Combined heat and power and consumption optimization in a SCADA-based system

The operation of power systems in a Smart Grid (SG) context brings new opportunities to consumers as active players, in order to fully reach the SG advantages. In this context, concepts as smart homes or smart buildings are promising approaches to perform the optimization of the consumption, while reducing the electricity costs. This paper proposes an intelligent methodology to support the consumption optimization of an industrial consumer, which has a Combined Heat and Power (CHP) facility. A SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system developed by the authors is used to support the implementation of the proposed methodology. An optimization algorithm implemented in the system in order to perform the determination of the optimal consumption and CHP levels in each instant, according to the Demand Response (DR) opportunities. The paper includes a case study with several scenarios of consumption and heat demand in the context of a DR event which specifies a maximum demand level for the consumer.

Análise e optimização dos consumos de utilidades (vapor e energia eléctrica) na Petibol – Embalagens de Plásticos, S.A.

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

Maximização da produção de paraxileno

Pretendeu-se, com o presente trabalho, efectuar um estudo sobre a possibilidade de aumentar a produção de paraxileno na unidade processual existente na refinaria da Galp no Porto. Foram estudados o conjunto de colunas T-0306 e T-0307 e a coluna T-0303, recorrendo ao uso do AspenPlus, na realização da simulação do processo nas condições actuais e para a realização da análise de sensibilidade, que permitiu verificar se o equipamento existente possui capacidade para satisfazer as necessidades exigidas pelo processo quando se pretende aumentar a produção. Com a simulação do processo, foi verificado que este já se encontra a laborar em condições óptimas. Na realização da análise de sensibilidade foram variados para o conjunto T-0306 e T- 0307, o caudal de alimentação entre 62780 e 95000 kg/h, o caudal de destilado da T-0306 entre 15833 e 23911 kg/h e o caudal de destilado da T-0307 entre 139 e os 235 kg/h. No caso da T-0303, foi variado o caudal de refinado entre 201240 e 304600 kg/h, o caudal de destilado e o caudal da corrente lateral, variam entre 77290 a 116930 kg/h. Pretendeu-se obter soluções que conseguissem cumprir as especificações relativas aos produtos obtidos, nomeadamente paraxileno com uma pureza de 99,6% e uma recuperação de 99%, tolueno com uma pureza de 97% e uma recuperação de 90% (T-0306 e T-0307). No caso da T- 0303, obter paraxileno com uma pureza de 2,23% e paradietilbenzeno com uma pureza de 99,0% e ambos com uma recuperação de 99%. Para as simulações que cumpriram as especificações anteriores, verificou-se se a energia transferida em aeroarrefecedores, fornalhas e permutadores excedem em 25% o seu valor de projecto. Em caso afirmativo isso significou o acréscimo de uma peça de equipamento idêntica à existente. A análise de sensibilidade permitiu concluir a separação é possível para os caudais actuais de extracto e refinado e para um aumento destes de 32, 40 e 50%. Foi ainda possível concluir que para os caudais actuais é necessária a colocação de novos aeroarrefecedores para as colunas T-0306 e T-0303 e de uma nova fornalha para a coluna T-0303. Para um aumento dos caudais de 32% para além das alterações referidas anteriormente é necessária a colocação de um novo aeroarrefecedor na coluna T-0307 e de uma nova fornalha da coluna T-0306. Se aumentarmos os caudais em 40% será também necessário o acréscimo de permutadores para a coluna T-0307. Para o aumento de 50%, os calores de permuta são excedidos em bastante mais do que 25%, em todos os aeroarrefecedores, permutadores e fornalhas. Uma vez que todas as colunas se encontram a funcionar acima da sua capacidade, concluiu-se que em ambos os casos seria necessária a montagem de uma segunda linha em paralelo e igual à existente. Implicando com esta alteração um investimento total de 10.439.574,36€.

Integração energética unidades 0300 e 0400 da Fábrica de Aromáticos Refinaria de Matosinhos

Mestrado em Engenharia Química - Ramo optimização energética na indústria química

The impact of safety politics in the current globalization context

The globalization is a process of economical, social, cultural and political integration motivated by the needs generated by a consumption-orientated society and a set of factors that have led to its development, such as reducing transport costs, the technological advancement and the development of communication networks. However, the phenomenon of globalization has been accompanied by increasing levels of insecurity as a result of various types of threats and transnational crimes that the International Community seeks to control and minimize. Throughout this work, we examined how the globalization process has been developing and how nations are able to maintain security levels consistent with their economical status and social development, without disturbing the normal course of organizations’ economical activity and the well-being of people. From the investigation developed we concluded that, besides the confirmation that economic integration and the opening of markets have influence on internal consumption, market globalization and migrations have been causing modifications in the consumption habits. We also concluded that the security measures implemented by States or by the International Community affect international trade, but do not imply disproportionate costs or significant delays in transactions. Likewise, we concluded that the control measures implemented in international trade are sufficient to ensure the safety of the people and nations, enabling us to confirm two of the three conjectures raised in this study.

