牛志远[1]2013年在《反渗透海水淡化膜系统优化设计与优化调度的研究》文中认为海水淡化技术是解决日益严峻的淡水资源短缺的重要途径。反渗透海水淡化技术作为新型的海水淡化技术，自问世以来，发展十分迅速，采用反渗透技术的淡化工程逐年增加。该技术存在的问题是制水成本偏高，相关学者就此问题做了深入研究，研究表明，对反渗透海水淡化膜系统的优化设计能够有效降低制水能耗。反渗透淡化系统是一个典型的流程工业系统，对其运行状态进行优化调度，可降低其运行费用。本文拟在上述两个方向进行深入研究，旨在寻找最优的膜系统流程设计和淡化系统运行状态，以实现制水成本最低。研究内容主要包括以下几个方面：针对反渗透海水淡化膜系统的优化设计，本文对膜系统传统寻优方法进行转换，得出以制水能耗最低为优化目标的数学模型。首先，根据反渗透海水淡化膜系统的流程特点，建立过程单元的数学模型，通过模型模拟反渗透过程；其次，将设备的投资费用、系统运行时的能耗费用作为决策变量，建立反渗透海水淡化的经济模型；最后，在流程模型和经济模型的基础上，针对一级一段工艺和一级两段工艺分别建立优化设计模型，确立最优目标函数、约束关系、以及优化变量；采用GAMS软件对优化设计模型进行最优化求解，确定反渗透海水淡化膜系统的最优流程设计，并得出年能耗费用、吨水能耗费用等主要经济指标。对改变进水水质条件的膜系统设计进行了研究，得出了不同条件下的膜系统最优设计方案。对工程实例进行优化设计，得出的吨水能耗费用低于工程的实际值，表明该优化设计方案是有效的。针对反渗透海水淡化系统的优化运行与调度，本文将电力调度领域应用较为广泛的分支定界法应用于优化调度模型的求解。首先，在分析不同预测方法的基础上，结合六横岛的历史用水量数据特点，采用自回归移动平均预测方法，对未来调度时间段的用水量进行预测；其次，在获得预测用水量的基础上，根据淡化系统的工艺特点和运行状态，将产水池供水计划和淡化机组启停计划作为决策变量，建立以运行费用最小化为目标函数的调度模型；最后，分支定界法对调度模型进行了最优化求解。通过调度实例分析，该优化调度方案可有效降低系统的运行费用。在上述研究工作的基础上，结合淡化系统的工艺特点，在.Net平台下采用C#语言设计开发了反渗透海水淡化优化调度系统。对系统软件的实现进行了需求与可行性分析，介绍了系统软件的总体设计框架，主要分析和说明了各功能模块的实现方法，并对系统软件的测试方法和流程进行了阐述。系统运行结果表明，该调度系统能根据历史数据预测未来用水量，执行优化调度，生成合理的产水计划和供水计划。
王崇武[2]2008年在《反渗透海水淡化系统能量分析及优化》文中认为发展海水淡化技术是解决全球水资源短缺的重要途径。反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点,近十年来发展速度很快,未来将成为海水淡化的主导技术。从理论上讲,它是最节能的海水淡化方法。但目前,对于反渗透海水淡化,其技术经济指标和社会的期盼值之间,还存在一定的距离,淡化水成本仍偏高。而系统能耗是成本最主要的组成部分,能耗过高也就成为制约制水成本的最主要因素。这说明当前的反渗透海水淡化工艺、工程设计以及系统操作等方面仍有很多值得改进的地方。因此,本课题分析了系统中各操作参数对系统能耗的影响,并以降低能耗为目标,对反渗透膜系统进行了优化设计。应用海德能公司的反渗透设计软件IMSdesign,结合工程实例,考察系统能耗随给水温度、系统回收率、给水含盐量、能量回收效率等操作参数的变化特点。发现其有随给水温度的升高持续下降,随系统回收率的升高基本呈负指数规律下降,随能量回收效率的提高呈线性比例下降,随给水含盐量的升高呈线性比例上升的规律。对传统建立系统费用模型的寻优方法进行了转换,得出以单位产品水系统能耗最低为优化目标的数学模型。以元件特征方程和系统特征方程为基础建立约束,结合膜生产厂家的技术手册要求的各种限值约束一起,构成系统完整的约束条件。膜品种、膜数量、膜排列作为优化变量,整个模型是一个混合整数非线性规划(MINLP)。结合工程实例,将优化模型运用Matlab优化工具箱实现求解以实现工艺优化和操作优化。并与实际设计模式紧密联系,使用陶氏公司的反渗透设计软件ROSA6.1对优化结果进行验证,其误差在可以接受的范围内。对一级一段工艺和一级两段工艺选用相同的膜元件,不同的膜元件排列方式。比较之后可以看出对所选实例来说,单位产品水系统能耗可以达到2.97kWh/m3,低于文献报道的3.31 kWh/m3的能耗值。可见,利用本文的方法选择的工艺和设计参数效果更好。
