Otimização de ciclos Rankine orgânicos para recuperação de calor residual offshore com melhor eficiência e controle de temperatura sob condições dinâmicas.

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Barbosa, Rafael Silverio
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Ciclos de Rankine orgânicos; Compressor; Design; Dynamic simulation; Gas turbine; Optimization; Organic Rankine cycle; Otimização; Simulação dinâmica; Turbinas a gás
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-26082024-105205/

A contribuição do Pré-Sal para a produção de petróleo no Brasil torna essa região e seus ativos estratégicos para o país. Para alcançar essa produção, FPSOs têm sido amplamente utilizados. No entanto, as metas de redução de emissões de gases de efeito estufa apresentam desafios para o design de sistemas térmicos. A baixa eficiência térmica das turbinas a gás e a significativa quantidade de calor desperdiçado na planta de processamento precisam ser abordadas nos próximos anos. Nesse contexto, a aplicação de ciclos orgânicos de Rankine (ORC) em plataformas tem sido estudada. Dadas as características dos módulos de potência e dos sistemas de processamento a bordo, o design do ORC deve considerar tanto os aspectos térmicos quanto operacionais. Esta tese apresenta uma metodologia inovadora de design de ORC utilizando o algoritmo HORCAT, que combina Lógica Fuzzy e enxame de partículas para maximizar a produção de energia elétrica do ORC e minimizar o volume dos equipamentos. Este método é aplicado para a recuperação de calor da exaustão de uma turbina a gás GE LM2500+, com um modelo computacional calibrado especificamente para esta aplicação com base no desempenho de equipamentos operando no Pré-Sal. Adicionalmente, uma aplicação inovadora de ORCs é proposta para o controle de temperatura na descarga de módulos de compressão. Regime permanente, condições fora do ponto de projeto e dinâmicas são aplicadas. Funções objetivo complexas, tipicamente usadas na literatura para teste de algoritmos de otimização multiobjetivo foram utilizadas para a avaliação do HORCAT, com resultados comparáveis ou superiores aos das referências. O modelo da turbina a gás simulou demandas típicas observadas em FPSOs, como tomadas e rejeições de carga. A calibração contra dados operacionais reais levou ao desenvolvimento de um simulador robusto para a GE LM2500+. Para a recuperação do calor residual da turbina a gás, o HORCAT gerou 16 designs, avaliados sob condições de carga parcial e dinâmica. A faixa de potência elétrica variou de 489 kW a 1,97 MW. Em condições dinâmicas, o número de soluções viáveis diminuiu de 16 para 12, alinhando-se com a resposta de potência à temperatura de exaustão da turbina a gás, que utilizou um controlador proporcional simples de vazão mássica para o fluido de trabalho. Para a aplicação de controle de temperatura do compressor, a abordagem inovadora viabilizada pelo HORCAT, juntamente com a avaliação das condições dinâmicas e de um controlador PID otimizado, levou a designs com significativa produção de energia e com volume adequado para potencial implementação no mundo real. A resposta desses designs em condições transitórias levou a uma redução de 50% no número de designs válidos durante simulações transitórias. A aplicação de controladores PID para gerenciar condições transitórias revelou nuances de desempenho, incluindo pequenos sobre-sinais em ORCs de maior volume. Isso enfatizou que condições de regime permanente, por si só, são inadequadas para avaliar este tipo de aplicação. No entanto, apesar de uma queda de eficiência de 18% em carga total para 7% em carga mínima, o controle de temperatura incrementou a geração de energia.