数学优化法在化工行业用水网络优化设计中的应用

资料表明化工行业是我国用水和排污最大的行业之一,在化工行业实施节水减排成为当前倍受关注的一个重大课题。目前,用水网络优化是企业实施节水减排重要环节之一,主要应用的技术理论有水夹点理论和数学优化理论等。重点阐述数学优化理论,采用实例探讨其应用实践及前景。     

基于梯级用水的工业水系统节水优化研究

水系统节水优化是一种从系统层面分析水系统节水潜力的方法,借助数学模型可实现节水的量化研究。阐述了一种基于外排水再利用的水系统节水优化模型,并利用Vogel方法实现模型的求解。以火电企业为典型用水案例进行研究,将案例企业用水系统划分为6个子系统(循环冷却水系统、灰渣水系统、化学除盐水系统、脱硫用水系统、生活消防用水系统、其他杂用水系统),在污水排放改造的基础上构建了基于成本最优的节水优化模型并进行了求解。经案例研究发现,优化带来的经济效益最为明显,其次是节水、生态效益。案例企业优化后综合发电耗水、总用水成本、新鲜水取用量降幅分别为10.3%、13.6%、11.2%,对缓解当地水环境污染以及地下水开采压力具有积极意义。     

再生循环水网络设计在火电厂的应用

为解决水网络集成优化方法在火电厂水网络优化应用中存在的问题，该研究对杂质的传递过程进行了扩展，使用移质推动描述杂质负荷单元用水过程，以及用最大移质能力及移除率描述再生过程，并通过邻接矩阵描述网络单元间的连接关系，从而构建再生循环水网络模型；对3300 MW火电厂进行模型应用研究，将案例水网络划分为9个用水子系统，等效拆分为11个用水单元并对移质单元构建浓度修正模型从而实现最大移质过程，选取Cl^-、总悬浮固体(SS)、SO₄^2-三个杂质指标进行节水优化应用，通过对该优化问题KKT条件进行求解从而实现模型的简化，优化后水网络新鲜水取用量减少6.7%、排污量减少62.9%。通过案例研究表明，构建的基于“供-用-耗-排”过程的再生循环水网络模型是成功的，可实现火电厂多杂质指标、复杂系统考虑再生循环的水网络节水优化设计，解决了水网络集成优化方法在火电厂应用中单元间回用过程描述不够准确以及再生单元描述不适用于节水改造情景的问题。     

多污染因子水配合回用网络分析

综合利用水资源、优化相应网络、降低用水量与废水量排放量是当前我国各行业的迫切需求。在回用水网络设计与分析中,多污染因子水系统的优化向来是其中的关键。在用水污染物传质模型的基础上,提出了适用于单或多污染因子水系统,根据各用水操作进出口极限条件进行水流股配合回用的水网络优化方法,并以此方法对某石化企业炼油事业部含油水系统用排水网络进行优化设计,达到考虑单污染因子节水24.29%~33.30%,多污染因子节水17.76%的效果。该方法大大简化了水网络设计的计算,为石化行业水资源利用的优化提供了重要的依据。     

石化企业用水网络优化探讨

为推行环保和企业生产效益全面发展,节水减排早已成为当今水资源匮乏和水污染日益严重的大环境下的重要目标。本文以某石化企业为例对其用水网络进行分析研究,以期为石化企业节水减排提供技术参考。     

水系统集成优化方案的博弈分析与评价方法

对水系统集成优化方案的分析和决策需要考虑新鲜水用量、用水系统的柔性和用水网络结构的复杂程度等方面。水网络优化设计方案的确定一般需要在这三者之间进行折中和协调,属于多目标优化问题。为了综合考虑新鲜水消耗量和网络结构复杂程度等指标,并定量分析和确定水网络的优化设计方案,本文提出一种基于博弈分析的水网络优化方案的定量分析方法。以具有中间水道水网络优化设计方案的决策为例,采用本文方法进行了优化设计方案的分析与评价。研究表明：该定量分析和评价用水网络的方法可以合理地评价用水网络的设计方案,该方法可用于定量确定水系统优化问题中的多目标优化方案,可为水系统优化集成方案的确定提供分析依据和指导。     

