Facultad Regional Rosario
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Item A strategy for the economic optimization of combined cycle gas turbine power plants by taking advantage of useful thermodynamic relationships(Elsevier, 2010-11-01) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséOptimal combined cycle gas turbine power plants characterized by minimum specific annual cost values are here determined for wide ranges of market conditions as given by the relative weights of capital investment and operative costs, by means of a nonlinear mathematical programming model. On the other hand, as the technical optimization allows identifying trends in the system behavior and unveiling optimization opportunities, selected functional relationships are obtained as the thermodynamic optimal values of the decision variables are systematically linked to the ratio between the total heat transfer area and the net power production (here named as specific transfer area). A strategy for simplifying the resolution of the rigorous economic optimization problem of power plants is proposed based on the economic optima distinctive characteristics which describe the behavior of the decision variables of the power plant on its optima. Such approach results in a novel mathematical formulation shaped as a system of nonlinear equations and additional constraints that is able to easily provide accurate estimations of the optimal values of the power plant design and operative variables.Item Actas del Congreso de Ingeniería de Procesos y Productos 2016(Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Rosario. Secretaría de Ciencia y Tecnología, 2016-03-30) Benz, Sonia JudithActas del Congreso de Ingeniería de Procesos y Productos 2016, realizadas en la Facultad Regional Rosario de la UTN, los días 30 y 31 de marzo y 1 de abril de 2016Item An optimization model for evaluating the economic impact of availability and maintenance notions during the synthesis and design of a power plant(Elsevier, 2017-01-27) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséIn this paper, we introduce an optimization strategy in order to comprehensively quantify the impact of availability and maintenance notions during the early stages of synthesis and design of a new natural gas combined cycle power plant. A detailed state-space approach is thoroughly discussed, where influence of maintenance funds on each component’s repair rate is directly assessed. In this context, analysis of the reliability characteristics of the system is centered at two designer-adopted parameters, which largely influence the obtained results: the number of components which may fail independently at the same time, and the number of simultaneous failure/repair events. Then, optimal solutions are evaluated as the availability-related parameters and the amount of resources assigned for maintenance actions are varied across a wide range of feasible values, which enable obtaining more accurate and detailed estimations of the expected economic performance for the project when compared with traditional economic evaluation approaches.Item Aplicación del enfoque de ingeniería de reacción (REA) para modelar el secado de orujos por convección.(2021-10) Bonfigli, Mónica Beatriz; Arias, Ana Marisa; Mores, Patricia Liliana; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás José; Masciarelli, RoqueLa bioeconomía es una alternativa para afrontar la demanda de alimentos y energía para una población en crecimiento y además mitigar los impactos adversos sobre el medio ambiente y los recursos naturales que originan su producción. Incluye el aprovechamiento de desechos de procesos industriales para la generación de bioproductos con valor agregado, como los que pueden obtenerse a partir de orujo de uva. En los procesos de obtención, la operación de secado es fundamental y un buen modelo es importante para el diseño del secadero y la evaluación de su rendimiento. El objetivo de este trabajo es utilizar el enfoque de ingeniería de reacción (REA), una técnica simple pero precisa, para modelar el secado de orujos por convección. La curva de energía de activación normalizada, obtenida a partir de una experiencia a 100 °C se utilizó para predecir la cinética de secado y los perfiles de temperatura a 60 °C. El REA demostró capturar adecuadamente la física del proceso. El coeficiente de determinación (R2) se determinó en 0,996 y 0,997 (en promedio) para predecir la temperatura y el contenido de humedad, respectivamente. La principal ventaja es que se requiere una única experiencia minuciosa para generar la curva de energía de activación normalizada y luego utilizarla para predecir otros contenidos de humedad y perfiles de temperatura del material. Este modelo puede utilizarse para proyectar la operación en otras condiciones e implementarse fácilmente para diseñar nuevas instalaciones de secado u optimizar las existentes.Item Economic implications when considering availability in the optimal design and operation of a NGCC power plant.