Heat transfer coefficients from Newtonian and non-Newtonian fluids flowing in laminar regime in a helical coil

This study aimed to carry out experimental work to obtain, for Newtonian and non-Newtonian fluids, heat transfer coefficients, at constant wall temperature as boundary condition, in fully developed laminar flow inside a helical coil. The Newtonian fluids studied were aqueous solutions of glycerol, 25%, 36%, 43%, 59% and 78% (w/w) and the non-Newtonian fluids aqueous solutions of carboxymethylcellulose (CMC), a polymer, with concentrations 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4% and 0.6% (w/w) and aqueous solutions of xanthan gum (XG), another polymer, with concentrations 0.1% and 0.2% (w/w). According to the rheological study performed, the polymer solutions had shear thinning behavior and different values of elasticity. The helical coil used has internal diameter, curvature ratio, length and pitch, respectively: 0.004575 m, 0.0263, 5.0 m and 11.34 mm. The Nusselt numbers for the CMC solutions are, on average, slightly higher than those for Newtonian fluids, for identical Prandtl and generalized Dean numbers. As outcome, the viscous component of the shear thinning polymer tends to potentiate the mixing effect of the Dean cells. The Nusselt numbers of the XG solutions are significant lower than those of the Newtonian solutions, for identical Prandtl and generalized Dean numbers. Therefore, the elastic component of the polymer tends to diminish the mixing effect of the Dean cells. A global correlation, for Nusselt number as a function of Péclet, generalized Dean and Weissenberg numbers for all Newtonian and non-Newtonian solutions studied, is presented.

Legal and political regulation of higher education in Portugal: an evolutionary perspective on the current policy issues and the problem of order

The higher education system in Europe is currently under stress and the debates over its reform and future are gaining momentum. Now that, for most countries, we are in a time for change, in the overall society and the whole education system, the legal and political dimensions have gained prominence, which has not been followed by a more integrative approach of the problem of order, its reform and the issue of regulation, beyond the typical static and classical cost-benefit analyses. The two classical approaches for studying (and for designing the policy measures of) the problem of the reform of the higher education system - the cost-benefit analysis and the legal scholarship description - have to be integrated. This is the argument of our paper that the very integration of economic and legal approaches, what Warren Samuels called the legal-economic nexus, is meaningful and necessary, especially if we want to address the problem of order (as formulated by Joseph Spengler) and the overall regulation of the system. On the one hand, and without neglecting the interest and insights gained from the cost-benefit analysis, or other approaches of value for money assessment, we will focus our study on the legal, social and political aspects of the regulation of the higher education system and its reform in Portugal. On the other hand, the economic and financial problems have to be taken into account, but in a more inclusive way with regard to the indirect and other socio-economic costs not contemplated in traditional or standard assessments of policies for the tertiary education sector. In the first section of the paper, we will discuss the theoretical and conceptual underpinning of our analysis, focusing on the evolutionary approach, the role of critical institutions, the legal-economic nexus and the problem of order. All these elements are related to the institutional tradition, from Veblen and Commons to Spengler and Samuels. The second section states the problem of regulation in the higher education system and the issue of policy formulation for tackling the problem. The current situation is clearly one of crisis with the expansion of the cohorts of young students coming to an end and the recurrent scandals in private institutions. In the last decade, after a protracted period of extension or expansion of the system, i. e., the continuous growth of students, universities and other institutions are competing harder to gain students and have seen their financial situation at risk. It seems that we are entering a period of radical uncertainty, higher competition and a new configuration that is slowly building up is the growth in intensity, which means upgrading the quality of the higher learning and getting more involvement in vocational training and life-long learning. With this change, and along with other deep ones in the Portuguese society and economy, the current regulation has shown signs of maladjustment. The third section consists of our conclusions on the current issue of regulation and policy challenge. First, we underline the importance of an evolutionary approach to a process of change that is essentially dynamic. A special attention will be given to the issues related to an evolutionary construe of policy analysis and formulation. Second, the integration of law and economics, through the notion of legal economic nexus, allows us to better define the issues of regulation and the concrete problems that the universities are facing. One aspect is the instability of the political measures regarding the public administration and on which the higher education system depends financially, legally and institutionally, to say the least. A corollary is the lack of clear strategy in the policy reforms. Third, our research criticizes several studies, such as the one made by the OECD in late 2006 for the Ministry of Science, Technology and Higher Education, for being too static and neglecting fundamental aspects of regulation such as the logic of actors, groups and organizations who are major players in the system. Finally, simply changing the legal rules will not necessary per se change the behaviors that the authorities want to change. By this, we mean that it is not only remiss of the policy maker to ignore some of the critical issues of regulation, namely the continuous non-respect by academic management and administrative bodies of universities of the legal rules that were once promulgated. Changing the rules does not change the problem, especially without the necessary debates form the different relevant quarters that make up the higher education system. The issues of social interaction remain as intact. Our treatment of the matter will be organized in the following way. In the first section, the theoretical principles are developed in order to be able to study more adequately the higher education transformation with a modest evolutionary theory and a legal and economic nexus of the interactions of the system and the policy challenges. After describing, in the second section, the recent evolution and current working of the higher education in Portugal, we will analyze the legal framework and the current regulatory practices and problems in light of the theoretical framework adopted. We will end with some conclusions on the current problems of regulation and the policy measures that are discusses in recent years.

