大規(guī)模反滲透海水淡化工程調(diào)度問題研究及應(yīng)用

大規(guī)模反滲透海水淡化工程調(diào)度問題研究及應(yīng)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(shù)。隨著反滲透膜、高壓泵和能量回收裝置等核心設(shè)備和技術(shù)的日益成熟,反滲透法已成為21世紀海水淡化的主導技術(shù),得到了廣泛的應(yīng)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(shè)備也越來越多,對其進行優(yōu)化調(diào)度,合理安排各機組的生產(chǎn)計劃,是提高設(shè)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(guān)鍵技術(shù)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(jié)如下：(1)闡述了反滲透傳質(zhì)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(zhì)模型,并以此為基礎(chǔ),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(jié)構(gòu),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(diào)度習慣的靜態(tài)調(diào)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(jié)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(zhuǎn)換為大規(guī)模非線性規(guī)劃問題,采用聯(lián)立求解技術(shù)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(diào)度問題。優(yōu)化求解結(jié)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(diào)度問題。給出了生產(chǎn)調(diào)度的魯棒性指標,并提出了一種主動調(diào)度與反應(yīng)式調(diào)度相結(jié)合的混合魯棒調(diào)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(diào)度命題,借鑒預(yù)測控制相關(guān)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(jié)果表明所提出的混合調(diào)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(diào)度問題的工程實現(xiàn)。提出優(yōu)化調(diào)度軟件的總體架構(gòu)并基于C#環(huán)境進行了軟件