(2012-09) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás José- Traditionally, power plants are designed to fulfll a pre-specified external demand, usually by oversizing the existing equipment, which implies excessive capital costs and might even result in designs that cannot satisfy demands for certain situations. Therefore, in order to avoid large economic penalties if power demand is not satisfied, the design and operation of such systems need to consider the effect of reliability considerations and maintenance funds allocation on the system design and operative characteristics. In the present work, a MINLP formulation is developed to address the design and operation of power plants while considering the implications of a statespace availability modeling approach and of a comprehensive maintenance funds allocation policy. Then, the decision variables are optimized simultaneously throughout several maintenance and failure situations that configure difeerent scenarios, in order to ensure that the plant will be able to cope with them while meeting the expected requirements at minimum cost.Item Families of optimal thermodynamic solutions for combined cycle gas turbine (CCGT) power plants(Elsevier, 2009-10-30) Godoy, Ezequiel; Scenna, Nicolás José; Benz, Sonia JudithOptimal designs of a CCGT power plant characterized by maximum second law efficiency values are determined for a wide range of power demands and different values of the available heat transfer area. These thermodynamic optimal solutions are found within a feasible operation region by means of a nonlinear mathematical programming (NLP) model, where decision variables (i.e. transfer areas, power production, mass flow rates, temperatures and pressures) can vary freely. Technical relationships among them are used to systematize optimal values of design and operative variables of a CCGT power plant into optimal solution sets, named here as optimal solution families. From an operative and design point of view, the families of optimal solutions let knowing in advance optimal values of the CCGT variables when facing changes of power demand or adjusting the design to an available heat transfer area.Item Impacto de nociones de disponibilidad en la evaluación económica de proyectos de generación óptimos(Federal University of Santa Catarina, 2013-10-01) Godoy, Ezequiel; Martin, Victor; Benz, Sonia JudithEl presente trabajo tiene por objetivo estudiar el impacto de considerar distintas nociones de disponibilidad durante la formulación del proyecto de inversión de una planta de generación por ciclo combinado. En primer lugar, se propone una estrategia para determinar el horizonte operativo equivalente del sistema, que incluye el cómputo de las erogaciones en que se incurren debido a la operación en todo el conjunto de estados degradados que la planta atraviesa a lo largo de su vida útil. En segundo lugar, se propone incluir una funcionalidad entre disponibilidad y recursos asignados para mantenimiento, con objeto de asegurar que se podrá alcanzar la meta de generación fijada frente a las cambiantes condiciones que la planta debe afrontar. Luego, se analizan las mejoras obtenidas en los indicadores económicos óptimos del proyecto, observándose un incremento del atractivo de las opciones de inversión generadas desde las etapas tempranas de diseño de la planta.Item Implications of a state-space approach for the economic optimal design of a NGCC power plan.(2014-10) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséA detailed state-space approach is here embedded in the optimization model for the economic design of a new natural gas combined cycle (NGCC) power plant. This proposal comprehensively quantifies the impact of different adopted values for two critical parameters: the number of simultaneously and independently failed components, and the number of simultaneous events. The former depicts the maximum number of components (gas turbines, steam turbine, HRSGs, auxiliary services, etc.) that seem feasible to fail because of independent causes at the same time. The latter describes the maximum number of transitions between operating conditions, which is directly linked to the amount of available maintenance resources (personnel, parts, etc). Implications of a wide array of values for these two parameters over the economic optimal solutions are thoroughly discussed, where it is observed that more accurate and detailed estimations of the expected economic performance for the project are attained.Item Life cycle oriented design of a GT + 1PSH HRSG type CCGT power plant .(2009-12) Godoy, Ezequiel; Scenna, Nicolás José; Benz, Sonia JudithIn the present work, a life cycle oriented approach is used for designing power plants in a way they can satisfy the desired demand along the whole time horizon, while selected economic indicators of the project are optimized. As case study, optimal design characteristics as well as optimal values of long term operation parameters of a GT + 1PSH HRSG Type CCGT power plant (GT: gas turbine, 1PSH: 1 pressure with superheater, HSRG: heat recovery steam generator, CCGT: combined cycle gas turbine) are obtained by means of a multiperiod mathematical model, seeing that the net present value of the facility is maximized. In addition, advantages of the life cycle oriented approach are discussed when compared with a power plant design obtained by traditional methods.Item Optimal economic strategy for the multiperiod design and long-term operation of natural gas combined cycle power plants.