Optimization of cooling water systems.

Abstract

Os sistemas de água de resfriamento são amplamente utilizados em indústrias químicas, petroquímicas, refinarias e usinas de energia. Em uma configuração típica, consistem em uma torre de resfriamento, um sistema de bombeamento, trocadores de calor e tubulação de interligação entre esses elementos. A literatura sobre o projeto desses sistemas é dominada por soluções de programação matemática não linear e métodos metaheurísticos. No entanto, estas abordagens estão associadas a limitações importantes, pois a convergência de algoritmos de programação matemática não linear pode ser difícil e métodos metaheurísticos não podem garantir a otimização global. Portanto, esta tese propõe um conjunto de procedimentos de projeto que evitam as limitações das abordagens da literatura. O primeiro problema analisado corresponde à otimização do projeto do sistema hidráulico da rede de distribuição de água de resfriamento juntamente com o projeto térmico dos trocadores de calor. A utilização de técnicas matemáticas apropriadas permite a formulação do problema como um problema de programação linear inteira (PLI). Os resultados obtidos mostraram que a abordagem de projeto proposta apresenta soluções com custo total anualizado inferior aos procedimentos tradicionais usualmente empregados na prática da engenharia. O segundo problema corresponde a uma extensão do problema anterior, onde as temperaturas da água de resfriamento que sai dos trocadores de calor tornam-se variáveis de otimização. Devido à sua complexidade e número de variáveis, este problema precisa ser resolvido com uma abordagem mais especializada, englobando Set Trimming e um problema recursivo de programação linear inteira (MILP). Os resultados obtidos mostraram que o método iterativo apresentou uma melhoria de custo de 5,2% em relação ao modelo mais simples com distribuição de vazão fixa. O terceiro problema apresenta a otimização da torre de resfriamento considerando como variáveis discretas de otimização a altura do enchimento, o tipo de enchimento, o número de torres e a área da torre. Esse problema é resolvido usando Set Trimming e Smart Enumeration. O quarto problema integra todos os problemas anteriores. A análise resultante envolve o projeto de todos os elementos do sistema, englobando torre de resfriamento, bomba, rede de tubulação e trocadores de calor. Esse problema é resolvido usando um conjunto de técnicas diferentes, incluindo enumeração convencional, Set trimming, Smart Enumeration e um MILP recursivo. Os resultados mostraram que foi selecionado um sistema de água de resfriamento com o menor custo total anualizado e que as variações de custo para a torre de resfriamento foram mais significativas do que para a rede de água de resfriamento. A solução proposta para esses problemas é inédita. Além disso, eles ajudarão a indústria a projetar sistemas de água de resfriamento de baixo custo. Devido à magnitude dos serviços de refrigeração em uma planta de processo, a redução de custos neste tipo de sistema pode estar associada a um impacto significativo em termos financeiros.