卢彦越[3]2004年在《反渗透海水淡化系统优化设计的研究》文中提出发展海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途径。反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近10年来发展速度很快，在未来将成为海水淡化的主导技术。根据热力学计算，常温下用反渗透法淡化海水的最低能耗仅为0.7kwh/m~3左右。从理论上讲，它是最节能的海水淡化方法。但目前，对于反渗透海水淡化，其技术经济指标与社会的期盼值之间，还存在一定的距离，淡化水的成本偏高。这说明当前的反渗透工艺、工程设计以及系统操作等方面仍有很多值得改进的地方。反渗透海水淡化系统优化设计的研究起步较晚，近十几年来一些学者对此开展了研究，提出了一些观点和方法，如超结构法等，然而由于问题本身的复杂性，所提的方法尚存不足之处，如高效率换能器的出现，产生了新的工艺，需要有新的模型来描述，另外他们对膜组件清洗和更换问题考虑也不够全面。本论文从系统工程角度，对反渗透海水淡化过程进行了分析，采用最优化方法对反渗透海水淡化系统的设计进行了研究，提出了一套优化设计的方法，主要内容有以下几点： 1．对反渗透淡化过程的工艺设计进行了研究。首先对过程的每个单元给出了单元操作模型和相关的经济模型。通过一定的变量将这些模型相互关联，组成系统模型。系统模型主要考虑了一级一段流程和一级两段流程。将膜组件分为高脱盐膜、高通量膜、普通膜、低脱盐膜四种类型，以年费用最小为目标，在满足过程热力学、设备选型、设计要求等约束的条件下，系统的设计问题可表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)。当产品水的设计要求不同，给水浓度不同时，采用本文的设计方法分别得出了不同的最优设计方案。这个方法可用于海水、苦咸水淡化的工程设计，也可用于高浓度含盐废水的脱盐工艺设计。对两个实例进行了设计，得到的吨水费用，能耗低于文献报道值，表明这种方法是有效的。 2．膜污染是反渗透海水淡化法遇到的一个主要问题，对膜组件的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一，在保证产水量的情况下，选择恰当的清洗策略和清洗时机可使所需的清洗次数最合理，清洗费用最低。本文在反渗透海水淡化过程工艺设计研究基础上，进一步对一级一段反渗透系统的清洗时机问题进行了研究。以规划期内总操作费用最 中国海洋大学硕士学位论文 小为目标，提出了新的污染模型，给出了清洗的判据，将清洗策略问题表达为一个混 合整数非线性规划(MINLP)。对一个实例进行计算，给出了该例中的反渗透系统在 五年规划期内的最优清洗策略和清洗时机。结果证明这种数学规划方法对于寿命为3一5 年的膜组件的清洗维护是有效的。3.在工艺优化和操作优化的基础上，进一步对反渗透系统的优化设计进行了研究。在设 计过程中同时考虑了五年规划期内膜组件的清洗和更换情况，采取了以下步骤对反渗 透过程进行设计:1)给出过程单元数学模型，用这些模型模拟反渗透过程，预测不 同条件下操作参数对过程的影响;2)建立系统模型对反渗透结构进行描述;3)建立 描述膜组件污染的数学模型，提出膜组件清洗和更换的判据，给出规划期内膜组件的 最优清洗和更换策略。4)给出相关的经济模型，将投资费用、操作费用和设计变量 相关联。5)在前四步的基础上用数学规划法对反渗透过程进行优化设计。采取以上 方法对两个反渗透海水淡化工程进行了设计，得到的吨水费用，能耗低于文献报道值， 表明这种方法是有效的。
