Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Otimização multiobjetivo de uma usina termelétrica de ciclo combinado nas condições de projeto e fora de projeto
Autor(es): SANTOS, Eudes Müller D’Oliveira
Primeiro Orientador: NASCIMENTO, Marco Antônio Rosa
metadata.dc.contributor.advisor-co1: FERREIRA, Sandro Barros
Resumo: Há uma busca constante pela maior disponibilidade de recursos energéticos, uma vez que a energia é um item vital para o desenvolvimento de um país. Projeções para a demanda de eletricidade até 2030 sinalizam para seu aumento, no qual 20% do total da geração de eletricidade será proveniente de usinas termelétricas de ciclo combinado a gás natural, considerada uma das tecnologias mais desenvolvidas para produção de eletricidade. Dada a relevância do combustível gás natural e das usinas termelétricas de ciclo combinado na matriz elétrica e energética, é importante o uso dos recursos disponíveis da forma mais eficiente. Nesta tese foram analisadas três técnicas de otimização (algoritmo genético, enxame de partícula e recozimento simulado) aplicadas a uma usina termelétrica de ciclo combinado em regime permanente, nas condições de projeto e fora de projeto, para realização de uma otimização multiobjetivo. O método proposto foi aplicado previamente no sistema de cogeração CGAM para validação e posteriormente aplicado na usina termelétrica de ciclo combinado. Análises termodinâmica, exergética tradicional e avançada, e econômica foram empregadas. O programa GateCycleTM em conjunto com a ferramenta CycleLink foram utilizados para simulação do modelo do sistema energético na condição de projeto e nas cargas parciais de 90%, 80%, 70%, 60%, 50% e 40%. As funções objetivo minimizadas foram o custo de eletricidade e a taxa de destruição de exergia inevitável total. As variáveis de decisão foram razão de pressão do compressor de ar, eficiência isentrópica do compressor de ar, eficiência isentrópica da turbina a gás, temperatura dos gases de exaustão na entrada da turbina a gás, vazão mássica de combustível para o queimador suplementar, eficiência isentrópica da turbina a vapor e eficiência isentrópica da bomba. O programa modeFRONTIERTM foi utilizado para aplicação das três técnicas de otimização a fim de avaliar as funções objetivo. Os dois sistemas energéticos foram otimizados com cada uma das técnicas de otimização em todas as condições analisadas. Não houve uma técnica unânime no desempenho em todas as condições. Na condição de projeto a UTE de ciclo combinado apresentou custo de eletricidade 11,11% menor e exergia destruída inevitável 23,48% menor, ao aplicar a técnica de enxame de partícula na busca pelos melhores valores das variáveis de decisão, sendo o algoritmo de melhor desempenho nesta condição específica. Em todas as demais condições uma solução ótima também foi obtida.
Abstract: There is a constant search for greater availability of energy resources since energy is a vital item for the development of a country. Projections for electricity demand until 2030 point to an increase, in which 20% of the total electricity generation will come from combined cycle power plants with natural gas, considered one of the most developed technologies for electricity production. Given the relevance of natural gas fuel and combined cycle power plants in the electrical and energy matrix, it is important to use available resources in the most efficient way. In this Thesis, three optimization techniques were analyzed (genetic algorithm, particle swarm and simulated annealing) applied to a combined cycle power plant in steady state, under design and off-design conditions, to perform a multi-objective optimization. The proposed method was previously applied in the CGAM cogeneration system for validation and later applied in the combined cycle power plant. Thermodynamic, traditional and advanced exergetic, and economic analyzes were employed. The GateCycleTM software together with the CycleLink tool were used to simulate the energy system model in design and in the partial loads of 90%, 80%, 70%, 60%, 50% and 40%. The minimized objective functions were the electricity cost and the total unavoidable exergy destruction rate. The decision variables were air compressor pressure ratio, isentropic air compressor efficiency, isentropic gas turbine efficiency, exhaust gas temperature at the inlet of the gas turbine, mass flow of fuel to the duct burner, isentropic efficiency of the steam turbine and isentropic pump efficiency. The modeFRONTIERTM software was used to apply the three optimization techniques in order to evaluate the objective functions. The two energy systems were optimized with each of the optimization techniques in all analyzed conditions. There was no unanimous technique in performance under all conditions. In the design condition, the combined cycle power plant presented an electricity cost 11.11% lower and an inevitable destroyed exergy 23.48% lower, when applying the particle swarm technique in the search for the best values of the decision variables, being the algorithm of better performance in this specific condition. In all other conditions an optimal solution was also obtained.
Palavras-chave: Otimização multiobjetivo
Usina termelétrica de ciclo combinado
Sistema de cogeração CGAM
Algoritmo genético
Enxame de partícula e recozimento simulado
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3316
Data do documento: 10-Dez-2021
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