Gestion intégrée de l'énergie et de la production : ordonnancement des Procédés Batch et des centrales de cogénération, Integrated management of energy and production : scheduling of batch process and Combined Heat & Power (CHP) plant

Mujtaba Hassan Agha

Description

Sous la direction de Jean Marc Le Lann, Alain Haït
Thèse soutenue le 30 octobre 2009: INPT
Dans un contexte de développement durable, la question énergétique constitue un des problèmes majeurs des décennies à venir. Bien que la solution pour faire face à la raréfaction de certaines ressources, l'augmentation globale de la demande l'augmentation des émissions de CO2, réside dans le développement des énergies renouvelables, il est clair que ces nouvelles technologies ne seront matures que dans plusieurs décennies. A court terme, les énergies fossiles demeureront la source principale d'énergie primaire. Il est donc essentiel de promouvoir de nouvelles méthodologies permettant une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Dans le secteur industriel, le développement de centrales de production d'utilités sur le site industriel (en général des centrales de cogénération) contribue grandement à l'amélioration de l'efficacité énergétique des procédés. Traditionnellement, la gestion de ce type de système repose sur une approche séquentielle : ordonnancement de l'atelier de production, calcul des besoins énergétiques et planification de la centrale de cogénération. Toutefois, dans ce type d'approche, l'accent est mis avant tout sur l'atelier de production, la centrale de cogénération étant considérée comme une unité esclave. Pour améliorer le processus de décision, cette thèse développe une approche intégrée pour l'ordonnancement simultanée et cohérent des ateliers de production et des centrales de production d'utilités. La méthodologie proposée repose sur une formulation MILP à temps discret. Par ailleurs, une extension du formalisme RTN a été développée : les ERTN (Extended Resource Task Network). Celui-ci permet d'une part, de décrire de manière systématique les recettes et d'autre part, permet une modélisation explicite et générique des différents types de systèmes dont notamment les centrales d'utilités. Les résultats montrent que l'approche intégrée permet d'obtenir une réduction notable du coût énergétique grâce une meilleure coordination des activités de production et de fabrication d'utilités. En effet, les tâches de production sont ordonnancées de manière à consommer sur les mêmes périodes les utilités générées simultanément par la centrale de cogénération, conduisant ainsi à une réduction significative du rapport quantité de biens fabriqués / quantité de carburant consommé et des émissions de gaz à effet de serre.
-Efficacité énergétique
-Recherche opérationnelle
-Ordonnancement
-Procédés batch et semi-continus
-Formalisme ERTN
-Centrale de cogénération
-Milp
The issue of energy has emerged as one of the greatest challenges facing the mankind. The search is on for finding alternative sources of energy that will replace fossil fuels as the primary source of energy. However, for the foreseeable future, fossil fuels will remain the main source of energy. Therefore, it is of paramount importance to devise methodologies for more rational use of energy in all walks of human life. In the industrial perspective, the deployment of site utility system (generally CHP plants) provides a great potential source for energy savings. However, the management of such type of industrial units is traditionally carried out using sequential three step approach: scheduling of the production plant, estimation of the utility needs of production plant and finally scheduling of the site utility system. In this kind of approach, all the focus is placed on the production plant and the utility system is treated as its subsidiary. To improve the decision-making process, this thesis proposes an integrated approach which addresses this imbalance by carrying out simultaneous and coherent scheduling of batch production plant and site utility system. The proposed methodology relies on discrete time modeling and uses Mixed Integer Linear Programming (MILP). Moreover, to permit an efficient and generic formulation of various kinds of industrial problems, a new scheduling framework called Extended Resource Task Network (ERTN) has been developed. The ERTN framework (an extension of existing RTN framework) allows for accurate representation and scheduling of any type of production plant and any type of site utility system. The results show that the integrated approach leads to better synchronization between production plant and site utility system. Thereby, the integrated approach leads to significant reduction in energy costs and decrease in harmful gas emissions.
Source: http://www.theses.fr/2009INPT050G/document

Sujets

• Efficacité énergétique
• Recherche opérationnelle
• Ordonnancement

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 88
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Industriel


Présentée par Mujtaba Hassan AGHA
Le 30 Octobre 2009

Titre : Integrated Management of Energy and Production:
Scheduling of Batch Process and Combined Heat & Power (CHP) Plant

JURY
M. Alexandre Dolgui, Professeur à Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, Rapporteur
M. Sandro Macchietto, Professeur à Imperial College London, United Kingdom, Rapporteur
M. François Maréchal Professeur à Ecole Polytechnique Federale de Lausanne,Suisse, Rapporteur
M. Damien Ménard, Ingénieur R&D Project Leader, CREED, Limay, Membre
M. Jean Marc Le Lann, Professeur à l’INPT-ENSIACET, Toulouse, Membre
M. Alain Haït, Professeur Associé l'ISAE-SUPAERO, Toulouse, Membre
M. Gilles Hetreux, Maître de Conférences à l'INPT-ENSIACET, Toulouse, Membre
Mme Raphaële THERY, Maître de conférences à l’INPT-ENSIACET, Membre


Ecole doctorale : EdSYS (Ecole Doctorale Système)
Unité de recherche : Laboratoire de Genie Chimique
Directeur(s) de Thèse : M. Jean Marc Le Lann
Co-directeur(s) de Thèse : M. Alain Haït, Mme Raphaële Thery
Rapporteurs : M. Alexandre Dolgui, M. Sandro Macchietto et M. François Maréchal











