Diseño de estrategias híbridas metaheurísticas-deterministas para el uso de calor residual

Abstract

This project presents a novel approach to recover industrial waste heat and to integrate it into utilities, refrigeration, and electricity production through the incorporation of heat exchanger networks and thermal engines (steam Rankine cycle, organic Rankine cycle and absorption refrigeration cycle). The solution approach is based on the iteration between Metaheuristic-Deterministic optimization strategies. Metaheuristic optimization is established through the MS Excel-VBA-Aspen Plus® link to obtain accurate modelling results. Deterministic optimization is implemented in the GAMS® platform, where the mathematical formulation is based on a superstructure that considers all the energy interconnections between the heat exchanger network, utilities, and thermal engines. Furthermore, economic, environmental, and social targets are evaluated. A case study is presented to show the applicability of the proposed methodology where the integration of heat in an industrial plant is contemplated. The operating conditions obtained are presented (working fluid flowrate, temperatures, pressures, and efficiencies) for each thermal engine. Furthermore, the results show an increase in the total annual profit by 148%. In addition, the solution approach is applied in heat integration between different industrial plants requiring utilities, cooling and electricity, where thermal engines are implemented to meet these industrial demands. In this case study, an equitable allocation of benefits among industrial plants was performed. For this reason, the allocations obtained from the stakeholders under the Social Welfare, Rawlsian Welfare and Nash schemes are compared.

Este proyecto presenta un novedoso enfoque para recuperar el calor residual industrial e integrarlo con servicios públicos, refrigeración y producción de electricidad mediante la incorporación de redes de intercambiadores de calor y motores térmicos (ciclo Rankine de vapor, ciclo Rankine orgánico y ciclo de refrigeración por absorción). El enfoque de solución se basa en la iteración entre estrategias de optimización metaheurística-determinista. La optimización metaheurística se establece a través del enlace MS Excel-VBA-Aspen Plus® para obtener resultados de modelización precisos. La optimización determinista se implementa en la plataforma GAMS®, donde la formulación matemática se basa en una superestructura que considera todas las interconexiones energéticas entre la red de intercambiadores de calor, los servicios públicos y los motores térmicos. Se presenta un primer caso práctico para mostrar la aplicabilidad de la metodología propuesta donde se considera la integración de calor en una planta industrial. Se muestran las condiciones de funcionamiento obtenidas (caudal de fluido de trabajo, temperaturas, presiones y eficiencias) para cada motor térmico. Además, los resultados muestran un aumento del beneficio total anual del 148%. Además, el enfoque de solución se aplica en la integración de calor entre diferentes plantas industriales que requieren servicios públicos, refrigeración y electricidad, donde se implementan motores térmicos para satisfacer estas demandas industriales. En este caso práctico se realizó una asignación equitativa de beneficios entre las diferentes plantas industriales. Para ello, se comparan las asignaciones obtenidas de los actores bajo los esquemas de Bienestar Social, Bienestar Rawlsiana y Nash.