大規(guī)模反滲透海水淡化工程調度問題研究及應用

大規(guī)模反滲透海水淡化工程調度問題研究及應用隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們對淡水的需求也越來越大,水資源危機已成為影響人類生活和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。海水淡化是沿海地區(qū)緩解用水危機最有效的方法之一。反滲透法是一種主要的海水淡化技術。隨著反滲透膜、高壓泵和能量回收裝置等核心設備和技術的日益成熟,反滲透法已成為21世紀海水淡化的主導技術,得到了廣泛的應用。近年來,隨著反滲透海水淡化(SeawaterReverseOsmosis,SWRO)規(guī)模的不斷擴大,海水淡化工程中包含的制水單元和設備也越來越多,對其進行優(yōu)化調度,合理安排各機組的生產(chǎn)計劃,是提高設備利用率、降低生產(chǎn)成本的有效手段。依托國家科技支撐計劃“日產(chǎn)10萬噸級膜法海水淡化國產(chǎn)化關鍵技術開發(fā)與示范”(2009BAB47B00),圍繞大型反滲透海水淡化過程建模與優(yōu)化問題展開研究,主要研究成果總結如下：(1)闡述了反滲透傳質機理,給出了典型反滲透海水淡化系統(tǒng)的流程；從熱力學原理出發(fā),基于溶解一擴散機理建立了反滲透過程傳質模型,并以此為基礎,對淡化工程中廣泛采用的卷式膜組件單元進行了建模；分析了大型并聯(lián)式反滲透海水淡化工程的工藝結構,建立了其全流程整體過程模型。對反滲透生產(chǎn)過程中的運行費用進行了分析,建立了其操作費用模型,為研究大型反滲透海水淡化工程操作優(yōu)化提供了理論依據(jù)。(2)研究了大型反滲透海水淡化工程靜態(tài)優(yōu)化問題。建立了SWRO系統(tǒng)的集總參數(shù)模型,提出了符合廠方調度習慣的靜態(tài)調度模型,該模型是一類混合整數(shù)規(guī)劃(Mixed-IntegerNonlinearProgramming,MINLP)模型。針對MINLP模型難以采用解析方法進行精確求解的難題,采用啟發(fā)式算法對其進行求解。根據(jù)反滲透海水淡化過程操作優(yōu)化問題的特點,提出了一種兩階段差分進化算法來求解該MINLP問題,對算法參數(shù)進行了分析。仿真結果表明,該算法可以較好地求解本文所涉及的MINLP問題。(3)為進一步揭示反滲透過程中各運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,并對全流程反滲透過程進行操作優(yōu)化,建立了SWRO過程的微分一代數(shù)優(yōu)化(Differential-algebraicOptimizationProblems,DAOP)模型。為了克服DAOP解析求解難題,通過有限元配置法將DAOP問題轉換為大規(guī)模非線性規(guī)劃問題,采用聯(lián)立求解技術對其進行了求解。討論了有限元的選取策略,研究了在不同運行條件下的生產(chǎn)調度問題。優(yōu)化求解結果表明本優(yōu)化方法可以大幅降低實際操作費用。(4)針對大型反滲透過程中存在的不確定因素,研究了其魯棒調度問題。給出了生產(chǎn)調度的魯棒性指標,并提出了一種主動調度與反應式調度相結合的混合魯棒調度方案來處理反滲透過程中的不確定性。為了快速求解重調度命題,借鑒預測控制相關知識,引入滾動時域方法,將全局優(yōu)化命題分解為一系列局部優(yōu)化命題,以減少問題維數(shù),達到快速求解的目的。對機器故障和用水量變動引起的不確定性進行了仿真,結果表明所提出的混合調度方案具有較好的魯棒性。(5)以國家科技支撐計劃示范項目為依托,研究了大型反滲透海水淡化優(yōu)化調度問題的工程實現(xiàn)。提出優(yōu)化調度軟件的總體架構并基于C#環(huán)境進行了軟件