并联连续再生/再循环的多杂质间歇用水系统优化方法

为了有效地减少多杂质间歇用水系统的新鲜水消耗量和再生处理量,针对多杂质间歇过程用水网络提出连续操作并联再生处理单元水网络结构模型及其优化设计方法。通过在用水网络中设置中间储罐和再生单元以实现对不同水质废水并联分质处理,建立了减少用水系统的新鲜水用量和再生水量以及废水排放量的数学规划模型,采用GAMS软件对一个实例进行求解。计算和分析表明：提出的水网络结构与优化设计方法可有效地解决按水质对废水进行并联处理的间歇用水系统,使系统的新鲜水用量和再生水流率同时达到最小。     

基于经验规则的数学规划法快速设计多杂质用水网络

综合了夹点规则、排序思路等经验,提出了基于经验规则的数学规划法来快速设计多杂质用水网络。由于获取准确的用水过程顺序是剔除一些不必要流股、简化用水网络数学模型的关键,因此,基于对用水过程极限数据的分析和对用水过程的理解,提出了用水过程供水和受水的排序方法,并设定必要的水夹点规则、序列和逼近规则、混合规则以剔除不必要的水网络结构,达到简化模型、降低网络结构维数的目的,最后在LINGO软件上编写程序进行求解。通过三实例分析得知,设定经验规则后能够有效地降低模型规模、减少模型的非线性变量数、缩短模型的求解时间,并能够得到最优的设计方案。     

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。     

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.     

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。     

涉及固定流量用水单元的多杂质水网络直观设计方法

水网络集成是过程工业一项重要的节水技术,如今受到越来越多的关注。固定流量过程与固定杂质负荷过程是工业水网络中典型的两类操作过程。不同于固定杂质负荷过程,固定流量过程是一类不涉及传质的用水操作单元。改进了针对固定杂质负荷过程的多杂质用水系统提出的浓度势概念,并将其应用于固定流量过程的多杂质用水系统设计。设计中各过程的执行顺序由需求水流的浓度势(CPD)决定：按照CPD值由小到大的顺序依次执行各过程。满足需求水流时,按照虚拟分配量由大到小的顺序来选择内部水源,按照价格由低到高的顺序选择外部水源。实例结果表明,该方法只需简单计算即可获得多杂质固定流量水系统的设计网络。     

能量集成用水网络设计方法研究

采用数学规划方法,分别用分步设计方法和同步设计方法对单杂质能量集成用水网络进行了研究,根据实例研究结果进行对比,说明同步优化设计法比分步设计法更为准确和有效。     

LP-based solution strategies for the optimal design of industrial water networks with multiple contaminants

This paper presents a new approach for the optimal design of water-using networks. Starting with a superstructure that accounts for all possible connections between water sources and water-using operations, different substructures are generated that consider all possible sequences of operations. Then, each operation is tackled one at a time, from the first to the last element in the sequence. This procedure has the advantage of replacing a nonlinear program (NLP) by a succession of linear programs (LP) that are solved for all operation sequences. Although part of the feasible region is lost in the process, the results have shown that the optimal solution is often obtained. The new procedure is at the same time a good approach of generating structurally different solutions that can be used as starting points for the full NLP. By doing this, local solutions can be avoided and the probability of finding the global optimal solution to the problem is increased. When compared to the standard initialization procedure that features a single starting point, the new approach is more efficient but substantially more demanding computationally. A trade-off can be reached by using the standard technique with multiple starting points originated from the possible operation sequences.     

工业多水源供水网络优化设计

传统的工业供水网络设计往往仅考虑单个水源或多个水源的单水质参数的优化问题,没有考虑多水质参数和多水源以及相应的原水预处理系统。提出了工业多水源供水网络的超结构模型,并对原水预处理系统进行了数学建模,考虑了不同水源的水质特点,相应的预处理设备产水率和水质的移除率,将工业水阱进行了分类并考虑了多种水质参数的约束。以沿海某炼油企业的多水源供水网络为例,利用商业软件GAMS进行建模求解。优化结果表明,该炼油企业最佳的供水方案是综合使用地表水,市政中水和地下水作为水源,不使用市政供水和海水。该案例优化的供水网络年度化费用为638.42万元。     

On the necessary conditions of optimality of water utilization systems in process plants with multiple contaminants

This paper presents necessary conditions of optimality for multicomponent water allocation systems in refineries and process plants. We extend the necessary conditions of optimality proved for single component by Savelski and Bagajewicz (Chem. Eng. Sci. 55(21) (2000) 5035). In particular, it is shown that at least one component reaches the maximum concentration at the outlet of a freshwater user process. A necessary condition of monotonicity is also proven. In this particular case, monotonicity only holds for certain components called “key” components.     

