通过改进网络结构提高多杂质水系统柔性的集成方法

水系统集成导致用水过程之间联系紧密、相互作用、相互影响.为了改善系统柔性,可通过改进网络结构提高系统的柔性.对多杂质水回用网络系统的柔性进行了分析,提出了用过程附加控制数和过程连接数同时表征多杂质水回用系统柔性的评价指标,建立了新鲜水耗量最小化、过程附加控制数优化和过程连接数优化的分步优化数学模型,并通过多杂质水网络实例研究了该方法的可行性,得到了具有最小新鲜水耗量、过程附加控制数和过程连接数均最小的水网络结构.     

基于线性规划的单杂质间歇过程用水最小化

对间歇化工过程的单杂质用水网络提出了以新鲜水量最小为目标的优化设计方法。该方法对间歇过程的每个操作假定为一个操作接一个储罐，对所有操作按出口浓度从小到大排序，避免了高浓度水回用到低浓度水的操作中，去掉了用水网络中多余的连接，构造了用水网络超结构。该超结构可以表述为一个线性规划模型。通过GAMS求解该模型得出每个操作周期的最小新鲜水量，并通过证明得出该最小用水量随操作周期增加最终不再变化。该方法可以用作有、无中间储罐间歇过程用水网络综合，实例计算结果表明该方法是可行的，与其他方法相比更简单。     

基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化

超结构用水网络规模大、结构复杂、求解比较困难。本文提出了基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化设计方法,该方法按出口浓度的单调性进行排列,使进口浓度或出口浓度达最大值以确定用水量,简化了用水网络超结构及数学模型。以最小新鲜水量为目标,以过程之间回用水量和废水量为基因,对简化后的用水网络运用遗传算法进行了优化设计。遗传算法采用浮点数编码方法,运用了算术交叉技术和种群间交叉技术。计算实例表明,本文所提方法可行,能利用最大水回用规则简化用水网络,并快速求出其最优解。     

嵌入条件改变的配合法水回用网络优化

当前对水回用网络的研究,主要集中于在用水过程情况确定条件下构造新鲜水量最低的用水网络,忽视了用水过程的变化性.本文以配合法构造用水网络,每一用水过程入水以新鲜水、低污染回用水和高污染回用水配合获得,使各过程进水流量比尽可能趋近1,各过程按出口极限浓度由低到高依次运算.该方法以过程为运算单元,所以可针对具体过程,通过即时修改可回用水的流量、浓度等运算参数实现条件改变下的用水网络构造,同时有利于实现用水网络的在线优化和成本控制.最后通过实例说明了该方法的有效性.     

最小化新鲜水量与废水处理量的图形方法

水分配网络由回用、再生和废水处理3个相互作用的子系统构成。设计水分配网络需考虑质量负荷固定和流量固定两类用水操作模型。目前，兼顾两类用水操作的图形方法对水分配网络的研究局限于一个或两个子系统的设计，而缺少一种能同时处理3个子系统的方法。本文用新的方法合成了反映用水网络水源盈亏情况的总组合曲线，并由此得到最小废水量和新鲜水量。为考虑废水再生情况，提出通过用再生水线和废水线合成废水排放线的方法求解再生情况下的最小新鲜水量。同时，根据总组合曲线得到了废水组合曲线，求得最小废水处理量。实例表明，本文所提方法可在具体网络设计前，在同一浓度-质量负荷图中确定单杂质水分配网络的各目标参数，且简便易行。     

考虑再生操作的间歇过程用水网络优化

当前,水资源短缺与污染问题日益严重,废水再生后回用对节约水源和保护环境具有重要的意义。针对间歇过程,为了合理利用不同品质的过程水源,实现用水系统的最大水回用,本文建立了一个包含水源-水阱、水源-中间储罐-水阱、水源-连续再生体系-水阱与水源-废水处理系统的用水网络超结构,基于连续时间模型建立数学模型,并采用多目标分步法依次优化新鲜水用量、再生单元的再生速率以及中间储罐数目,最终得到新鲜水消耗量以及废水排放量最小的最优用水网络结构。同时,为贴近实际生产中的多操作周期过程,本文针对用水系统从启动周期到稳定周期的全过程,进行了用水网络的设计、分析与优化。最后通过算例计算,验证了本文所提方法的合理有效性。     

水夹点分析与数学规划法相结合的用水网络优化设计

提出了水夹点分析和数学规划法相结合的用水网络最优设计法。水夹点分析基于对过程用水的理解,获得新鲜水用量目标并给出用水网络设计的基本规则。在此基础上建立过程使用新鲜水、排放废水和回用的各种可能匹配方案的用水网络超结构及其MINLP模型。既避免了用水夹点综合设计用水网络得不到真正意义上的最优解,又在一定程度上防止超结构规模过大,MINLP维数太高,求解困难。采用通用代数建模系统GAMS得到用水网络最优设计方案。文献中的应用实例表明,本文所提方法可充分发挥水夹点分析确定新鲜水用量或回用结构的简洁实用性和超结构MINLP寻求最佳方案的优点。     