我国炼油企业节水减排的技术与措施

分析了炼油企业节水减排的有效途径与措施。一是充分利用循环水和蒸汽凝结水,节约新鲜水;二是提高循环冷却水浓缩倍数,实现节水运行;三是重视污水处理与回用,减少污水排放;四是优化用水系统,提高用水效率;五是推行清洁工艺,从源头节水减排;六是依靠科学管理,落实节水工作。     

夹点技术在水网络中的研究与应用

常规的节水策略主要通过直观定性分析,通常用于单个单元操作或局部的用水网络中,这样虽然能达到一定的节水基的,但不能使整个用水系统的新鲜水用量和废水产生量达到最小。与常规的节水策豫相比,水夹点技术是从系统的角度对整个用水网络进行设计优化,以使水的重复利用率达到最大。文章介绍了水夹点技术的原理,对水夹点技术在国内外的研究进行了综述,并对其在国内的发展趋势进行了展望。     

前钢集团节水减排新模式研究概述

文章对前进钢铁水资源使用中存在的问题进行了分析,介绍了该企业节水减排采取的新举措,主要包括：中水回用、分级供水、串级使用、雨水回收。以上措施优化了公司用水结构、构建了取水、用水、排水三位一体的节水体系,开创了钢铁行业节约用水、减少废水排放的创新模式。该模式值得在钢铁企业推广应用。并提出节水减排是一项持续性工作,不断挖掘企业节水减排潜力对于企业生存发展具有重要意义,后期还可通过耗水设备72．x．艺方面进行节水规划。     

“双碳”战略下钢铁行业节水减污技术发展的探讨

钢铁行业在我国经济生产中占有重要地位,是国家的支柱性产业,但同时也是高耗能、高耗水、高污染、高碳排行业。在我国制定“双碳”发展目标的新形势下,钢铁行业水污染末端治理与生产过程结合度不够,用水用能效率仍有待提升,难以满足行业低碳发展的控制需求,亟需推进污染控制与碳减排统筹。本工作提出了“双碳”战略下钢铁行业节水减污技术发展的研究思路,通过供水-用水-废水处理-水循环利用综合统筹、污染跨介质-低碳协同控制、水污染全过程控制及智能优化、钢铁企业与城市的产-城共荣协同发展等方面,有望进一步提升对未来钢铁行业节水减污的科技支撑能力,助力钢铁行业绿色低碳发展。     

Synthesis of the fluid machinery network in a circulating water system

Energy consumption of the fluid machinery network in a circulating water system takes up a large part of energy consumption in the process industry, so optimization on the network will enhance the economic and environmental performance of the industry. In this paper, a synthesis approach is proposed to obtain the optimal network structure. The effective height curves are used as tools to perform energy analysis, so that the potential placement of water turbines and auxiliary pumps can be determined with energy benefit. Then economic optimization is carried out, by the mathematical model with the total cost as the objective function, to identify the branches for water turbines and auxiliary pumps with economic benefit. In this way, the optimal fluid machinery network structure can be obtained. The results of case study indicate that the proposed synthesis approach to optimize the fluid machinery network will obtain more remarkable benefits on economy, compared to optimizing only the water turbine network or pump network. The results under different flowrates of circulating water reveal that using a water turbine to recover power or adding an auxiliary pump to save energy in branches are only suitable to the flowrate in a certain range.     

工业系统超结构模型应用研究进展

超结构模型的研究和应用可以有效解决化工、水处理、钢铁、冶金等领域中逐渐凸显的能源效率问题,常见于工业系统中的热交换网络和质量交换网络、水网以及其他网络。详细论述了换热网络中的基于状态空间超结构、基于分级超结构模型,以及两种经典超结构模型思想在质量交换网络、水网中的应用。完成超结构构建后,根据工业的实际生产状况,一般以年度总费用为目标函数,选取合理算法优化超结构网络,最终得到所需的新建或者改建方案。总结归纳了常见的优化算法,主要分为两大类：确定性算法和随机算法。最后阐述了超结构模型在科学研究和实际工程应用中还存在的问题以及下一步的研究方向。     