周婷[4]2016年在《基于反渗透方法的新能源海水淡化系统研究》文中进行了进一步梳理水、食物、健康、教育及能源,这五个指标如同人的五个手指一样,结合形成了“五指联盟”。地球上的水,尽管数量巨大,而能直接被人们生产和生活利用的,却少得可怜。地球的淡水资源仅占其总水量的2.5%,而在这极少的淡水资源中,又有87%的难以利用。剩余的海水又咸又苦,不能饮用,不能灌溉,也难以用于工业。近年来,随着人口膨胀与工农业生产规模的迅速扩大,全球淡水用量飞快增长。同时人们又在大规模污染水源,导致水质恶化,预计到2025年,全世界将有30亿人口缺水。淡水资源紧缺已发展为一个全球性的问题。近年来,反渗透海水淡化技术不断得到发展,系统占地小,运行工艺简单,投入成本和运行成本相对较低,市场份额不断提高。同时可再生能源利用技术不断发展,风能发电和太阳能发电技术已取得了一系列成就。沿海地区和海岛地区是淡水资源严重不足的地区之一,有海水淡化的巨大需求,同时风能和太阳能丰富,具备新能源开发利用的自然条件。利用新能源驱动反渗透海水淡化,是解决我国沿海与海岛区域水资源短缺的一项行之有效的措施。“五指联盟”的时代已经到来,我们需要将这五个要素结合在一起,将新能源与海水淡化相结合,不仅可以解决淡水匮乏,还可以减少传统能源带来的环境污染。基于此,本文对基于反渗透方法的新能源海水淡化系统进行了研究,建立了整个系统的数学模型,并且运用软件模拟,初步验证了反渗透系统设计的正确性。利用HOMER软件直接对发电系统优化设计分析,得到理想的设计方案,为新能源和海水淡化的耦合方面,提供一些理论依据。同时,将模拟试验的结果进行详细分析,为相关的试验研究明确方向。首先综述了主流海水淡化工艺及相关集成技术,各种新能源与海水淡化耦合的方式以及研究现状,介绍了海水淡化工艺的相关集成技术和浓盐水相关链接产业。然后分成两大模块对对基于反渗透方法的新能源海水淡化系统进行详细介绍,即风光互补系统和反渗透海水淡化系统。前者,详细的描述了风光资源的分布和相应的计算方法,建立系统的数学模型,说明了风能和太阳能的评估方法;并且利用meteonorm软件和homer软件得到相应的太阳能辐射数据,利用weibull分布的方法对风能资源评,将nasa数据库和收集到的风能数据与homer软件相结合,得到一年中平均每小时的风速数据,为后文中风光互补系统提供依据。后者对反渗透系统的取水设计、预处理工艺、脱盐部分、后处理等方面进行了详细的说明。最后本文结合小叁门岛地区的自然资源以及水需求量,设计了离网型风光互补反渗透海水淡化系统。不仅对海水淡化系统进行了工程设计,并且根据负载系统的需求,对风光互补发电系统进行了匹配设计。为了降低系统的投资费用,利用homer软件对独立光伏发电系统、独立风能发电系统和风光互补系统进行了仿真模拟,并将结果对比分析,得出最佳的设计方案。研究创新与特色如下:(1)不同于传统的海水淡化工艺,本文采用新能源驱动海水淡化,建立了整个系统的数学模型,并将发电系统和海水淡化系统进行了匹配设计,同时利用海德能公司开发出的相关软件进行了模拟验证;(2)对项目实施地的资源进行了评估,提出了nasa数据库、气象资料以及相应的软件相结合,仿真出一年平均每小时的太阳能辐射和风能数据,充分利用了利用meteomorm软件、pvsyst软件和homer软件;(3)直接利用homer软件对新能源发电系统优化,大大减小系统的计算量。总之,利用可再生能源驱动海水淡化装置,可以改善海岛居民淡水供应,具有社会效益;为海岛的旅游业开发奠定基础,具有经济效益;减少传统能源发电带来的环境污染问题,具有环境效益。
伍联营[5]2012年在《基于遗传算法的海水淡化及其集成系统优化设计研究》文中进行了进一步梳理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，探讨了顶温、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叁种操作策略：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叁者的集成，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。