考虑环境及处理单元流股回用的多性质用水网络集成

水资源的日益匮乏和更为严格的废水排放法律法规促使过程工业必须重视节水减排问题,而传统的用水网络综合仅将杂质浓度作为约束物料回用的限制因素,忽略流股的性质或功能对流股回用的影响,不足以反映实际的工业生产要求。因此,开展用水网络的多性质集成问题研究具有重要的现实意义。本文在考虑环境问题的多性质用水集成超结构模型基础上,增加了对废水流股性质处理中部分流股依次回用给阱单元使用的过程。该方法以最小年度总费用为目标函数,建立了考虑环境和过程流股性质的直接回用及经过处理单元后流股回用的混合整数非线性规划(MINLP)模型,并将其用于实例计算,结果表明本文方法在降低年度总费用的同时还减少了新鲜水使用量及废水排放量,验证了本文方法的有效性及优越性。     

水级联法确定间歇用水过程的夹点及废水最小化

利用水级联分析法对间歇过程用水网络进行研究,确定过程的用水夹点及最小新鲜水用量和最小废水排放量,提出了间歇用水过程的全局夹点的概念,考虑了用水过程的流率限制,在水级联表格中用流率替代了传统水级联分析法中的传质量,识别过程中每个时间段的局部夹点及公用工程目标,通过全局夹点和局部夹点的比较,指出过程的用水瓶颈,设置储罐打破瓶颈,使用水网络公用工程目标最小化。通过实例对水级联分析法进行了详细的阐述,计算结果与文献一致,表明该方法是一种易于理解、直观且简便有效的确定间歇过程用水网络的夹点及最小公用工程的方法。     

分阶段线性规划法快速设计含有多种污染物的用水网络

针对含有多种污染物用水网络的设计问题,提出了一种新方法.该方法先基于各个用水过程的污染物最大出口浓度对过程排序,然后采用GAMS(general algebraic modeling system)语言建立线性规划模型,依次对序列中的每个过程的废水回用方案进行优化计算,以确定出其最小新鲜水用量和来自前驱的废水回用量.该方法虽然不能保证所得解的全局最优性,但它能快速地找到最优或近似最优解,而且方法简单.     

A heuristic design method for batch water-using networks of multiple contaminants with regeneration unit

This work develops a heuristic method for the design of batch water-using networks of multiple contaminants with regeneration unit based on the concepts of concentration potential. A water-using network involving regeneration unit can be formed by adding the regenerated stream(s) into the network involving reuse only. In the design procedure of the network operated in a single batch mode, time is taken as the primary factor and concentration potentials as the secondary one. For the networks operated in a repeated mode, the design procedure is similar to that for continuous processes, besides designing the storage tanks with the rules proposed. Continuous regeneration unit is selected in this work. With the proposed method, the network structure corresponding to the minimum freshwater consumption can be obtained. It is shown that the method proposed in this article is simple, effective and has clear engineering meaning.     

A graphical technique for the design of water-using networks in batch processes

This paper presents a graphical technique for the design of water-using networks in batch plants. Water integration is achieved by exploiting all possibilities of water reuse/recycle to minimize not only freshwater consumption, but also wastewater generation. Since time limitation for unmatched operating periods may be the primary barrier to the integration in batch processes, the installation of storage facilities is quite common to enhance the water recovery. For that reason, the cost in terms of storage facilities becomes another issue to be considered. This work is focused on network design, like the second stage of conventional pinch analyses. Some useful concepts and principles addressed in literatures are adopted to help the design of batch water network and to ensure the maximum recovery, thus the utility usage, the network structure and the storage policy can be obtained through the analysis. Once the freshwater expenditure is determined, workable ways are sought to cut the number of storage tanks and they also reduce the network complexity. In the context of this paper, a hybrid system that includes different type of water-using operations with distinct operating modes is taken into account to display the versatility of proposed approach. Furthermore, considering the fact that sometimes water reuse/recycle between certain operations is not allowed to prevent operational problems, the action of network design should be more deliberate owing to additional restraints. Therefore, the potential for water integration may be diminished, which means a less amount of water recovery. Finally, an illustrative example is provided to amplify the application of proposed approach. Like most graphical techniques, the presented work is restricted to a single key contaminant.     

