Manassaldi-Aplicación de técnicas de programación matemática y métodos de integración de ...

235 Pages·2017·4.33 MB·Spanish

by  Juan I. Manassaldi

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

Facultad Regional Córdoba – Facultad Regional Rosario
Tesis presentada como parte de los requisitos de la Universidad Tecnológica Nacional para la
obtención del Grado Académico de Doctor en Ingeniería.

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.

Doctorando: Ing. Juan Ignacio Manassaldi
Directores: Dr. Sergio F. Mussati, Dr. Nicolás J. Scenna
Jurados: Dra. María Isabel Sosa, Dr. Aldo Vecchietti, Dr. José Alberto Bandoni

Rosario, Argentina – Febrero de 2017

A mi mujer Laura y mi hijo Pedro

V

Agradecimientos
A mis directores de tesis, Dr. Sergio F. Mussati y Dr. Nicolás J. Scenna, quienes con su
constante apoyo y confianza en mi trabajo han sido un aporte invaluable, no solamente en el
desarrollo de esta tesis, sino también en mi formación como investigador.
Quiero expresar un sincero agradecimiento al Dr. Alejandro S. M. Santa Cruz y a la Dra.
Sonia J. Benz quienes me abrieron por primera vez las puertas a la investigación y docencia.
A la Dra. Patricia L. Mores por compartir desinteresadamente sus conocimientos sobre
captura de CO .
2
A todos los miembros del CAIMI con quienes compartí mis años de formación como
alumno de grado y de postgrado.
A mi mujer Laura por su apoyo incondicional y a nuestro hijo Pedro que hace que todo el
esfuerzo valga la pena.
A mi familia, en especial a mi madre, por su constante estímulo durante toda mi vida.
Al CAIMI y a la Regional Rosario de la UTN por brindarme mucho más que un lugar de
trabajo.
A la Universidad Tecnológica Nacional y al Consejo Nacional de Investigaciones
Científicas y Técnicas (CONICET) por el apoyo económico brindado como beca de estudios para la
realización de esta tesis.

VII

Resumen
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 CO .
2
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 CO utilizando aminas. Finalmente, la metodología es aplicada también para
2
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.

Índice General
Índice de Figuras ........................................................................................................................... XIV
Índice de Tablas ........................................................................................................................ XVIII
Capítulo 1: Introducción, Objetivos y Estructura de la Tesis ....................................................... 1
1.1 Introducción........................................................................................................................... 1
1.2 Metodologías de Integración de procesos. ............................................................................ 2
1.2.1 Métodos basados en la Primera Ley Termodinámica (Tecnología Pinch) .................... 2
1.2.2 Métodos basados en la Segunda Ley Termodinámica. .................................................. 4
1.2.3 Métodos basados en Optimización Matemática............................................................. 8
1.3 Objetivos de la Tesis ........................................................................................................... 10
1.4 Organización de la Tesis ..................................................................................................... 11
Capítulo 2: Diseño Óptimo de un Ciclo Combinado de Generación de Potencia ...................... 14
2.1 Introducción......................................................................................................................... 14
2.2 Propiedades Termodinámicas.............................................................................................. 16
2.2.1 Propiedades termodinámicas de las corrientes del ciclo de gas ................................... 17
2.2.2 Propiedades termodinámicas de las corrientes del ciclo de vapor ............................... 18
2.2.3 Niveles de presión ........................................................................................................ 19
2.3 Equipos que intervienen en un ciclo combinado ................................................................. 19
2.3.1 Turbina de Gas ............................................................................................................. 20
2.3.2 Turbina de Vapor sin extracción .................................................................................. 21
2.3.3 Turbina de Vapor con extracción ................................................................................. 22
2.3.4 Caldera de recuperación de calor y generación de vapor (HRSG) .............................. 23
2.3.4.1 Economizadores y Sobrecalentadores .................................................................. 25
2.3.4.2 Evaporadores ........................................................................................................ 26
2.3.5 Condensadores ............................................................................................................. 27
2.3.6 Desaireador .................................................................................................................. 27
IX
X

2.3.7 Bombas......................................................................................................................... 28
2.3.8 Válvulas ....................................................................................................................... 29
2.3.9 Mezcladores ................................................................................................................. 29
2.3.10 Divisores ...................................................................................................................... 30
2.4 Funciones objetivo .............................................................................................................. 30
2.5 Parámetros y cotas del modelo ............................................................................................ 31
2.6 Casos de estudio .................................................................................................................. 33
2.6.1 Modelo matemático de optimización de un ciclo combinado de generación de
potencia con 3 niveles de presión ............................................................................................... 33
2.6.1.1 Propiedades Termodinámicas ............................................................................... 34
2.6.1.2 Balances de materia, energía y ecuaciones de diseño de los equipos ................... 36
2.6.1.3 Ejemplos de Aplicación del Modelo Matemático ................................................ 39
2.6.2 Verificación del modelo matemático propuesto. Comparación de soluciones obtenidas
con soluciones reportadas por otros autores ............................................................................... 43
2.6.2.1 Función objetivo y resultados ............................................................................... 45
2.7 Conclusión del capítulo ....................................................................................................... 49
Capítulo 3: Síntesis y Diseño Optimo de un Ciclo Combinado de Generación de Potencia ..... 51
3.1 Introducción......................................................................................................................... 51
3.2 Síntesis del recuperador de calor de un ciclo combinado operando con tres niveles de
presión sin considerar recalentamiento de vapor ........................................................................... 54
3.2.1 Selección/eliminación de los intercambiadores de calor ............................................. 54
3.2.2 Selección/eliminación de bombas ................................................................................ 59
3.3 Síntesis del recuperador de calor de un ciclo combinado operando con tres niveles de
presión considerando recalentamiento de vapor ............................................................................ 61
3.3.1 Selección del ingreso de vapor para recalentamiento .................................................. 62
3.4 Casos de estudio .................................................................................................................. 67
3.4.1 Implementación de los modelos de optimización de la configuración y diseño de un
recuperador de calor perteneciente a un ciclo combinado sin y con recalentamiento ................ 67