(Elsevier, 2012-08-25) Godoy, Ezequiel; Scenna, Nicolás José; Benz, Sonia JudithOptimal power plant designs are achieved by means of a proposed multiperiod non-linear programming formulation that utilizes the net present value as objective function, while construction, operation and dismantling of the generation facility are accounted for. In addition, optimal operative characteristics are also established for each operative time period, in a way that the system constraints are always satisfied. Based on the life cycle oriented economic optimal characteristics, a reduced model is proposed as strategy for simplifying the resolution of the rigorous multiperiod model. Trends in the system behavior are identified, enabling the reduction of the multiperiod formulation into a system of non-linear equations plus additional constraints, which allows easily computing accurate estimations of the optimal values of the design variables as well as the time-dependent operative variables.Item Optimal life cycle oriented design of a GT + 1PSH HRSG type CCGT power plant.(2010) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséIn the present work, a life cycle oriented approach is used for designing power plants in a way they can satisfy the desired demand along the whole time horizon, while a selected performance indicator of the project is optimized. As case study, optimal design characteristics as well as optimal values of long term operation parameters of a GT + 1PSH HRSG Type CCGT power plant (GT: gas turbine, 1PSH HRSG: 1 pressure with superheater-heat recovery steam generator, CCGT: combined cycle gas turbine) are obtained by means of a multiperiod mathematical model, seeing that the selected performance indicator is maximized. In addition, advantages of the life cycle oriented approach results are discussed when compared with a power plant design obtained by traditional methods.Item Secado por convección de desechos industriales susceptibles de revalorización: modelado matemático y validación a través de la aproximación a la Ingeniería de las Reacciones.(Universidad Nacional de Cuyo. Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria, 2022-04) Bonfigli, Mónica Beatriz; Arias, Ana Marisa; Mores, Patricia Liliana; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséLa bioeconomía circular surge como un nuevo paradigma productivo donde la clave es la sostenibilidad en el uso de los recursos. En él se entrelazan los principios de la economía circular, donde un producto no se considera un residuo al final de su vida útil, y de la bioeconomia que trata sobre la biologización de la creación de valor industrial. Este paradigma aboga por el uso continuo de recursos, sugiriendo la mejora de la durabilidad de equipos, instalaciones e infraestructura, así como la revalorización de desechos para otros procesos industriales. El orujo de uva y la okara de soja son subproductos de bajo valor comercial que contienen una cantidad importante de componentes valiosos de los que pueden obtenerse productos con valor agregado. Su generación masiva y su perecibilidad debido al contenido de humedad hacen necesaria la operación de secado. Para obtener el producto final deseado con la menor demanda energética posible, es indispensable estudiar las condiciones y cinética de secado. A partir de dicho análisis se determina el tiempo de secado que afecta directamente el tamaño de los equipos y también proporciona información para optimizar el rendimiento de los secaderos existentes. La aproximación a la ingeniería de las reacciones (REA) es un modelo matemático semi-empírico para predecir la evolución higrotérmica durante el secado. La energía de activación relativa es el parámetro característico de la REA, que describe los cambios de comportamientos internos dentro de los materiales durante el secado. Este parámetro es independiente de las condiciones de operación, se genera a partir de una experiencia de secado precisa y se combina con la energía de activación de equilibrio para producir una relación única. Esta característica le otorga al modelo la capacidad de predicción en una amplia gama de condiciones. El objetivo de este trabajo es implementar y evaluar la eficacia de la REA para modelar el secado por convección de orujos de uva y okara de soja. Los resultados del modelo se comparan con datos experimentales. Las curvas de energía de activación normalizada, obtenidas a partir de los datos experimentales a 60 °C para los orujos y a 50 °C para la okara se utilizaron para predecir los perfiles de humedad y temperatura a otras condiciones de secado: 70, 80 y 90 °C para los orujos y 60 y 70 °C para la okara. La REA demostró capturar adecuadamente la física del proceso. Los perfiles de contenido de humedad y temperatura concuerdan muy bien con los datos experimentales, respaldados por R2 superiores a 0.971 para la humedad y 0.988 para la temperatura. El modelo REA resulta un modelo robusto y efectivo para describir el proceso de secado, debido a su predictibilidad y su capacidad de extrapolación en un amplio rango de temperaturas. Es una opción apropiada para ahorrar tiempo y recursos computacionales. Esto es importante si se piensa