On the fractional order control of heat systems

The differentiation of non-integer order has its origin in the seventeenth century, but only in the last two decades appeared the first applications in the area of control theory. In this paper we consider the study of a heat diffusion system based on the application of the fractional calculus concepts. In this perspective, several control methodologies are investigated namely the fractional PID and the Smith predictor. Extensive simulations are presented assessing the performance of the proposed fractional-order algorithms.

Integração energética da unidade 2100 da Fábrica de Óleos Base da Refinaria de Matosinhos

Até 2020, a Europa terá de reduzir 20% das suas emissões de gases com efeito de estufa, 20% da produção de energia terá de ser proveniente de fontes renováveis e a eficiência energética deverá aumentar 20%. Estas são as metas apresentadas pela União Europeia, que ficaram conhecidas por 20/20/20 [1]. A Refinaria de Matosinhosé um complexo industrial que opera no sector da refinação e que apresenta preocupações ao nível da eficiência energética e dos aspectos ambientais subjacentes. No âmbito da racionalização energética das refinarias, a Galp Energia tem vindo a implementar um conjunto de medidas, adoptando as melhores tecnologias disponíveis com o objectivo de diminuir os consumos de energia, promover a eficiência energética e reduzir as emissões de dióxido de carbono. Para ir de encontro a estas medidas foi elaborado um estudo comparativo que permitiu à empresa definir as medidas consideradas prioritárias. Uma solução encontrada visa a execução de projectos que não requerem investimento e que têm acções imediatas, tais como o aumento da eficiência energética das fornalhas [1]. Este trabalho realizado na Galp Energia S.A. teve como objectivo principal a optimização energética da Unidade de Desalfatação do Propano da Fábrica de Óleos Base. Esta optimização baseou-se no aproveitamento energético da corrente de fundo da coluna de rectificação T2003C com uma potência calorífica de 2,79 Gcal/h. Após levantamento de todas as variáveis do processo relativas a esta unidade, especialmente a potência calorífica das correntes envolvidas chegou-se á conclusão que a fornalha H2101 poderá ser substituída por dois permutadores, reduzindo desta forma os consumos energéticos. Pois a corrente de fundo da coluna T2003 com uma potência calorífica 2,79 Gcal/h poderá permutar calor com a corrente da mistura asfalto com propano, fazendo com que esta atinja temperatura superior à obtida com a fornalha em funcionamento. A análise económica ao consumo e respectivo custo do fuelóleo na fornalha para o período de um ano foi realizada, sendo o seu custo de combustível de 611.396,00 €. O valor da aquisição dos permutadores é 86.355,97€, sendo rentável a alteração proposta neste projecto.

Fractional control of heat diffusion systems

The concept of differentiation and integration to non-integer order has its origins in the seventeen century. However, only in the second-half of the twenty century appeared the first applications related to the area of control theory. In this paper we consider the study of a heat diffusion system based on the application of the fractional calculus concepts. In this perspective, several control methodologies are investigated and compared. Simulations are presented assessing the performance of the proposed fractional-order algorithms.

Finite Element Analysis (FEA) applied to heat transfer optimization process of pultrusion die systems

The aim of this study is to optimize the heat flow through the pultrusion die assembly system on the manufacturing process of a specific glass-fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion profile. The control of heat flow and its distribution through whole die assembly system is of vital importance in optimizing the actual GFRP pultrusion process. Through mathematical modeling of heating-die process, by means of Finite Element Analysis (FEA) program, an optimum heater selection, die position and temperature control was achieved. The thermal environment within the die was critically modeled relative not only to the applied heat sources, but also to the conductive and convective losses, as well as the thermal contribution arising from the exothermic reaction of resin matrix as it cures or polymerizes from the liquid to solid condition. Numerical simulation was validated with basis on thermographic measurements carried out on key points along the die during pultrusion process.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.

Simulação da Central de Cogeração da Refinaria de Matosinhos (Petrogal)

Mestrado em Engenharia Química – Ramo Optimização Energética na Indústria Química