考虑压降和多壳的换热网络集成

介绍了一种考虑压降和多壳的换热网络集成方法。首先采用埃索法推导得出不依赖于各种校正系数的管壳式换热器壳程压降计算关联式,并通过考虑换热器内是否存在温度交叉来计算换热器所需的壳数;然后以包含压降相关费用的年度总费用为优化目标,利用遗传算法,实现换热网络的优化设计。案例研究表明压降相关的动力与投资费用在换热网络年度总费用中占一定比例。所提出的方法能有效处理考虑压降和多壳所引入的非线性问题,使设计结果更为经济和可靠。     

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。     

水网络与虚拟水的过程系统工程研究进展

水危机的迫切性已经引起了全世界过程系统工程领域的普遍关注。首先概述了全球和中国水危机的严重情况, 介绍了政府和学术界的对策, 系统地检索了1994年以来对水网络和虚拟水问题发表的文献著作。分3个层次对国内外的研究做了系统综述:①单个企业内水网络系统集成优化, 包括用水网络(WUN)、废水处理网络(WWTN)、总水网络(TWN)和全水网络(CWN)及冷却循环水系统问题、有中水道水网络和间歇水网络问题3个特殊问题;热量和水耗同时最小化的水配置和换热网络问题(WAHEN);多种工艺与能、水网络系统同时集成优化研究;②跨企业多个水网络系统集成优化;③跨地区/国家的虚拟水与产品水足迹研究。这些研究对企业的、跨企业的生态工业园区以及区域产业系统的节水减排和提高水、能的利用效率可以发挥重要作用, 并对解决缺水地区/国家的政策制定提供依据。     

Heuristic evolution strategies for simplifying water-using networks with multiple contaminants

In designing a realistic water-using network with more than one contaminant, it is often desirable to obtain a simple structure so as to achieve high levels of controllability, operability, and safety. Based on any given preliminary design, the proposed heuristic evolution procedure can be systematically applied to produce an improved network with fewer interconnections, less total throughput and near minimum freshwater usage. Specifically, the minimum interconnection number is first targeted on the basis of graph theory and, then, three basic evolution strategies, i.e., loop breakage, two-source shift and path relaxation, can be utilized to strive for the number target. The required calculations in this procedure can be easily realized with Microsoft Office Excel or a hand calculator. Two examples are presented in this paper to illustrate the implementation steps and to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

给水管网GIS和水力模型无缝连接的方法研究

在如何利用给水管网信息管理系统(GIS)中的信息建立水力模型的研究中,传统方法容易导致水力模型继承GIS中的数据缺陷和错误,也不能保持模型和GIS系统的同步更新。文章提出建立共享数据库的方法,解决了此类问题,实现了给水管网GIS和水力模型之间的无缝连接。同传统方法相比,建模结果更准确,而且减少了重复开发、节约了项目投资。     

Synthesis and optimisation of an integrated water and membrane network framework with multiple electrodialysis regenerators

The shrinking supplies of freshwater globally, coupled with strict environmental regulations, have driven the manufacturing industry towards sustainable water management for the minimisation of freshwater intake and wastewater generation. By using process integration and its enabling tools, this work considers the synthesis of an optimal water network with multiple regeneration capabilities. Development of the proposed framework is achieved by embedding a subnetwork of detailed electrodialysis models within a water network. Based on a superstructure and fixed flowrate, the optimisation problem is formulated as an MINLP model and solved in GAMS/DICOPT. To demonstrate the applicability of the proposed mathematical model a literature case study on a pulp and paper plant is presented and the results indicate a potential of 12% savings in freshwater intake, 16% reduction in wastewater generated and a 14% saving in the total annualised cost for the entire network.     

采用水流浓度排序法设计多杂质用水网络

在多杂质用水网络设计中,过程的执行顺序和水流之间的匹配是两个关键环节。提出了过程水流相对于其他各过程水流的综合浓度势的概念,水流的综合浓度势反映了该水流与其他所有水流(包括源水流和需求水流)相比较时浓度的高低。设计时过程的执行顺序由需求水流综合浓度势的大小来确定,需求水流综合浓度势最低的过程首先执行。在满足需求水流时,优先回用虚拟分配量(用本文给出的方法确定)最大的可用源水流。源水流向需求水流的分配量可通过杂质负荷衡算及过程极限条件确定。计算实例表明,本文方法获得的水网络的新鲜水消耗量与最小新鲜水目标值非常接近,同时,其计算十分简捷。