Hierarchical Predictive Control of Recirculating Water Cooling Systems for Waste Heat Recovery in Steel Mill Industry

This Thesis deals with the design and implementation of a hierarchical predictive control of an innovative recirculating water cooling system for waste heat recovery in the steel mill industry. The main motivations behind this thesis are first illustrated, demonstrating why recirculating cooling water systems are pivotal in recovering waste heat in steel mills and enhancing sustainable energy. To achieve waste heat recovery in steel mills, an innovative recirculating water cooling system has been designed. This plant includes well-established steel mill appliances, such as the electric arc furnace and the hot rolling mill, and cutting-edge technologies to perform heat recovery, such as organic Rankine cycle, district heating and thermal energy storage systems. A physical model of the plant is derived from balance equations. The designed hierarchical predictive control is then presented. This control strategy is composed of two levels: the high-level model predictive control, aiming to achieve the control objectives, and the low-level Static Optimization, which solves an optimization problem to realize the MPC desired actions. Extensive simulation results and comparisons with a realized heuristic control algorithm enlighten the advantages of the hierarchical predictive control, both from an economic and a technical perspective.

Questa Tesi tratta la progettazione e l'implementazione di un controllo predittivo gerarchico di un impianto innovativo per il ricircolo dell'acqua di raffreddamento per svolgere recupero del calore nelle acciaierie. Per prima cosa, vengono illustrate le principali motivazioni alla base di questa tesi, dimostrando perché i sistemi di ricircolo dell'acqua di raffreddamento sono fondamentali nel recupero del calore sprecato nelle acciaierie e nello sviluppo di energia sostenibile. Per ottenere il recupero del calore sprecato nelle acciaierie, è stato progettato un innovativo sistema per il ricircolo dell'acqua di raffreddamento. Questo impianto include utenze consolidate, come fornaci a arco elettrico e laminatoi a caldo, e tecnologie all'avanguardia per svolgere il recupero del calore, come il ciclo Rankine organico, il teleriscaldamento e sistemi ad accumulo di energia termica. Un modello fisico dell'impianto è stato individuato dalle equazioni di bilancio. Il controllo predittivo gerarchico progettato è quindi presentato. Questa strategia di controllo è composta da due livelli: Model Predictive Control come alto livello, il quale ha come obiettivo di ottenere gli obiettivi del controllo, e la Static Optimization come basso livello, la quale risolve un problema di ottimizzazione per realizzare le azioni desiderate da MPC. Estesi risultati di simulazioni e confronti con un algoritmo euristico realizzato hanno evidenziato i vantaggi del controllo predittivo gerarchico, sia da una prospettiva economica che tecnica