王剑[6]2015年在《大规模反渗透海水淡化工程调度问题研究及应用》文中研究说明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,基于溶解一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过程的微分一代数优化(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。
卢彦越[7]2007年在《反渗透膜法海水淡化过程最优化设计的研究》文中研究表明水是生命的源泉,是人类宝贵的、不可替代的自然资源。水资源危机已经成为继石油危机、电力危机之外又一制约中国经济发展的瓶颈。长远来看,发展淡化技术,从海洋获取淡水是解决水资源短缺的重要途径。反渗透膜法海水淡化技术由于其能耗低,系统安装维护相对简单,目前已得到了广泛的应用。但其技术经济指标与社会的期盼值之间,还存在一定的距离,淡化水的成本偏高。这说明当前的反渗透工艺、工程设计以及系统操作等方面仍有很多值得改进的地方。根据反渗透技术的特点,以及它在水资源开发和保护中的作用,本文对反渗透淡化过程进行了分析,采用最优化方法对反渗透淡化系统的设计进行了研究。在综合考虑了多种水源合理配置和有效利用的基础上,提出了同时考虑多水质输入、多水质输出的反渗透淡化系统的设计问题。该系统不仅可以将海水转变成淡水,而且也可以同时用来处理苦咸水和工业废水,提高了水的利用率。同时根据不同的用途,输出多种水质,实现了一水多用,重复利用,充分发挥了水资源的多种功能。本文主要内容有以下几点:1.对反渗透海水淡化过程进行了模拟和设计研究,首先对过程的每个单元给出了单元操作模型和相关的经济模型。通过一定的变量将这些模型相互关联,组成系统模型。系统模型主要考虑了一级流程,一级两段流程和二级流程。以年费用最小为目标,对反渗透海水淡化系统进行设计,将设计问题表达为一个混合整数非线性规划。将膜组件分为高脱盐膜,高通量膜,普通膜,低脱盐膜四种类型。当产品水的设计要求不同,进料水浓度不同时,采用本文的设计方法分别得出了不同的最优设计方案。当进料水浓度逐渐降低时,所用膜的类型逐渐由高脱盐膜转变为高通量膜,低脱盐膜,这些膜的脱盐率降低,水通量增大,这说明了进料水浓度高时,脱盐是主要矛盾,进料水浓度低时,水通量是主要矛盾。当进料水浓度较高,反渗透系统需要较高的操作压力,能量消耗大,因此换能器效率对年费用影响较大。如能量回收效率较高时,采用结构简单的一级流程;进料水浓度低时,能量费用在年费用中占的比例小,投资费用对年费用的影响较大,采用水回收率高,膜组件的选用合理的二级流程。这个方法可用于海水、苦咸水淡化的工程设计,也可用于高浓度含盐废水的脱盐工艺设计。本文对一个实例进行了设计,得到的吨水费用,能耗低于文献报道值,结果合理,表明这种方法是有效的。2.本文对在不同进料水水质条件下,不同产品水需求时,反渗透系统的优化设计进行了研究。提出了一种系统化的、集成化的方法对反渗透系统进行设计。首先,采用状态空间法给出一个网状的超结构描述,这个超结构包括了所有可行的设计方案。它和其它结构相比,不同之处在于:1).假定反渗透网络只有一个进料水入口,进料水从第一个反渗透级进入网络。2).将物流分布集合简化为物流混合节点。淡水、盐水物流在增压级进行混合,在反渗透级进行分离。3).超结构数学模型中采用了物流分率,等压混合约束等技术手段,简化了模型中物流混合、分离的数学描述。4).反渗透网状超结构的描述中以功压交换器作为能量回收装置。这个超结构数学模型中采用了物流分率,等压混合约束等技术手段,减少了整数变量的数目和算法的搜索空间,使得模型的求解更容易。当进料水水质发生变化时,可通过改变多级反渗透系统的结构,选择恰当的操作条件和膜组件的型号,获得具有最大经济效益的产品水。本文同时给出改进的卷式膜组件模型。该模型考虑了膜元件中的压降和浓差极化,可以近似地描述膜分离单元中压力容器的行为。由此就可以将系统中膜组件的设计和整个反渗透系统的设计结合起来,同时进行优化。