en optimización de procesos complejos en los cuales el secado es solo una de las operaciones involucradas.Item Síntesis y diseño de sistemas de generación de energía con estrategias de optimización de la disponibilidad(2013-04-01) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséEn el presente trabajo de tesis, el desafío afrontado consiste en el desarrollo de metodologías sistemáticas, flexibles, robustas y de bajo costo computacional que puedan ser aplicadas eficientemente a la resolución de manera óptima del problema de síntesis y diseño de sistemas de generación de energía considerando su ciclo de vida útil, tarea que resulta crítica en el mundo actual para el uso racional de los recursos naturales no renovables. Asimismo, se introducen en la formulación distintas nociones relacionadas a la disponibilidad del sistema, con el objeto último de generar herramientas que puedan asistir al ingeniero de diseño y al gerente de mantenimiento en la toma de decisiones frente a situaciones de riesgo tecnológico y de sugerir estrategias para mejorar la economía de la planta, durante la etapa de diseño conceptual de la misma. Para su estudio, se selecciona un ciclo combinado con post-combustión, múltiples niveles de presión en la caldera de recuperación, y regeneración. Este tipo de sistemas constituye el estado del arte en generación a partir de gas natural, debido a sus altos rendimientos y a su adaptabilidad a distintas condiciones operativas. Debido a la complejidad del problema desde el punto de vista de su planteo y resolución, se avanza en el estudio del mismo en forma progresiva hasta abordar el mismo en forma completa y detallada; ganándose experiencia y conocimientos que serán luego volcados en el desarrollo de metodologías que simplifiquen la estrategia de resolución de la problemática abordada. Desde el punto de vista de la programación matemática, se utilizan formulaciones de programación no-lineal (NLP) y mixta-entera no lineal (MINLP). En ambos casos, las decisiones continuas están vinculadas a las variables tanto de diseño como operativas, que determinan la performance técnico-económica de la planta de generación. Por otra parte, las decisiones discretas se encuentran ligadas a la determinación de la amplia gama de escenarios a los que el sistema deberá responder a lo largo del horizonte de tiempo, que aquí se representan mediante el planteo riguroso del modelo lógico del diagrama de disponibilidad dentro del marco de un enfoque de espacio de estados. Dos distintos horizontes de tiempo se consideran durante el planteo de la formulación matemática para la optimización de la planta de generación. En primer lugar, se utiliza un enfoque clásico, en donde un horizonte de tiempo anual habilita el estudio de las características de las familias de soluciones óptimas, al identificar tendencias en la comportamiento óptimo de las variables de decisión, y permite también resaltar relaciones entre los espacios resultantes de la resolución del problema mediante los enfoques termodinámico y económico. Luego, un horizonte temporal multi-periodo, que considere las distintas etapas del ciclo de vida útil de la planta de potencia, habilita el diseño del sistema frente a condiciones variables en el tiempo, asegurando que se obtengan valores óptimos de los indicadores de performance económicos, que en última instancia posibilita se atraigan nuevas inversiones hacia el proyecto de generación. La evaluación de los ingresos y egresos del proyecto se adapta a la longitud del horizonte de tiempo considerado. Aun así, en todos los casos se proponen formas de expresar los diferentes componentes en función de parámetros asociados a la disponibilidad del sistema, con hincapié en la asignación de recursos para mantenimiento y su interrelación con el comportamiento de las variables de decisión de la planta de generación. La exploración de relaciones funcionales entre las variables de decisión en el espacio de soluciones óptimas, permite que las mismas se utilicen como restricciones adicionales con el objeto de proponer modelos reducidos de las distintas formulaciones antes utilizadas. Dicho proceder constituye una metodología novedosa que logra reducir drásticamente los requerimientos computacionales a la hora de obtener (estimaciones precisas de las) soluciones óptimas, y abre nuevas posibilidades de aplicación a distintos problemas de interés, al permitir simplificar la resolución de problemas más complejos.Item Strategy for optimization of CCGT power plants by solving a simple nonlinear equations system and constraint equations.(2010-07) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás JoséA strategy for the solution of the optimization problem of minimum cost of combined cycle gas turbine power plants is presented. Specific relationships, valid at the optimal solution, among selected decision variables are used to introduce new constraints to the optimization problem. Then, the feasible region is reduced to a “single point”, and the resolution strategy becomes equivalent to solving the resultant set of non-linear equations system and constraint equations so achieved to optimize the system. This approach can also be used to achieve reduced models for real time optimization problems.