Dedicated to,
my parents Zahida and Sajjad Hussain
i
ii

SYNOPSIS





Abstract
The issue of energy has emerged as one of the greatest challenges facing the mankind. The search is on
for finding alternative sources of energy that will replace fossil fuels as the primary source of energy.
However, for the foreseeable future, fossil fuels will remain the main source of energy. Therefore, it is of
paramount importance to devise methodologies for more rational use of energy in all walks of human life.
In the industrial perspective, the deployment of site utility system (generally CHP plants) provides a great
potential source for energy savings. However, the management of such type of industrial units is traditionally
carried out using sequential three step approach: scheduling of the production plant, estimation of the utility
needs of production plant and finally scheduling of the site utility system. In this kind of approach, all the
focus is placed on the production plant and the utility system is treated as its subsidiary. To improve the
decision-making process, this thesis proposes an integrated approach which addresses this imbalance by
carrying out simultaneous and coherent scheduling of batch production plant and site utility system.
The proposed methodology relies on discrete time modeling and uses Mixed Integer Linear Programming
(MILP). Moreover, to permit an efficient and generic formulation of various kinds of industrial problems, a
new scheduling framework called Extended Resource Task Network (ERTN) has been developed. The
ERTN framework (an extension of existing RTN framework) allows for accurate representation and
scheduling of any type of production plant and any type of site utility system.
The results show that the integrated approach leads to better synchronization between production plant
and site utility system. Thereby, the integrated approach leads to significant reduction in energy costs and
decrease in harmful gas emissions.
Keywords:
Energy efficiency, Operations Research, Scheduling, Batch & semi-continuous production plant, ERTN
framework, CHP plant, MILP.

Résume
Dans un contexte de développement durable, la question énergétique constitue un des problèmes majeurs
des décennies à venir. Bien que la solution pour faire face à la raréfaction de certaines ressources,
l’augmentation globale de la demande l’augmentation des émissions de CO , réside dans le développement 2
des énergies renouvelables, il est clair que ces nouvelles technologies ne seront matures que dans plusieurs
décennies. A court terme, les énergies fossiles demeureront la source principale d’énergie primaire. Il est donc
essentiel de promouvoir de nouvelles méthodologies permettant une utilisation plus rationnelle de l’énergie.
Dans le secteur industriel, le développement de centrales de production d’utilités sur le site industriel (en
général des centrales de cogénération) contribue grandement à l’amélioration de l’éfficacité énergétique des
procédés. Traditionnellement, la gestion de ce type de système repose sur une approche séquentielle :
ordonnancement de l’atelier de production, calcul des besoins énergétiques et planification de la centrale de
iii
cogénération. Toutefois, dans ce type d’approche, l’accent est mis avant tout sur l’atelier de production, la
centrale de cogénération étant considérée comme une unité esclave. Pour améliorer le processus de décision,
cette thèse développe une approche intégrée pour l’ordonnancement simultanée et cohérent des ateliers de
production et des centrales de production d’utilités.
La méthodologie proposée repose sur une formulation MILP à temps discret. Par ailleurs, une extension
du formalisme RTN a été développée : les ERTN (« Extended Resource Task Network »). Celui-ci permet
d’une part, de décrire de manière systématique les recettes et d’autre part, permet une modélisation explicite et
générique des différents types de systèmes dont notamment les centrales d’utilités.
Les résultats montrent que l'approche intégrée permet d'obtenir une réduction notable du coût
énergétique grâce une meilleure coordination des activités de production et de fabrication d'utilités. En effet,
les tâches de production sont ordonnancées de manière à consommer sur les mêmes périodes les utilités
générées simultanément par la centrale de cogénération, conduisant ainsi à une réduction significative du
rapport quantité de biens fabriqués / quantité de carburant consommé et des émissions de gaz à effet de
serre.
Mots clefs:
Efficacité énergétique, Recherche opérationnelle, Ordonnancement, Procédés batch et semi-continus,
Formalisme ERTN, Centrale de cogénération, MILP.
iv

ACKNOWLEDGEMENTS






It would not have been possible to write this dissertation without the help and support of the kind people
around me, to only some of whom it is possible to give particular mention here.
First of all, I would like to express my gratitude to Dr. Jean Marc Le Lann (thesis director) for allowing
me to conduct this research at Laboratoire de Génie Chimique (LGC) at ENSIACET-INPT. I am indebted
to his academic and administrative contributions during the whole duration of my PhD studies.
I would also like to thank Dr. Alain Hait (thesis co-advisor) who accepted my candidature for the PhD
study and has been a constant source of support and guidance for the last three years. I am greatly obliged for
his advice and help that enabled me to develop a better understanding of the subject matter.
This dissertation would not have been possible without the good advice, support and friendship of my
daily supervisor, Dr. Raphaele Thery (thesis co-advisor), which has been invaluable on both academic and
personal level, for which I am extremely grateful. I thank her for the time, patience, effort and suggestions
provided that were invaluable for the completion of this dissertation.
I greatly appreciate the role Dr. Gilles Hetreux played in the completion of this dissertation. Despite not
being my direct advisor he accorded me a lot of his time. The formulation, development and resolution of
computer applications and simulations were only possible due to his insight and constant guidance.
I would like to acknowledge HEC (Higher Education Commission, Pakistan) and SFERE, for the
financial and administrative support provided for this dissertation.
I would like also like to thank the entire research group at LGC - my colleagues, the professors and the
staff members that made my stay in Toulouse highly enjoyable and constructive. I would equally like to thank
my friends Andy Crawford, Bilal Khawaja, Martin Leake, M. Ali Nizamani, Guillaume Barbut, Jitesh
Nambiar, Shaeen Raja and Rizwan Zulfiqar for their strong support and encouragement during my PhD
studies. Special thanks to Tarn Cricket Club and its members for all the relaxing and quality time, which
undoubtedly eased the press