设计的结果可以确定最优的压力容器排布方式,每个压力容器中膜元件的个数以及元件的选型。反渗透网络的优化设计问题最终可表达为一个混合整数非线性规划(MINLP),它以反渗透系统年费用最小为目标,满足过程热力学、单元操作、设计要求的约束。提出的系统化的反渗透网络优化设计方法被应用到海水、苦咸水淡化实例中。结果表明,采用最优化设计方案可以明显地降低单位产品水的费用,同时这种设计方法可以加深对整个反渗透系统的了解,适合应用于实际的反渗透淡化工程设计中。3.在综合考虑了多种水源合理配置和有效利用的基础上,根据反渗透淡化技术的特点,提出了同时考虑多水质输入、多水质输出的反渗透淡化系统的设计问题。该系统不仅可以将海水转变成淡水,而且也可以同时用来处理苦咸水和工业废水,提高了水的利用率。同时根据不同的用途,输出多种水质,充分发挥了水资源的多种功能。本文采用过程综合优化的方法,对多水质输入、多水质输出的反渗透系统的优化设计进行了研究。首先,在前面提出的网状超结构的基础上,给出这个问题的超结构描述。改进之处在于:该反渗透网络由Nps个增压级和NRO个反渗透级构成。网络中有四套物流节点,分别是Nw个进料物流节点;Nps个物流混合节点;NRO个反渗透单元节点;Np个产品水节点。这个结构描述简单,易于表达。在它的数学模型表达中采用了物流分率,物流混合逻辑表达等技术手段,减少了整数变量的数目和算法的搜索空间,使得模型的求解更容易。这个系统结构中的膜分离单元也采用了上一章给出的卷式膜组件模型,在系统优化的同时也对膜组件的设计进行优化,设计的结果可以确定最优的压力容器排布方式,每个压力容器中膜元件的个数以及元件的选型。反渗透系统的优化设计问题最终表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)。当输入的水源发生变化或输出的水质需求不同时,可通过改变多级反渗透系统的结构,选择恰当的操作条件和膜组件的型号,恰当的进料水源搭配,进料的位置,获得具有最大经济效益的产品水。这种过程综合优化的方法可以用较低的成本,实现水资源的合理配置和有效利用,充分发挥了水资源的多种功能。4.膜组件的定期清洗是防治膜污染的主要措施之一。本文在反渗透海水淡化过程的模拟和工艺设计基础上,进一步对一级反渗透系统的清洗时机问题进行了研究。本文以规划期内总操作费用最小为目标,提出了新的污染模型,给出了清洗的判据,建立了清洗规划模型,将清洗策略问题表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)。用这种方法对一个一级反渗透系统的操作、清洗维护进行优化,计算结果给出了该系统在五年规划期内的最优操作和清洗策略,最优单元数为两个单元。在不同的反渗透系统中,最优单元数依赖于清洗的固定费用,每个膜组件的清洗费用,以及整个反渗透系统膜组件的数量。实例计算结果表明,这种策略对于优化寿命为3-5年的膜组件的清洗维护是有效的。5.在工艺优化和操作优化的基础上,对考虑膜组件清洗及更换的反渗透系统的优化设计进行了研究。由于影响一个反渗透系统正常运行的主要因素是膜污染,它引起的操作压力上升、水质恶化,从而使操作费用大增。本文在设计阶段考虑了膜组件的清洗和更换对整个反渗透系统的工艺设计和运行操作的影响,采取了以下步骤对反渗透过程进行设计:1)给出过程单元数学模型,用这些模型模拟反渗透过程,预测不同条件下操作参数对过程的影响;2)建立系统模型对反渗透结构进行描述;3)建立描述膜组件污染的数学模型,提出膜组件清洗和更换的判据,给出规划期内膜组件的最优清洗和更换策略。4)给出相关的经济模型,将投资费用、操作费用和设计变量相关联。5)在前四步的基础上以年费用最小为目标,将设计问题表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)。在GAMS集成开发环境中求解以上混合整数非线性规划,可得出最优的设计工艺及操作策略。按照本文提出的优化设计模型,它假设系统的单元数是个变量,每个单元所包含的膜组件数目也是个变量,反渗透系统中不同单元可根据自身受污染的情况,操作上可进行相互补偿,以满足最终产水量,产水水质的要求。这种设计使得反渗透系统的操作更灵活,消耗的费用更低。对叁个实例进行了设计,分别为在设计阶段只考虑膜清洗情况的例子,膜组件使用五年后统一更换。及在设计阶段同时考虑膜清洗和更换的例子。从设计结果来看,得到的吨水费用,能耗低于文献报道值,表明这种优化设计方法是有效的。
