Estudo de curvas de penalidade para controle de processos aplicado à cogeração de uma planta sucroalcooleira

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Torres, Matheus Henrique Cândido
Data de Publicação: 2025
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.14289/21880
Resumo: In cogeneration systems of sugarcane processing plants, steam is generated in boilers from the combustion heat of sugarcane bagasse to meet variable demands of mechanical drives and heating in process equipment, while simultaneously producing electric power through steam expansion in turbo generators. The cogeneration system is subject to various disturbances caused by fluctuations in utility demands or in the high-pressure steam supply from the boiler. Under such circumstances, critical demands for factory operation must be prioritized with maximum energy efficiency. In many cases, a supervisory system is already in place to suggest adjustments to the flow rates of various steam lines in order to maintain process steam supply, commonly through PID controllers, a single-input and single-output system used to control a multivariable process. In this context, a periodic tuning method for controllers was proposed, comparing proportional and proportional-integral controllers in a cogeneration system, with the objective of improving stability in the steam lines and maximizing energy efficiency. Two optimization algorithms were tested for tuning the proportional and integral gains, BFGS and SLSQP, applied to an objective function that evaluates the sum of the deviation from the set point in steam line pressures and the surplus power generation. The best performance was achieved with the SLSQP method, which imposed constraints on the maximum and minimum values of the proportional and integral gains, considering a 40-second optimization horizon. Two penalty functions for exported energy, quadratic and linear, were tested, with the quadratic function resulting in greater electric energy export but with a higher deviation from the pressure set points. Overall, the control system demonstrated robustness in correcting disturbances and optimizing electric power generation.
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Under such circumstances, critical demands for factory operation must be prioritized with maximum energy efficiency. In many cases, a supervisory system is already in place to suggest adjustments to the flow rates of various steam lines in order to maintain process steam supply, commonly through PID controllers, a single-input and single-output system used to control a multivariable process. In this context, a periodic tuning method for controllers was proposed, comparing proportional and proportional-integral controllers in a cogeneration system, with the objective of improving stability in the steam lines and maximizing energy efficiency. Two optimization algorithms were tested for tuning the proportional and integral gains, BFGS and SLSQP, applied to an objective function that evaluates the sum of the deviation from the set point in steam line pressures and the surplus power generation. The best performance was achieved with the SLSQP method, which imposed constraints on the maximum and minimum values of the proportional and integral gains, considering a 40-second optimization horizon. Two penalty functions for exported energy, quadratic and linear, were tested, with the quadratic function resulting in greater electric energy export but with a higher deviation from the pressure set points. Overall, the control system demonstrated robustness in correcting disturbances and optimizing electric power generation.Na cogeração de plantas sucroalcooleiras, gera-se vapor nas caldeiras a partir do calor da combustão do bagaço da cana-de-açúcar para suprir demandas variáveis de acionamentos e aquecimentos em equipamentos do processo, simultaneamente à produção de energia elétrica pelo rebaixamento do vapor em turbogeradores. O sistema de cogeração sofre diversas perturbações decorrentes de variações nas demandas das utilidades ou no suprimento do vapor de alta pressão pela caldeira. Nessas situações, deve-se priorizar as demandas críticas à operação da fábrica com a máxima eficiência energética. Em muitos casos, já existe um sistema supervisório que sugere ajustes nas vazões das várias linhas de vapor de modo a manter o suprimento dos vapores de processo, comumente através de controladores PID, um sistema com uma entrada e uma saída para controlar um sistema multivariável. Neste contexto, foi proposto um método de sintonia periódica de controladores, comparando controladores proporcionais e proporcionais-integrais, de uma cogeração, com o objetivo de melhorar a estabilidade nas linhas de vapor e maximizar a eficiência energética. Foram testados dois algoritmos de otimização, para a sintonia dos ganhos proporcionais e integrais, o BFGS e o SLSQP, aplicados a uma função objetivo que avalia a soma do desvio do set point nas pressões das linhas de vapor e na produção excedente de energia. Observou-se que o melhor ajuste foi obtido para o método SLSQP, impondo restrições nos valores máximos e mínimos dos ganhos proporcionais e integrais, considerando um horizonte de otimização de 40 segundos. Foram testadas duas funções para a penalização da energia exportada, quadrática e linear, na qual a função quadrática obteve maior exportação de energia elétrica, porém com um maior desvio dos set points de pressão. De modo geral, o controle demonstrou robustez para corrigir as perturbações e otimizar a geração de energia elétrica.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosEngenharia Química - EQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessControle de processosFunção penalidadeOtimização de processosCogeraçãoTurbogeradorGeração de vaporProcess controlPenalty functionProcess optimizationCogenerationTurbo generatorSteam generationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAEstudo de curvas de penalidade para controle de processos aplicado à cogeração de uma planta sucroalcooleiraStudy of penalty curves for process control applied to cogeneration of a sugar and alcohol plantinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d7381aaa-ee50-434d-9927-b3d5ef42635e/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREADTEXTTrabalho de Graduação - Matheus Torres - Engenharia Química- 2025 - VERSÃO PARA DEPÓSITO.pdf.txtTrabalho de Graduação - Matheus Torres - Engenharia Química- 2025 - VERSÃO PARA DEPÓSITO.pdf.txtExtracted texttext/plain92543https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/4e11732e-b440-4309-afff-b75014421d29/downloadaada4f43db861cd3a913d9d41b214a0cMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILTrabalho de Graduação - Matheus Torres - Engenharia Química- 2025 - VERSÃO PARA DEPÓSITO.pdf.jpgTrabalho de Graduação - Matheus Torres - Engenharia Química- 2025 - VERSÃO PARA DEPÓSITO.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4336https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9ccfb979-00b7-4198-a363-66dbf77577ce/download2655f6b395a2a665699e1935177d142aMD54falseAnonymousREADORIGINALTrabalho de Graduação - Matheus Torres - Engenharia Química- 2025 - VERSÃO PARA DEPÓSITO.pdfTrabalho de Graduação - Matheus Torres - Engenharia Química- 2025 - VERSÃO PARA DEPÓSITO.pdfapplication/pdf2597546https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9f10e7df-9855-4a9e-b29c-abe5e61624f0/download6e4510c4da15de2b5a49064d27fafe95MD51trueAnonymousREAD20.500.14289/218802025-04-15 00:03:12.348http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21880https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-04-15T03:03:12Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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