基于遗传算法的海水淡化及其集成系统优化设计研究

摘要

淡水资源的匮乏已经成为影响社会发展和人类生活的重要因素之一，节约用水和寻找新的淡水资源是当今面临的重要课题。海水淡水是从海水中获取淡水的技术，大力发展海水淡化是解决淡水资源短缺的有效途径。而能耗大、淡水成本高是制约其推广应用的主要瓶颈，随着科学的发展和技术的进步，海水淡化的能耗已经有了很大的降低，但离人们的接受还有一定的差距。因此，开展海水淡化技术的节能降耗研究具有重要的意义。
　　 本文对海水淡化及其集成系统的优化设计进行了研究，旨在探讨影响海水淡化能耗的主要因素，获得降低海水淡化能耗的技术和方法。为此开展以下几个方面的工作，并获得了一些结论，具体如下：
　　 1遗传算法的改进
　　 遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的智能型优化算法。运用遗传算法求解优化问题，尤其是大规模的优化问题，其困难在于对问题变量的编码。基于基本遗传算法的二进制编码同时对不同类型的变量进行编码存在的缺陷，本文提出了混合编码的遗传算法，直接采用问题变量的类型进行编码。同时依据不同类型变量的特点，改进了交叉和变异算子：序列变量采用了PMX交叉和反转变异，整数变量采用直接交叉和随机变异；连续变量(实型变量)则采用算术交叉和非均匀变异的方法。运用算例对提出的混合编码遗传算法进行了验证，结果表明改进的遗传算法是可行的、有效的。
　　 2多级闪蒸系统的优化
　　 首先，分析了闪蒸级的结构，将一个闪蒸级分解为闪蒸室、预热器、蒸气室和淡水槽四个基本单元，建立了多级闪蒸系统的数学模型，采用改进的遗传算法进行求解，并与文献值进行比较，结果如下：
　　 (1)本文优化结果为闪蒸级数为16级，总换热面积为56046.3m2(包含盐水加热器的面积)，性能比达到了10.7；文献值级数为21级，总换热面积为59008m2，性能比为8.29。因而投资费用和操作费用低于文献值，从而表明本文所建立的数学模型和采用的优化算法是可行的、有效的。
　　 (2)多级闪蒸系统中的淡水温度、闪蒸盐水温度和循环盐水的温度在各级中的分布近似为直线；总传热系数沿级数增大呈现出逐步下降的趋势，而传热温差则出现先增大后减少的趋势，传热量和淡水产量逐级下降。
　　 其次，探讨了项温、进料温度、海水浓度和淡水产量等因素对多级闪蒸性能参数的影响，结果表明：海水浓度变化对闪蒸级数几乎没有影响，随着进料海水浓度的升高，性能比逐渐减小，盐水循环比则逐渐增大，且变化较缓慢；淡水产量增大闪蒸级数和性能比都增大，而盐水循环比的变化较小，基本为一常数；随着顶温的升高，闪蒸级数和循环比都逐步减小，顶温越高其变化越缓慢；而性能比则逐步增大，且增大的趋势逐渐减小；随着进料海水温度的升高，性能比、闪蒸级数和循环比都呈现出逐步增大的趋势。3热膜耦合海水淡化系统的研究
　　 分析了多级闪蒸和反渗透系统各自的特点、两种淡化方法的耦合特性及其集成的优点。提出了分离级、混合节点和分配节点的概念，每一分离级包含一股进料和两股出料，混合节点只有一股出料，可以有多股进料，分配节点只有一股进料，可以有多股出料。
　　 探讨了海水浓度对多级闪蒸和反渗透系统的产水成本的影响，结果表明：随着进水浓度升高，多级闪蒸系统的淡水成本变化较小，而反渗透系统的淡水成本升高较快。当海水浓度大于44000mg/L时，宜采用多级闪蒸技术；海水浓度低于44000mg/L时，宜采用反渗透技术。
　　 建立了基于分离级的多级闪蒸和反渗透集成系统的超结构模型，提出了产水比的概念，并将该参数作为集成系统的一个优化变量，采用改进的遗传算法进行求解，获得了集成系统的最优结构及相应的操作条件，对于给定的算例，集成系统采用MSF-RO结构，反渗透与多级闪蒸的产水比为0.45。
　　 4水电联产系统的优化设计
　　 分析了水电联产的可行性，建立了详细的水电联产系统数学模型，针对水电联产系统的三种操作策略：满足水需求、满足电力需求以及同时满足水、电力需求，采用改进的遗传算法分别进行优化求解，结果表明：
　　 (1)满足水量需求时，水电联产系统的最优操作模式为发电厂、MSF和RO三者的集成，发电采用背压蒸汽轮机，淡化水成本低于独立运行的MSF和RO，且MSF与RO的产水比存在最优值。随着淡水需求量的增加，水电联产系统的淡水成本逐渐降低，MSF与RO的产水比呈现出逐渐降低的趋势。
　　 (2)满足电力需求时，水电联产系统的最优结构为电厂与MSF的组合，发电采用背压蒸汽轮机。水电联产的优化设计是以电定水，而海水淡化生产模式首选MSF。
　　 (3)同时满足水、电力需求的水电联产系统的最优操作方案随着淡水需求量的变化而不同。当淡水需求量较小时，采用电厂+MSF组合，发电选用抽汽式汽轮机；当淡水需求量较大时采用电厂+MSF+RO的组合，发电机选用背压式汽轮机，且MSF与RO产水比大于仅满足水需求时的产水比，满足水需求时MSF产水量小于RO产水量，而同时满足水、电需求时RO的产水量小于MSF的产水量。
　　 5水电联产系统调度问题的研究
　　 首先，针对水电联产系统的特点，引入储罐单元，提出了水电联产系统的调度模型。通过分析水电需求负荷的特点，给出了长期、中期和短期调度问题的研究目标及对应的时间周期，讨论了中期和短期调度的时间间隔的划分和时间步长的选取。
　　 其次，开展了短期调度问题研究，以一天为调度周期，并划分为6个时间区间，每一区间的水电需求取其最大值。结果表明：在电力需求少的时段，多产水进行储存，电力需求大的时段多发电、减少水产量，不足的部分采用储存水补充，这种运行模式可以获得较大的收益，降低电厂的负荷波动，提高能源的利用效率；不同时间段内MSF和RO的运行时间不同，且生产负荷是变化的。在一个调度周期内，夏季(或冬季)RO的运行时间为8小时，而春季(或秋季)的运行时间为12小时。
　　 最后，考察了中期计划问题，周期为一年，以季节为时间步长划分为四个时间区间。结果表明：在计划期内，水电联产系统的电力负荷在任何一个时间区间都可以满足外部的需求；而产水量在4个调度区间内变化较大，春秋季节的产水量远远大于需求量，冬夏季节的产水量小于需求量，通过调整计划期内水电的生产负荷，实现了水电需求在不同季节的协调、互补，减小了电厂负荷的波动，降低了生产费用。