刘银[8]2014年在《风光互补反渗透海水淡化系统优化设计研究》文中指出人类社会的生存发展离不开两个重要的条件——水与能源，然而地球上的总体水资源中只有3%是可以供人使用的，世界上正有25%的人口无法喝到足够的淡水。同时，随着全球气候变暖，干旱与沙漠增多，人口数量增多，环境污染等等问题日趋严重，现有可用淡水资源越来越少，而对水的需求却与日俱增。我国是一个淡水资源严重缺乏的国家，从取之不尽用之不竭的海水来获取淡水，并使淡水在低成本内较长时间大量存储，是解决水资源短缺的重要手段之一。但是，海水淡化是高能耗产业，随着传统能源短缺问题日益凸显，可再生能源的利用得到了广泛的关注，其中，太阳能和风能发电技术也逐渐成熟。利用风光互补为海水淡化提供能源供给，是同时解决水资源和传统能源危机的有效途径。本文首先综述了新能源在海水淡化领域的利用情况、风光互补发电系统的发展现状以及海水淡化设备的研究发展趋势，提出开发具有较为成熟基础技术的风光互补海水淡化工程意义重大。然后将完整系统分成两大主要模块进行了详细的介绍，即风光互补供电模块和海水淡化模块，详细论述了完整风光互补反渗透海水淡化系统的组成和工作原理。其次，以地域开阔及常年风能资源丰富的上海临港为工程设计背景，考虑风能和太阳能的分布特点，对风光互补发电系统进行匹配性设计，采用相关软件模拟水处理计算，并利用局部寻优法简单找出较为合适的匹配方案。最后引入符合风光互补反渗透的遗传算法，以全生命周期投资成本为目标函数，在全状态空间计算出最优的系统匹配方案。由于风光互补反渗透海水淡化装置的结构非常复杂，影响其运行的因素非常多，本文从理论设计的角度，以实现系统功能同时降低成本为目标，完善整理一套计算方法，对系统设计与动态优化方面做了更深的思考和探索，提出了一些装置设计的原则。
赵朦[9]2017年在《热膜耦合海水淡化工艺系统热经济性评价》文中认为淡水资源短缺已经成为全球性问题,越来越多的国家和地区面临淡水危机。寻找新水源,解决淡水危机是目前世界各国各地区面临的重要问题。海水淡化作为开辟新水源最有效最直接的途径,引起了人们的广泛关注。海水淡化技术主要包括反渗透法,电渗析法和蒸馏法,蒸馏法又包括多效蒸馏法和多级闪蒸法。目前,应用于大规模生产的海水淡化技术主要是反渗透(RO)膜法海水淡化技术、低温多效蒸馏(MED)和多级闪蒸(MSF)热法海水淡化技术。其中,反渗透海水淡化技术因为投资成本低、设备简单、产水量大等优势,在国内外海水淡化领域中应用最为广泛,占比达到60%以上。但膜法产水含盐量较高,膜通量受海水温度影响较大。热法产水含盐量低,产水品质高,但海水利用效率低,制水成本较高成为其进一步推广的瓶颈。所以,研究开发新的海水淡化工艺对提高海水利用效率和系统经济性具有重要意义。热膜耦合法海水淡化技术是一种将热法海水淡化技术和膜法海水淡化技术有机结合的集成技术,它通过优化工艺系统和合理配置资源,以降低海水淡化的制水成本,从而得到较高的经济性。热膜耦合法海水淡化技术是目前海水淡化领域最为先进的技术,是未来海水淡化研究的主要方向。本文首先对反渗透海水淡化系统进行了工艺系统的设计,建立了反渗透海水淡化系统产水与经济性计算的数学模型,利用MATLAB软件编制了反渗透海水淡化产水特性与经济性评价软件,利用该软件对各卷式反渗透海水淡化膜进行了产水特性及经济性比较,发现卷式反渗透膜SW30XLE-400的性能最佳;对规模为10000t/d的反渗透膜法海水淡化系统进行了产水及经济性分析,结果表明:当淡水产量不变时,进水流量随进水浓度的升高而增加,脱盐率随进水浓度的升高而提升,但回收率下降,制水成本和能耗增加明显。