Mathematical modelling of sustainable wastewater reuse networks considering CO<Subscript>2</Subscript> emissions

Water resource management poses a challenge in the process industry because a large amount of water must be used, even when prices increase. Companies struggle to minimize consumption by reusing wastewater, and the resulting water-reuse-network problem has been actively investigated. With the rising impact of global climate change, it is necessary to develop a sustainable methodology to reduce carbon dioxide emissions in the process industry. This paper proposes a mathematical model for sustainable water reuse networks that explicitly considers CO₂ emissions. To construct a sustainable network, emissions due to the construction and operation of the water network and additional water demand due to CO₂ capture facilities are incorporated. Actual case studies of steel manufacturing processes and eco-industrial parks are presented to illustrate the applicability of the model.     

Water network synthesis in refinery

Minimizing fresh raw water and wastewater effluent produced by industry has rigorously been studied over the past two to three decades. However, most studies have focused on rather theoretical illustration with little consideration of technical constraints in industry. Furthermore, use of massive industry data significantly increases the complexity of the problem, and no research paper has covered such a case study with practical solutions. This paper reviews the latest technology of water network synthesis and its applications, and provides a detailed guideline of the whole study procedure with a reference to case study based from refinery complex. Two main methodologies of water-pinch technology and a mathematical optimization programming are reviewed individually, and they are applied to a case study. Economic and operational constraints are embedded into optimization of water network synthesis in order to provide more reliable and achievable solutions for the minimization of fresh water consumption and reduction of waste water effluents. This generic approach can be similarly applied to other industries such as petroleum, steel, and paper manufacturing.     

工艺蒸汽加热网络与蒸汽系统的集成优化

蒸汽动力系统作为过程工业的重要组成部分,由蒸汽系统、分配系统和蒸汽加热网络组成。文中提出对蒸汽系统、分配系统和蒸汽加热网络进行集成优化。首先通过夹点分析对工艺蒸汽加热网络进行优化匹配,得到各等级蒸汽需求量及凝结水回收参数;然后根据建立的蒸汽系统和分配系统的运行优化模型得到产汽及分配方案。通过对某化工厂的能量利用系统进行集成优化,得到的优化方案与传统设计方案相比,锅炉燃料消耗量减少16.38%,同时系统所需要的外界补给水量减少16.27%。提出的集成优化方法对蒸汽动力系统的设计优化具有一定的指导意义。     

厂际氢气网络多周期集成的分步优化方法

厂际氢气系统集成对于化工园区合理配置氢气系统和氢气资源具有重要意义。针对化工园区中多厂氢气网络多周期优化设计的问题,提出了一种三步求解策略优化设计多厂氢气网络的多周期优化设计。该方法首先采用厂际氢气网络的单周期优化模型获取各子周期下的氢气公用工程的传输量,然后采用单厂氢气网络的多周期优化设计模型获得各厂内的氢气系统结构,最后采用厂际氢气系统的多周期优化设计模型确定化工园区中厂际氢气系统的网络结构和氢气调度方案。研究表明,所提出的多厂氢气网络多周期优化设计方法可有效解决厂际氢气网络的优化设计问题,该策略在不增加氢气系统结构复杂度的前提下,可以获得较好的经济性,并可提高优化模型求解的计算效率。     

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。     

工业循环冷却水系统降耗减排综述

面对我国日益严峻的环境污染与资源短缺形势,分别从优化循环冷却水系统、污水深度处理回用以及冷却水余热回收等方面介绍了近年来国内工业循环冷却水系统在节能、节水、减排方面的优化措施。用实例证明,我国工业循环冷却水系统降耗(水耗、能耗)减排的潜力巨大,这些优化措施可促进资源节约型、环境友好型工业的建设,并为工业企业带来十分可观的经济效益。     

水系统集成技术在火力发电厂的应用

火力发电厂是工业耗水和排水大户,节水潜力较大。利用水系统集成技术对某电厂的现有水网络进行优化改造,优化后水网络节水效果明显,且实现了电厂污水的近零排放。提出了水网络优化的基本路线和科学方法,为火力发电厂用水网络优化设计和改造提供理论依据。