大规模反渗透海水淡化工程调度问题研究及应用

摘要

随着社会经济的发展，人们对淡水的需求也越来越大，水资源危机已成为影响人类生活和经济持续发展的瓶颈之一。
　　海水淡化是沿海地区缓解用水危机最有效的方法之一。反渗透法是一种主要的海水淡化技术。随着反渗透膜、高压泵和能量回收装置等核心设备和技术的日益成熟，反渗透法已成为21世纪海水淡化的主导技术，得到了广泛的应用。
　　近年来，随着反渗透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis,SWRO)规模的不断扩大，海水淡化工程中包含的制水单元和设备也越来越多，对其进行优化调度，合理安排各机组的生产计划，是提高设备利用率、降低生产成本的有效手段。
　　依托国家科技支撑计划“日产10万吨级膜法海水淡化国产化关键技术开发与示范”(2009BAB47B00)，围绕大型反渗透海水淡化过程建模与优化问题展开研究，主要研究成果总结如下:
　　(1)阐述了反渗透传质机理，给出了典型反渗透海水淡化系统的流程;从热力学原理出发，基于溶解—扩散机理建立了反渗透过程传质模型，并以此为基础，对淡化工程中广泛采用的卷式膜组件单元进行了建模;分析了大型并联式反渗透海水淡化工程的工艺结构，建立了其全流程整体过程模型。对反渗透生产过程中的运行费用进行了分析，建立了其操作费用模型，为研究大型反渗透海水淡化工程操作优化提供了理论依据。
　　(2)研究了大型反渗透海水淡化工程静态优化问题。建立了SWRO系统的集总参数模型，提出了符合厂方调度习惯的静态调度模型，该模型是一类混合整数规划（Mixed-Integer Nonlinear Programming, MINLP）模型。针对MINLP模型难以采用解析方法进行精确求解的难题，采用启发式算法对其进行求解。根据反渗透海水淡化过程操作优化问题的特点，提出了一种两阶段差分进化算法来求解该MINLP问题，对算法参数进行了分析。仿真结果表明，该算法可以较好地求解本文所涉及的MINLP问题。
　　(3)为进一步揭示反渗透过程中各运行参数对系统性能的影响，并对全流程反渗透过程进行操作优化，建立了SWRO过程的微分—代数优化（Differential-algebraic Optimization Problems，DAOP）模型。为了克服DAOP解析求解难题，通过有限元配置法将DAOP问题转换为大规模非线性规划问题，采用联立求解技术对其进行了求解。讨论了有限元的选取策略，研究了在不同运行条件下的生产调度问题。优化求解结果表明本优化方法可以大幅降低实际操作费用。
　　(4)针对大型反渗透过程中存在的不确定因素，研究了其鲁棒调度问题。给出了生产调度的鲁棒性指标，并提出了一种主动调度与反应式调度相结合的混合鲁棒调度方案来处理反渗透过程中的不确定性。为了快速求解重调度命题，借鉴预测控制相关知识，引入滚动时域方法，将全局优化命题分解为一系列局部优化命题，以减少问题维数，达到快速求解的目的。对机器故障和用水量变动引起的不确定性进行了仿真，结果表明所提出的混合调度方案具有较好的鲁棒性。
　　(5)以国家科技支撑计划示范项目为依托，研究了大型反渗透海水淡化优化调度问题的工程实现。提出优化调度软件的总体架构并基于C＃环境进行了软件开发。研制的软件能够支持大型SWRO系统的生产调度，合理利用资源，有效降低制水成本。
　　最后，对全文进行了总结，指出了有待进一步研究的若干问题。

目录

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致谢

摘要

表格

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1 绪论

1．1 反渗透海水淡化技术综述

1．2 反渗透传质过程模型

1．3 反渗透海水淡化系统优化技术

1．4 优化调度问题及其求解方法综述

1．4．1 生产调度问题分类

1．4．2 调度问题建模方法

1．4．3 调度问题求解方法

1．5 本文的研究内容和体系结构

2 大型反渗透海水淡化过程建模

2．1 引言

2．2 大型反渗透海水淡化流程分析

2．2．1 典型反渗透海水淡化流程

2．2．2 大型并联式反渗透海水淡化工程

2．3 基于溶解一扩散理论的反渗透过程模型

2．3．1 膜中渗透现象的数学描述

2．3．2 基于溶解一扩散理论的反渗透传质模型

2．3．3 反渗透膜溶解一扩散模型的改进

2．4 卷式反渗透海水淡化系统模型

2．4．1 卷式反渗透膜单元模型

2．4．2 大型并联式反渗透系统整体模型

2．5 反渗透海水淡化系统费用分析与建模

2．5．1 反渗透法海水淡化工程淡化水成本分析

2．5．2 运行电力(能量)消耗D瞄

2．5．3 化学添加剂的费用OCCH

2．5．4 反渗透膜更换费用OCME

2．5．5设备维护保养费用OCmu

2．5．6 人工及劳务费用OCLB

2．6 本章小结

3 基于差分进化算法的SWRO操作优化

3．1 引言

3．2 大型SWRO优化命题的集总参数模型

3．2．1 优化命题的目标函数

3．2．2 优化命题的约束条件

3．2．3 其它说明

3．3 两阶段差分进化算法

3．3．1 基本差分进化算法

3．3．2 两阶段差分进化算法

3．4 TSDE在SWRO操作优化中的仿真研究

3．4．1 仿真问题基本参数

3．4．2 TSDE算法的个体编码机制

3．4．3 TSDE算法中约束条件的处理机制

3．4．4 TSDE算法参数确定

3．4．5 TSDE算法求解效果比较

3．5 本章小结

4 基于有限元分解的SWRO性能分析与操作优化

4．1 引言

4．2 大型SWRO优化命题的微分—代数优化模型

4．2．1 系统优化目标函数

4．2．2 系统优化约束条件

4．2．3 系统优化边界条件

4．3 联立求解技术

4．3．1 联立求解技术

4．3．2 有限元配置法

4．4 SWRO操作优化命题的有限元分解

4．4．1 优化命题描述

4．4．2 优化命题的有限元分解

4．5 仿真与讨论

4．5．1 仿真参数说明

4．5．2 有限元与求解器选取

4．5．3 反渗透模型仿真分析

4．5．4 默认参数下的最优解分析

4．5．5 设备效率对最优解的影响研究

4．5．6 不同温度下的最优操作研究

4．5．7 不同水质要求下优化操作研究

4．5．8 不同纯水需求下操作优化问题研究

4．6 本章小结

5 不确定条件下SWRO过程的鲁棒调度研究

5．1 引言

5．2 生产调度的鲁棒性

5．2．1 生产调度的鲁棒性

5．2．2 生产调度的鲁棒性指标

5．3 混合鲁棒调度框架

5．3．1 主动式鲁棒调度模型

5．3．2 反应式重调度模型

5．3．3 基于RHA的重调度求解机制

5．4 仿真与讨论

5．4．1 RHA中滚动窗口与滚动机制的选取

5．4．2 仿真实验与结果分析

5．5 本章小结

6 SWRO优化调度在海水淡化企业中的应用

6．1 引言

6．2 六横海水淡化厂SWRO工程监控系统

6．3 SWRO工程优化调度的应用研究

6．3．1 数据获取机制

6．3．2 基于用水量预测的优化调度

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 研究工作展望

参考文献

作者攻读博士学位期间取得的科研成果