A contribuição do Pré-Sal para a produção de petróleo no Brasil torna essa região e seus ativos estratégicos para o país. Para alcançar essa produção, FPSOs têm sido amplamente utilizados. No entanto, as metas de redução de emissões de gases de efeito estufa apresentam desafios para o design de sistemas térmicos. A baixa eficiência térmica das turbinas a gás e a significativa quantidade de calor desperdiçado na planta de processamento precisam ser abordadas nos próximos anos. Nesse contexto, a aplicação de ciclos orgânicos de Rankine (ORC) em plataformas tem sido estudada. Dadas as características dos módulos de potência e dos sistemas de processamento a bordo, o design do ORC deve considerar tanto os aspectos térmicos quanto operacionais. Esta tese apresenta uma metodologia inovadora de design de ORC utilizando o algoritmo HORCAT, que combina Lógica Fuzzy e enxame de partículas para maximizar a produção de energia elétrica do ORC e minimizar o volume dos equipamentos. Este método é aplicado para a recuperação de calor da exaustão de uma turbina a gás GE LM2500+, com um modelo computacional calibrado especificamente para esta aplicação com base no desempenho de equipamentos operando no Pré-Sal. Adicionalmente, uma aplicação inovadora de ORCs é proposta para o controle de temperatura na descarga de módulos de compressão. Regime permanente, condições fora do ponto de projeto e dinâmicas são aplicadas. Funções objetivo complexas, tipicamente usadas na literatura para teste de algoritmos de otimização multiobjetivo foram utilizadas para a avaliação do HORCAT, com resultados comparáveis ou superiores aos das referências. O modelo da turbina a gás simulou demandas típicas observadas em FPSOs, como tomadas e rejeições de carga. A calibração contra dados operacionais reais levou ao desenvolvimento de um simulador robusto para a GE LM2500+. Para a recuperação do calor residual da turbina a gás, o HORCAT gerou 16 designs, avaliados sob condições de carga parcial e dinâmica. A faixa de potência elétrica variou de 489 kW a 1,97 MW. Em condições dinâmicas, o número de soluções viáveis diminuiu de 16 para 12, alinhando-se com a resposta de potência à temperatura de exaustão da turbina a gás, que utilizou um controlador proporcional simples de vazão mássica para o fluido de trabalho. Para a aplicação de controle de temperatura do compressor, a abordagem inovadora viabilizada pelo HORCAT, juntamente com a avaliação das condições dinâmicas e de um controlador PID otimizado, levou a designs com significativa produção de energia e com volume adequado para potencial implementação no mundo real. A resposta desses designs em condições transitórias levou a uma redução de 50% no número de designs válidos durante simulações transitórias. A aplicação de controladores PID para gerenciar condições transitórias revelou nuances de desempenho, incluindo pequenos sobre-sinais em ORCs de maior volume. Isso enfatizou que condições de regime permanente, por si só, são inadequadas para avaliar este tipo de aplicação. No entanto, apesar de uma queda de eficiência de 18% em carga total para 7% em carga mínima, o controle de temperatura incrementou a geração de energia.

The Pre-salt contribution to oil production in Brazil makes this region and its assets strategic to the country. To achieve this production, FPSOs have been extensively used. However, current environmental goals to reduce greenhouse gas emissions present challenges for designing thermal systems on oil platforms. The low thermal efficiency of gas turbines and the significant amount of wasted heat in the processing plant systems must be addressed in the coming years. In this context, the application of organic Rankine cycles (ORC) on oil platforms has been studied. Given the characteristics of the power plant and processing systems onboard, the ORC design must consider both thermal aspects and operational conditions. This thesis presents an innovative ORC design methodology using the algorithm HORCAT, which combines Fuzzy Logic and particle swarm to maximize ORC electrical power output and minimize equipment volume. This method is employed in the ORC design to recover waste heat from the exhaust gas of a GE LM2500+ gas turbine, with a model developed and calibrated specifically for this application based on the performance of equipment operating in an FPSO in the Brazilian Pre-salt region. Additionally, a novel application of ORCs is proposed for temperature control at the discharge of large compression units. These applications consider steady-state, full-load conditions, as well as off-design and dynamic conditions. HORCAT's capability to handle complex objective functions was verified using test functions from the literature commonly used to assess multi-objective optimization algorithms. The results obtained were comparable or superior to those in the references. The computational model of the gas turbine simulated typical operational load demands observed in FPSOs, such as sudden load decreases and increases. Calibration against real-life operational data led to the development of a robust simulator for the GE LM2500+ used in FPSOs. For the recovery of gas turbine waste heat, HORCAT generated 16 designs evaluated under part load and dynamic conditions. The electrical power range at full load was from 489 kW to 1.97 MW. Under dynamic conditions, the number of feasible solutions decreased from 16 to 12, aligning with the power output response to the exhaust temperature of the gas turbine, controlled by a simple proportional mass flow rate regulator for the working fluid. For the compressor temperature control application, the innovative approach facilitated by HORCAT, along with dynamic conditions validation and an optimized PID controller, led to designs with significant power output and suitable volume for potential real-world implementation. The response of these designs under transient conditions was notable, with a 50% reduction in the number of valid designs during intense transient simulations. Applying PID controllers to manage transient conditions revealed performance nuances, including minor overshoots in larger ORCs. This emphasized that steady-state conditions alone are inadequate for assessing equipment suitability. However, despite an efficiency drop from 18% at full load to 7% at minimum load, temperature control improved power generation.