OTIMIZAÇÃO DE SUPERESTRUTURAS PARA A RECUPERAÇÃO DE CALOR RESIDUAL DE UMA TERMELÉTRICA BRASILEIRA A MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTÃO INTERNA

Página do item simplificado
bibo.pageEnd316
dc.contributor.advisor1Santos, José Joaquim Conceição Soares
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-3695-2014
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6666040476009642
dc.contributor.authorMorawski, Alexandre Persuhn
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-1158-3083
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0116066750864705
dc.contributor.referee1Carvalho, Monica
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-8524-3452
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7491245049317833
dc.contributor.referee2Silva, Julio Augusto Mendes da
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3724171990188048
dc.contributor.referee3Lora, Electo Eduardo Silva
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0001-8969-3541
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/5479717772667720
dc.contributor.referee4Ramos, Rogerio
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000000344932435
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/2975022316691139
dc.contributor.referee5Donatelli, João Luiz Marcon
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/2019757368415541
dc.date.accessioned2024-05-30T00:49:41Z
dc.date.available2024-05-30T00:49:41Z
dc.date.issued2021-08-31
dc.description.abstractThe Brazilian thermal power plants were originally designed to serve as standby energy security for the grid, which is mainly supported by hydroelectric plants. The internal combustion engine (ICE) power plants eliminate copious amounts of residual heat through exhaust gases and cooling water. The current scenario has led to an increase in the operational times of these plants. An attractive solution for increasing power and efficiency in this situation is waste heat recovery (WHR). A variety of technologies and configurations can be used for WHR. The selection of the best WHR system is not a simple task, and the solution should not be generalized for different applications. In this context, optimization approach using mathematical programming has the advantage of providing a domain-independent systematic framework. In this thesis, a superstructure method is used for structural and parametric thermoeconomic optimization, selecting the best WHR for a Brazilian ICE power plant, considering UTE Viana as case study. The specificities and uncertainties of the Brazilian electricity scenario are taken into account through different operational and economic boundary conditions. The selection of the most suitable objective function that characterize the specificities of a Brazilian power plant is analyzed, as well as the influence of these objective functions on the optimization results. Moreover, is evaluated the influence of different heat carriers and economies of scale application. Four technologies are considered: conventional Rankine cycle (CRC), organic Rankine cycle (ORC), Kalina cycle (KC), and absorption chillers for intake air cooling (ChA). The adopted objective functions are: operating profit, net power, specific cost of investment, and specific cost of the generated power. The results demonstrate that the optimization responses are highly influenced by the objective functions, especially when different types of technologies are compared. The results analysis showed that the operating profit is the most suitable objective function to WHR of Brazilian power plants, accounting the uncertainties of the Brazilian scenario by means of annual dispatch hours and variable unit cost (VUC). The ORC alternative presented the best results when maximizing the operating profit, being indicated as the best alternative for WHR of Brazilian ICE power plants. The importance of a complete and simultaneous structural and parametric thermoeconomic optimization using the superstructure method was verified with the extensive variation of the optimum synthesis and parameters of the ORC. The optimization results showed that the influence of different objective functions, operational and economic boundary conditions, heat carries and economies of scale are present both in the variation of parametric variables, as in structural variables. For an optimistic scenario of dispatch and variable unit cost of electricity, the WHR using ORC systems can increase the power plant generation capacity up to 9.4%. For a more realistic scenario of boundary conditions, using an ORC system can increase the power plant generation capacity up to 5.4%. Keywords: Superstructure. Thermoeconomic optimization. Waste heat recovery. Brazilian thermal power plants. Internal combustion engines.
dc.description.resumoAs termelétricas brasileiras foram originalmente projetadas para servir como suporte ao sistema elétrico, suportado principalmente pelas usinas hidrelétricas. Termelétricas equipadas com motores alternativos de combustão interna (MACI) rejeitam grandes quantidades de calor residual através dos gases de exaustão e água de resfriamento. O atual cenário elétrico brasileiro tem levado ao aumento do despacho destas termelétricas. Uma solução atrativa para aumentar a potência e a eficiência nesta situação é a recuperação de calor residual. Uma variedade de tecnologias e configurações podem ser usadas para recuperação de calor. A escolha pelo melhor sistema não é uma tarefa simples e a solução não deve ser generalizada para diferentes aplicações. Neste contexto, métodos de otimização matemática apresentam vantagem de fornecer uma metodologia sistemática e independente do domínio. Nesta tese, um método de superestruturas é utilizado para otimização termoeconômica estrutural e paramétrica, visando selecionar o melhor sistema de recuperação de calor para uma termelétrica brasileira a MACI, considerando a UTE Viana como estudo de caso. As especificidades e incertezas do cenário elétrico brasileiro são estabelecidas através de diferentes condições de contorno operacionais e econômicas. A escolha da função objetivo que melhor caracterize as particularidades de uma termelétrica brasileira é analisada, assim como a influência destas funções objetivo nos resultados das otimizações. Além disso, é avaliada a influência da utilização de diferentes métodos de acoplamento na recuperação de calor e da aplicação de economia de escala. Quatro tecnologias são consideradas: ciclo Rankine convencional (CRC), ciclo de Rankine orgânico (ORC), ciclo Kalina (KA) e chillers por absorção para resfriar o ar de admissão do motor (ChA). As funções objetivo adotadas são: lucro operacional, potência líquida, custo específico de investimento e custo da energia elétrica gerada. Os resultados demonstram grande influência das funções objetivo nas respostas das otimizações, principalmente quando diferentes tipos de tecnologias são comparados. As análises dos resultados determinam que a utilização da função objetivo lucro operacional é a mais adequada à recuperação de calor de termelétricas brasileiras, permitindo a contabilização das incertezas do cenário brasileiro através das horas anuais de despacho e custo variável unitário (CVU). A alternativa ORC apresentou os melhores resultados para a maximização do lucro operacional, sendo indicado como melhor alternativa para a recuperação de calor residual de termelétricas brasileiras com MACI. A importância de uma otimização termoeconômica estrutural e paramétrica completa e simultânea, utilizando o método de superestruturas, foi evidenciada com a extensa variação da síntese e parâmetros ótimos do ORC. Os resultados mostraram que as influências da função objetivo, das diferentes condições de contorno operacionais e econômicas, do método de acoplamento e da economia de escala estão presentes tanto na mudança das variáveis paramétricas, como das variáveis estruturais. Para um cenário otimista de horas de despacho e CVU, a recuperação de calor com sistemas ORC possibilita um aumento da capacidade de geração da termelétrica em 9,4%. Para um cenário mais realista das condições de contorno, a utilização de um sistema ORC possibilita um aumento na capacidade de geração de 5,4%.
dc.description.sponsorshipFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/14908
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.subjectSuperestruturas
dc.subjectotimização termoeconômica
dc.subjectrecuperação de calor residual
dc.subjecttermelétricas brasileiras
dc.subjectmotores alternativos de combustão interna
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleOTIMIZAÇÃO DE SUPERESTRUTURAS PARA A RECUPERAÇÃO DE CALOR RESIDUAL DE UMA TERMELÉTRICA BRASILEIRA A MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTÃO INTERNA
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis
Arquivos
Pacote Original
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
AlexandrePersuhnMorawski-2021-tese.pdf
Tamanho:
13.95 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descrição:
Baixar
Coleções
Doutorado em Engenharia Mecânica