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Theses Year : 2018

Methodology for the evaluation of the flexibility of heat integration solutions in eco industrial parks

Méthodologie pour l’évaluation de la flexibilité des solutions d’intégration énergétique des éco-parcs industriels

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Abstract

One powerful way to improve energy efficiency in industry is through Heat Integration. The heat recovery application was extended from process level to multiple processes in eco-industrial parks offering important energy efficiency improvements. Many methodologies and tools have been developed to identify the potential heat recovery and the optimal heat transfer network design as heat integration solution at both scales. Nerveless, deviations of operating conditions such as supply and target temperatures and flow rates from nominal values are unavoidable, thus the operability issues are of vital importance to be considered in design methodologies and the flexibility assessment become an essential prerequisite of the heat transfer configuration in order to better take into account fluctuations and disturbances in the energy synergy networks. The present work propose an iterative two steps methodology based on two mathematical optimization models to prevent the inclusion of a large number of variability directly in one design formulation and leads progressively to a flexible design with a certain level of confidence in an efficient computation time. During the first step, a fixed topology is generated using multi period MILP model providing detailed solution on the recovery network, selection of heat exchangers areas and piping installation while considering a finite number of operating scenarios. Then a flexibility assessment NLP model is used to test the operational feasibility of the resulting fixed network for additional variations that occur at local and territorial scale while considering operational degrees of freedom to ensure feasible operation. The information provided is used to determine the critical points for flexibility to be added to the multi period design phase to find a new candidate network. Each model and the whole methodology are validated with case studies.
L'intégration énergétique est un moyen puissant pour améliorer l'efficacité énergétique dans l'industrie. La récupération de chaleur a été étendue de l’échelle locale d’un procédé à l’échelle territoriale, comportant plusieurs procédés formant des éco parcs industriels, permettant d’atteindre une haute efficacité énergétique. De nombreuses méthodes et outils ont été développés pour identifier le potentiel de récupération de chaleur et la configuration optimale du réseau de transfert de chaleur comme solution pour l'intégration énergétique aux deux échelles. Les fluctuations des conditions opératoires, telles que les températures d’entrée et de sortie, ainsi que les débits par rapport à leurs valeurs nominales sont inévitables. Par conséquent, les problèmes d’opérabilité sont importants et doivent être considérés dans les méthodologies de conception et l’évaluation de la flexibilité devient un pré requis essentiel dès la conception pour mieux prendre en compte les fluctuations et les perturbations dans les réseaux de synergie énergétique. Le présent travail propose une méthodologie séquentielle de deux étapes basée sur deux modèles d’optimisation mathématique afin d’éviter l’inclusion d’un grand nombre de conditions opératoires directement dans une seule formulation et qui conduit progressivement à une conception flexible avec un certain niveau de confiance en un temps de calcul efficace. Au cours de la première étape, une topologie fixe est générée à l'aide d'un modèle MILP multi-périodes fournissant une solution détaillée du réseau de récupération, la sélection des zones d'échangeurs de chaleur et l'installation de la tuyauterie, tout en prenant en compte un nombre fini de scénarios de variations. Ensuite, un modèle non linaire d'évaluation de la flexibilité est utilisé pour tester la faisabilité opérationnelle du réseau fixe face à des variations supplémentaires qui se produisent à l'échelle locale et territoriale, tout en envisageant des degrés de liberté opérationnelles pour garantir l’opérabilité. Les informations fournies sont utilisées pour déterminer les points critiques à ajouter à la phase de conception multi-périodes pour rechercher un nouveau réseau candidat. Chaque modèle et la méthodologie sont validés par des cas d’études.
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tel-02479095 , version 1 (14-02-2020)

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Cite

Christina Kachacha. Methodology for the evaluation of the flexibility of heat integration solutions in eco industrial parks. Thermics [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2018. English. ⟨NNT : 2018PSLEM089⟩. ⟨tel-02479095⟩
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