Efficiency improvement of a novel condensing waste heat recovery system through a non linear MPC

Fire-tube boilers are widely used in several kinds of industries to produce saturated steam. Being their energy consumption during exercise significantly high, the improvement of their efficiency is of paramount importance. Recovering waste heat from boiler exhaust flue gas has proven to be an effective way to improve energy utilization efficiency. Some of the most frequent uses for the heat recovered from flue gases include the pre-heating of the air or air-fuel mixture used in the combustion by means of an Air Pre-Heater or increasing the temperature of the water entering the boiler drum by introducing an heat exchanger. This thesis focuses on the efficiency improvement of a novel condensing waste heat recovery unit for a steam boiler, consisting in an heat accumulation system (stratified tank) coupled with a condensing heat exchanger CHX. In this system, the recirculating water is used to cool down the flue gases below dew point temperature, to better exploit both latent and sensible low temperature heat source, and then sent to an heat accumulation system, where it heats up the make up water (i.e added water to compensate for losses). The need of an heat accumulation system is due to the fact that the make up water request from the user has a delay with respect to the beginning of the user load operation. This is an efficient solution since the water going to the boiler has been preheated, reducing boiler fuel consumption and greenhouse emissions. Once the CHX and the stratified tank dynamic models has been validated, a non-linear MPC approach is applied to the novel condensing waste heat recovery system to optimize the exploitation of the heat source. Special attention was paid to model the condensation phenomenon, since it makes to system to be hybrid, and the tank saturation phenomenon, since it leads to a fast dynamic for the tank top layers and a slow one for the tank bottom layers. Eventually, the performances of the non linear Model Predictive Control are compared with the ones of a linear MPC and of a PI, highlighting the improvements of the newly implemented control strategy and suggesting some guidelines on future developments.

Le caldaie a tubi di fumo sono ampiamente utilizzate in diversi tipi di processi per produrre vapore saturo. Poiché il loro consumo di energia durante l’esercizio è considerevole, il miglioramento della loro efficienza è di fondamentale importanza. Il recupero del calore residuo dai gas di scarico delle caldaie si è dimostrato un metodo efficace per migliorare l’efficienza energetica. Alcuni degli usi più frequenti del calore recuperato includono l’aumento della temperatura dell’acqua che entra nel corpo cilindrico introducendo un economizzatore. Questa tesi si concentra sul miglioramento dell'efficienza di una nuova unità di recupero del calore di scarto, sia latente che sensibile, costituita da un sistema di accumulo di calore (serbatoio a stratificazione) e di uno scambiatore di calore a condensazione CHX, per una caldaia a vapore. In questo sistema, l'acqua di ricircolo viene utilizzata per raffreddare i gas di scarico al di sotto della temperatura di rugiada, per sfruttare il calore, latente e sensibile, dei gas di scarico, e quindi inviata ad un sistema di accumulo di calore, dove riscalda l'acqua di reintegro, aggiunta per compensare le perdite. La necessità di un sistema di accumulo di calore è dovuta al fatto che la richiesta di acqua di reintegro da parte dell'utenza ha un ritardo rispetto all'inizio delle operazioni dell'unità di produzione del vapore. Una volta validati i modelli dinamici del CHX e del serbatoio a stratificazione, è stato applicato un approccio MPC non lineare alla nuova unità di recupero del calore di scarto per ottimizzare lo sfruttamento della fonte di calore. Particolare attenzione è stata posta nel modellare il fenomeno della condensazione, che rende il sistema ibrido, e il fenomeno della saturazione del serbatoio, che causa una dinamica veloce per gli strati superiori del serbatoio e una lenta per quelli inferiori. Infine viene effettuato un confronto tra le prestazioni del MPC non lineare con un MPC lineare e con un PI, evidenziando i miglioramenti della nuova strategia di controllo implementata e suggerendo alcune linee guida sugli sviluppi futuri.