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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Recuperação de energia e redução de emissões de CO2 usando o ciclo Rankine orgânico (ORC) em plataformas FPSO
Title Alternative: Energy recovery and CO2 emission reduction applying organic Rankine cycle (ORC) in an FPSO units
Author: Reis, Max Mauro Lozer dos, 1986-
Advisor: Gallo, Waldyr Luiz Ribeiro, 1954-
Abstract: Resumo: Com o propósito de melhorar o aproveitamento energético em uma plataforma de petróleo brasileira do tipo FPSO, os ciclos Kalina, supercrítico com CO2 e Rankine orgânico (ORC) são explorados para geração de potência a partir da recuperação de energia residual. Um estudo exploratório dos fluidos de trabalho para uso no ORC é conduzido para definição do mais adequado. Posteriormente, os ciclos para recuperação de calor são comparados a fim de conhecer o mais adequado, do ponto de vista energético e exergético, para recuperação de calor dos gases de exaustão das turbinas da planta de processo da plataforma FPSO. Os ORCs simples e regenerativo apresentam melhores resultados de potência e eficiência e, portanto, são acoplados com a exaustão das turbinas a gás em paralelo com o sistema de aquecimento de água da plataforma, para simultâneo atendimento às demandas de água quente e eletricidade em cada período de produção, focando na maximização da contribuição do ORC na geração de eletricidade. Os parâmetros de projeto dos ORCs são definidos com base no período de operação que exige maior geração de potência pela turbina do ORC e em seguida, os trocadores de calor são projetados e otimizados para atender à função multiobjetivo que minimiza o peso, o volume e a área de troca de calor dos equipamentos. A modelagem dos ORCs fora de projeto é desenvolvida usando a estratégia de controle sliding pressure para a pressão do vapor e os ciclos são simulados em diferentes condições para verificar o seu comportamento fora do projeto. Ademais, a análise exergética do sistema global é conduzida para determinar as principais irreversibilidades do sistema, finalizando com a análise econômica e de viabilidade da implantação do sistema proposto. O ORC apresenta melhores resultados do ponto de vista energético e exergético em relação aos ciclos Kalina e supercrítico com CO2. O acoplamento do ORC para recuperação de calor dos gases de exaustão torna possível a redução de uma turbina a gás em relação a configuração atual da FPSO (caso base), ou seja, é factível gerar eletricidade com apenas duas turbinas a gás GE LM2500 e complementar com a contribuição do ORC para atender à demanda de eletricidade, e, simultaneamente, atender à demanda de água quente em todos os períodos de operação da FPSO. O ORC acoplado às turbinas a gás contribui com até 20,3% da demanda total e no mínimo 12,1%, o que aumenta a eficiência global e o fator de utilização em torno de 11,0% e 18,0%, respectivamente, resultando em uma redução média no consumo de combustível e consequente redução nas emissões de CO2 de 21,5% com o ORC simples e 22% com o ORC regenerativo. A viabilidade econômica da implementação do ORC é bastante influenciada pelo preço do gás natural. Considerando o cenário mais recente do seu preço, é possível um retorno do investimento de até USD 16,84 milhões, devido à redução no consumo de combustível e dos créditos de carbono resultantes das emissões de CO2 evitadas, demonstrando a vantagem econômica do sistema proposto, assim como o benefício ao planeta pela redução nas emissões de CO2

Abstract: In order to improve energy utilization of a Brazilian FPSO oil platform, the Kalina, supercritical CO2 and organic Rankine (ORC) cycles are analyzed for power generation from waste heat recovery. An exploratory study is conducted to define the most appropriate working fluid for use in the ORC. Subsequently, the cycles for heat recovery are compared in order to know the most appropriate, from an energetic and exergetic point of view, to recover the exhaust gases coming from gas turbines used in the process plant of the FPSO platform. The simple and regenerative ORCs present better results, hence they are coupled with the exhaust gas turbines in parallel with the platform's water heating system to simultaneously meet the demands of hot water and electricity in each production period, focusing in maximizing the ORC's contribution to electricity generation. The design parameters of the ORCs are defined based on the period of operation that requires greater power generation by the ORC turbine and then, heat exchangers are designed and optimized to meet the multi-objective function, which minimizes the weight, volume and heat exchange area of the equipment. Off-design ORCs modeling is developed using the sliding pressure control strategy for steam pressure and cycles are simulated under different conditions to determine their off-design behavior. In addition, exergetic analysis of the global system is conducted to determine main irreversibilities of the system, ending with the economic analysis to verify the feasibility of the implementation of the proposed system. The ORC is more advantageous from an energetic and exergetic point of view in relation to the Kalina and proposed supercritical CO2 cycle. Coupling the ORC for heat recovery to the exhaust gases makes it possible to reduce one gas turbine in relation to the current FPSO configuration (base case), i.e. it is feasible to generate electricity with only two GE LM2500 gas turbines together with the contribution of the ORC to meet the demand for electricity, and simultaneously the demand for hot water in all FPSO operating periods. The ORC coupled to the gas turbines contributes up to 20.3% of the total demand and at least 12.1%. This layout increases overall efficiency and the utilization factor around 11% and 18%, respectively, resulting in an average reduction in fuel consumption and consequent reduction in CO2 emissions of 21.5% with simple ORC and 22% with regenerative ORC. The economic feasibility of implementing the ORC is greatly influenced by the price of natural gas. Reduction in fuel consumption, considering its most recent price scenario and carbon credits from avoided CO2 emissions, provide a return on investment of up to USD 16.84 million, demonstrating the economic advantage of the proposed system, as well as the benefit to the planet by reducing CO2 emissions
Subject: Recuperação de calor
Exergia
Otimização
Simulação de processos
Termodinâmica - Aplicações industriais
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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