多杂质体系间歇过程用水网络优化

对多杂质体系完全间歇过程用水网络优化进行了研究,建立了用水网络超结构和非线性规划数学模型,利用中间储罐跨越时间约束,设置用水过程流量上下限以加速收敛。首先确定关键杂质,并将关键杂质浓度最大的水源直接排往废水,获得简化的用水网络超结构;其次,运用GAMS求解,得到最小新鲜水量、废水量、中间储罐数目及优化的用水网络结构。实例研究证明本文提出的方法可行,并能以较少周期获得优化的网络结构,同时可以减少中间储罐数目。     

考虑非等温混合的能量集成多杂质水网络优化设计

提出了一种分步综合多杂质体系水网络和换热网络的新方法。对于水网络,考虑进入操作单元的新鲜水与回用水之间的非等温混合,确保流股间的直接热回收;对于换热网络,可以只考虑水网络中的新鲜水和回用水流股之间的换热匹配。采用无进化次数的改进粒子群算法对本文建立的多杂质体系水网络非线性模型和换热网络混合整数非线性模型进行求解。实例表明,与不考虑非等温混合时比较,考虑非等温混合时的最优网络结构更简单,且年度总费用要节省2.4%。因此,本文提出的方法在实际生产中有较好的可行性和有效性。     

基于可靠性分析的用水网络优化设计

由于水资源的有限性,用水网络的优化设计问题一直是研究热点。可靠性问题关系着安全生产并且和实际生产有着直接的经济联系,也越来越受到关注。这里提出基于可靠性分析的用水网络优化设计方法,应用多目标优化方法中的层次分析法,首先满足用水系统可靠性要求,在满足可靠性基础上优化用水网络,从而使最终的用水网络满足可靠性要求且新鲜水用量最小。计算实例表明了该方法的有效性。     

Pinch multi-agent genetic algorithm for optimizing water-using networks

A new genetic algorithm, pinch multi-agent genetic algorithm (PMAGA), is developed for optimizing water-using networks. All agents are fixed on a lattice, and they will compete or cooperate to increase their energy. On the other hand, agents can also increase their energy with knowledge. For single contaminant water-using systems, PMAGA and other algorithms as well as Lingo can find the same minimum freshwater consumption. For multiple contaminants systems, it can find the same or better results in case studies. Moreover, PMAGA is more efficient for much shorter computational time compared with other algorithms, and furthermore, it can yield many water-using networks consuming the same minimum freshwater but with different configurations, whereas Lingo yields only one network. These alternative configurations give more options for industries.     

采用迭代方法设计具有再生再利用/循环的单杂质用水系统

具有再生再利用/循环利用的水网络与只有再利用的水网络不同之处在于前者增加了再生水流。如能确定再生水流的浓度和流量并将之加到只考虑再利用的水网络中,即可构成具有再生再利用/循环利用的水网络。在上述思想基础上提出一种迭代法设计具有再生再利用/循环利用的水网络。该方法既可以解决给定移除率（removal ratio,RR）问题,又可以解决固定再生浓度问题。对RR问题,根据水网络及再生过程的特点估算出初始再生水流浓度,再生水流的量待定。将所得再生水流加到只考虑再利用的网络中构成具有再生过程的水网络。设计上述水网络,可以得出新的再生水流的量及浓度。当相邻两次再生浓度之差小于给定值时迭代结束。对RR问题,通常只需几次迭代即可得出最终设计;对于固定再生浓度问题,只需一次迭代即可得出最终设计。设计中考虑了影响水网络设计总费用的新鲜水用量、再生水用量和杂质再生负荷3个主要参数。对文献中几个实例的研究表明,本文方法得到的设计与文献中的设计相当,而设计步骤比文献中的简单。     

含再生再利用的用水网络的优化设计

对单组分含再生再利用的用水系统,提出了一种基于序贯操作模型的整体优化设计方法。该方法分别针对单组分含再生再利用的用水网络设计可能存在的三种情况,以新鲜水和再生水用量最小为目标,给出了相应的设计策略,数学的表达是一个非线性规划。首先依据规则将操作对贫流的要求进行分段排序,并通过引入操作的质量交换分配系数αi,将各操作依据规则虚拟地分配为再生前过程和再生后过程,然后按操作序列逐级进行操作和操作水源之间的的优化匹配,建立含再生再利用的用水网络的序贯操作模型,最后将此综合问题归结为非线性规划问题来求解,从而完成用水过程的设计。给出了一个实例,计算结果表明本文方法是有效和简便易行的。     

通用炼油厂水系统优化模型开发与应用

传统水系统优化往往只考虑了新鲜水用量,而忽视了除盐水、除氧水、各等级蒸汽、蒸汽冷凝水、循环冷却水等类型的水,缺乏对各类型水量关联性的研究。针对这种局限性,提出了包含多种类型水的通用用水过程模型,以及通用炼油厂水系统优化的超结构和相应的数学模型,模型中集成了各装置及各种类型水之间关联的物料衡算方程。利用商业软件GAMS对某炼油厂的水系统进行建模求解,案例分析结果表明,除盐水用量有所下降,回用水用量增加,在优化前后雨水量保持469.36 t·h^-1的情况下,系统的新鲜水用量从489.44 t·h^-1减小到283.94 t·h^-1,以系统新鲜水量和雨水量之和为基准,节水率达到21.4%。加工吨原油取水量从0.649 t减小至0.510 t,接近国内先进水平。案例研究表明,提出的优化模型能够有效地计算整个炼油厂水系统的新鲜水用量,验证了该模型的实用性。