de solución se componen de procedimientos sistemáticos basados en el empleo de técnicas de Programación Mixta Entera No Lineal (MINLP), utilizando variables binarias para imponer restricciones de diseño de tipo estructural (configuración de los equipos) y variables continúas relacionadas con las condiciones de operación. Los resultados encontrados son comparados con los obtenidos por otros resolvedores tradicionales para modelos MINLP.
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    Optimización de Plantas de Generación de Energía Eléctrica incluyendo Sistemas de Captura de CO2.
    (2015-03-20) Mores, Patricia Liliana; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás José
    La demanda de energía eléctrica se encuentra en constante crecimiento en el mundo actual, lo que exige la concreción de nuevas opciones de generación que resulten competitivas, en vista del amplio abanico de tecnologías que se encuentran disponibles para tal fin. Por otra parte, la reducción de emisiones de sustancias contaminantes (material particulado, gases con efecto invernadero) constituye un aspecto clave en la aprobación de nuevos proyectos, debido a la sanción de tratados internacionales y regulaciones ambientales progresivamente más restrictivas. Debido a la necesidad de satisfacer tanto la creciente demanda de energía como la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, se están realizando enormes esfuerzos para mejorar la performance de los sistemas de captura y compresión de CO2 acoplados a sistemas de generación de energía eléctrica. Específicamente, la integración de estos procesos es objeto de estudio en diferentes áreas de investigación. El presente trabajo de tesis propone modelar y optimizar procesos de captura de CO2 para el tratamiento de gases de combustión generados en plantas de producción de energía alimentadas por combustibles fósiles. Mediante el empleo de técnicas basadas en programación matemática, se pretende realizar el estudio del proceso global, considerando en la etapa de diseño preliminar tanto las variables operativas como las de dimensionamiento de cada uno de los equipos presentes. En función de lo expresado, se plantean los siguientes objetivos: Objetivo General: Contribuir en la búsqueda de soluciones tecnológicas conducentes a la disminución de emisiones gaseosas generadas en plantas de producción de vapor y electricidad, teniendo como meta principal una producción de energía eléctrica más limpia, de manera tal de no alterar el medioambiente. Objetivos Específicos: Generar un modelo matemático de optimización que permita abordar la síntesis y el diseño de plantas nuevas de cogeneración de vapor y electricidad incluyendo el tratamiento de sus emisiones gaseosas. Proponer una estrategia de solución para el modelo resultante, que garantice la obtención de soluciones óptimas al variar los principales parámetros del proceso. Se pondrá especial énfasis en la convergencia del modelo, evitando en lo posible soluciones óptimas locales, definiendo un procedimiento eficiente de inicialización de las variables. Estudiar y comparar, desde un punto de vista energético, económico y ambiental, la integración de la planta de producción de energía eléctrica con la planta de captura de CO2. El consumo de servicios auxiliares de ambos procesos es significativo, lo que implica elevados costos de operación. En consecuencia, es indispensable proponer un proceso integrado eficiente con el fin de disminuir el costo total anual, teniendo en cuenta los niveles umbrales permitidos de emisión de gases de efecto invernadero. Finalmente, a partir del planteo de diferentes casos de estudio y distintas funciones objetivo, se evaluará la performance del sistema captura de CO2 y del sistema “captura de CO2+generación” desde un punto de vista termodinámico y también económico.