本文详细阐述了低温多效蒸馏海水淡化系统的组成部分及工作原理,并对该热法海水淡化系统进行了工艺系统的设计,建立了低温多效蒸馏海水淡化系统产水及经济性计算模型,根据建立的数学模型对规模为10000t/d的低温多效蒸馏海水淡化系统进行了产水性能分析和经济性评价,计算所得系统造水比为5.532。本文将热法低温多效蒸馏海水淡化系统与膜法反渗透海水淡化系统进行集成得到MED-RO热膜耦合海水淡化系统,并以膜法与热法的产水分配比为优化参数对该耦合系统进行了产水特性及经济性分析与优化,得出结论:耦合海水淡化系统中产水浓度随着产水比的增大而增大,制水成本随着产水比的增大而减小,当产水比为1.2时,产水浓度为297.47mg/L,制水成本为0.7174$/t,热膜耦合法海水淡化系统得到最佳产水特性和最优经济性。
徐丁[10]2010年在《反渗透海水淡化系统优化运行与调度研究》文中进行了进一步梳理随着社会经济的快速发展,世界范围内的淡水资源愈发紧缺,解决淡水资源问题已经成为社会发展的当务之急。海水淡化是一种能够大规模开发稳定可靠水源的高科技手段,其中反渗透法海水淡化技术因其能耗低、系统安装维护相对简单等优点,以及反渗透膜元件在材料、结构等方面不断取得突破,目前已得到了广泛的应用。但是大型反渗透海水淡化系统仍存在系统复杂、运行成本相对较高等问题需要解决,随着能源的紧张,通过系统优化与调度降低成本成为亟待解决的问题,本课题通过对反渗透法海水淡化流程分析、系统建模与优化调度的研究,对运行过程中复杂环节进行优化调度,降低运行成本。本文对海水淡化处理方法进行了分析,对反渗透法海水淡化技术的原理、流程、发展状况进行了阐述,在此基础上对系统流程的主要环节进行了建模与优化调度研究,研究工作主要包括以下几个部分:1.对反渗透海水淡化系统优化运行与调度进行总体设计,以用水量预测作为调度实现的前提和基础,以多机组联合制水优化作为系统的核心,以设备运行维护方案作为系统可靠、稳定的保障。2.利用六横台门地区8日的用水观测数据及六横岛连续几年的日平均用水量统计数据描述了短期和中长期的用水量变化特征。采用3种预测模型对日用水量进行预测,预测结果的平均绝对百分误差控制在6.5%以内。同时根据六横2007~2010年的年用水量统计数据,建立了中长期用水量的灰色预测模型,并对2011~2015年的年用水量进行了预测。3.研究机械过滤器清洗周期问题。通过分析过滤理论流体力学模型,得出过滤过程中体积比沉积量、孔隙率、压力等参数随过滤总流量的变化趋势,以及过滤过程中压力与流量的关系式。在建立过滤器年运行费用的数学模型的基础上,对该模型进行求解,确定最佳的反洗周期,得到了年运行费用的最小值。对比优化前后的不同运行方案,节省了7.99%的运行费用。4.以一级一段工艺系统每产一吨淡水的电耗最小为目标函数,建立了高压泵和增压泵电耗的数学模型。利用MATLAB优化工具箱的FMINCON函数对电耗模型进行了优化求解,得到了优化后的操作压力、回收率、单位产品水电耗。对比优化前的电耗,节能效率达到了9.77%。在此基础上,以运行费用最小为目标函数建立了海水淡化机组的联合制水调度模型,并在GAMS环境下对模型进了行求解。
参考文献：
[1]. 反渗透海水淡化膜系统优化设计与优化调度的研究[D]. 牛志远. 杭州电子科技大学. 2013
[2]. 反渗透海水淡化系统能量分析及优化[D]. 王崇武. 天津大学. 2008
[3]. 反渗透海水淡化系统优化设计的研究[D]. 卢彦越. 中国海洋大学. 2004
[4]. 基于反渗透方法的新能源海水淡化系统研究[D]. 周婷. 上海海洋大学. 2016
[5]. 基于遗传算法的海水淡化及其集成系统优化设计研究[D]. 伍联营. 中国海洋大学. 2012
[6]. 大规模反渗透海水淡化工程调度问题研究及应用[D]. 王剑. 浙江大学. 2015
[7]. 反渗透膜法海水淡化过程最优化设计的研究[D]. 卢彦越. 中国海洋大学. 2007
[8]. 风光互补反渗透海水淡化系统优化设计研究[D]. 刘银. 上海海洋大学. 2014
[9]. 热膜耦合海水淡化工艺系统热经济性评价[D]. 赵朦. 华北电力大学(北京). 2017
[10]. 反渗透海水淡化系统优化运行与调度研究[D]. 徐丁. 杭州电子科技大学. 2010