Estratégia baseada em horizonte rolante para otimização da distribuição de gases siderúrgicos com incertezas

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dc.contributor.advisor1Rocha, Helder Roberto de Oliveira
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/000000016215664X
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8801325729735529
dc.contributor.authorPena, Joao Gustavo Coelho
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0003-1452-385X
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4919810564253869
dc.contributor.referee1Arruda, Edilson Fernandes de
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9835-352X
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4617177485933795
dc.contributor.referee2Rosa, Rodrigo de Alvarenga
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-0841-514X
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/7706827408886021
dc.contributor.referee3Segatto, Marcelo Eduardo Vieira
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/000000034083992X
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/2379169013108798
dc.contributor.referee4Fardin, Jussara Farias
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/000000034785556X
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/1912113095988528
dc.date.accessioned2024-05-29T22:10:54Z
dc.date.available2024-05-29T22:10:54Z
dc.date.issued2019-07-17
dc.description.abstractManufacturing iron-and steel is one of the most energy intensive and pollutant in dustrial activities. On the other hand, the majority of these pollutant gases can be used as fuel for cogeneration of electricity and process steam; in that case, then the efficient utilisation of these gases is significant for energy saving and reduction. However, the management of this system is a complex activity, mainly because of the imbalances between the production and consumption profiles of the gases, the capacity limitations of the gas accumulators and their operational restrictions, as well as the restrictions for the use of energy in the thermoelectric power plants. As a result, when a temporary excess of byproduct gases occurs over a timescale, the byproduct gasholder exceeds capacity, and this leads to byproduct gas flaring, which indicates an economic loss and pollution of the environment. However, a shortage of byproduct gas causes mechanical trouble to the byproduct gasholder and affects the production process. Thus, it is of great impor tance to optimise the scheduling and distribution of byproduct gases to reduce byproduct gas flaring or shortage, and to maintain the stability of the byproduct gases distribution system. This thesis addresses the real-time by-product gas scheduling in an integrated iron and steel-making industry with uncertainty in by-product gas flows by means of a rol ling horizon algorithm. Adaptive time-series models determined from real data perform forecast for each producer and consumer of by-product gases in main units of the steel making plant. The individual consumptions of the blast furnace and coke oven gases are modelled using the seasonal Holt-Winters method with smoothing constants estimated via genetic algorithm, whereas the individual productions of the blast furnace and coke oven are identified from autoregressive and integrated moving-average. LDG gas production is forecasted using a heuristic method that leverages the operational information. The model’s parameters are updated periodically due to the nonlinearities present in the time series. After the forecasting phase, the algorithm performs short-term decisions using a MILP optimization model, that minimizes the imbalance between the random dynamics of the by-product fuel generation and consumption and maximizes the energy efficiency. Computational simulations suggest that the operational stability of the gas holders and the electrical energy production increase, whereas the waste of gases in flare stack decreases, when the control horizon of the rolling horizon algorithm is reduced. Particle swarm opti mization was applied to identify reasonable penalty factors which were used in the MILP model to obtain reasonable optimisation of the byproduct gas system.
dc.description.resumoO processo de fabricação de ferro e aço é uma das atividades industriais que mais consomem energia e emitem poluentes atmosféricos. Por outro lado, a maioria desses ga ses pode ser usada como combustível para cogeração de eletricidade e vapor de processo; nesse caso, a utilização eficiente desses gases é primordial para economia de energia e re dução de emissão de . No entanto, a gestão deste sistema é uma atividade complexa, principalmente devido aos desequilíbrios entre os perfis de produção e consumo dos ga ses, às limitações de capacidade dos gasômetros e suas restrições operacionais, bem como às restrições para o uso de energia em usinas termoelétricas. Como resultado, o excesso temporário de gases siderúrgicos, ao longo do tempo, poderia levar o gasômetro a ultra passar sua capacidade, e então forçar a queima de gás nas torres de proteção, resultando em perdas econômicas e poluição ambiental. Por outro lado, a escassez de gás siderúr gico produz problemas mecânicos no gasômetro e afeta o processo produtivo. Assim, é de grande importância otimizar a programação e distribuição do sistema de gases siderúr gicos para reduzir a queima ou escassez de gás e para manter a estabilidade do sistema de distribuição de gases. Esta tese aborda o uso de um algoritmo de controle por horizonte rolante na resolu ção, em tempo real, do problema de planejamento de curto prazo dos gases siderúrgicos numausina siderúrgica integrada, considerando incertezas nas vazões dos gases. Modelos adaptativos de séries temporais, determinados a partir de dados reais, realizam previsões para cada produtor e consumidor de gás nas principais unidades da usina siderúrgica. Os consumos individuais de gás de alto-forno e de gás de coqueria são modelados usando o método sazonal de Holt-Winters com constantes de suavização estimadas via algoritmo genético, enquanto as produções individuais de gás de alto-forno e de gás de coqueria são modeladas a partir da média móvel auto-regressiva e integrada. A produção de gás LDG é prevista usando um método heurístico que leva em conta informações operacionais. Os parâmetros do modelo são atualizados periodicamente devido às não-linearidades presen tes nas séries temporais. Após a fase de previsão, o algoritmo executa decisões de curto prazo usando um modelo de otimização MILP, que minimiza o desequilíbrio dinâmico provocado pelas incertezas das flutuações da produção e consumo de gás, e maximiza o aproveitamento energético. Por meio de simulações computacionais, será evidenciado que a estabilidade operacional dos gasômetros e da produção de energia elétrica aumenta, enquanto o desperdício de gases nas torres de queima diminui quando o horizonte de controle do algoritmo do horizonte rolante é reduzido. A otimização por enxame de par tículas foi aplicada para sintonizar as penalidades do modelo MILP de otimização, de modo a melhorar os indicadores de desempenho do sistema de distribuição de gases.
dc.description.sponsorshipFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/13312
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.subjectAlgoritmo de horizonte rolante,
dc.subjectControle preditivo
dc.subjectOtimização matemática
dc.subjectGasômetro
dc.subjectSiderurgia
dc.subjectAnálise de séries temporais
dc.subjectEnergia elétrica e calor
dc.subjectCogeração
dc.subjectBy-product gas forecasting
dc.subjectBy-product gas distribution
dc.subjectEnergy saving
dc.subjectGas holder level control
dc.subjectMixed Integer Linear Programming
dc.subjectParticle Swarm Optimization, Rolling horizon algorithm
dc.subjectScheduling, Seasonal exponential smoothing method
dc.subjectARIMA
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titleEstratégia baseada em horizonte rolante para otimização da distribuição de gases siderúrgicos com incertezas
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis
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