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

Abstract

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.