工业用水网络集成优化系统的设计与应用
摘要:设计了在Matlab环境下运行的水网络集成优化系统,该系统集成了水源- 水阱关系图、水夹点图和数学规划等技术。介绍了该系统的主要功能模块,以及各个功能模块的相互作用。该系统的主要特点在于能够利用夹点图和数学规划得到的信息来调整水源与水阱的匹配关系,以使优化设计出的用水网络结构尽可能简单。应用该系统对两个实例进行了设计,并与文献报道的设计结果进行了比较,表明该系统在不牺牲优化目标的条件下,能够设计出流程结构更简单的用水网络。
关键词:水网络; Matlab; 优化设计
在化学工业、石油化工、制药、造纸、电力、冶金,以及食品等现代过程工业中,大量新鲜水的消耗和产生的废水给企业成本、经济和生态环境带来了巨大压力。从20世纪80年代开始,工业用水和废水排放量的最小化受到了广泛的重视[ 1 ] 。
1980年TAKAMA等[ 2 ]采用数学规划法对涉及3种用水操作的炼油厂的水分配网络进行了优化设计,通过水的回用,使新鲜水消耗和废水产生量均减少了20% , 总成本降低20%。1989 年, EI -HALWAGI和MANOUSIOUTHAKI[ 3 ] 提出了质量交换网络的概念,将水网络中杂质的传递类比于质量交换网络中杂质的传递。1994年,WANG和SM ITH[ 4 ]将“热夹点”概念引入水网络设计,提出了“水夹点”概念。L innhoff公司将改进后的水夹点技术应用于美国孟山都公司,获得了每年节约100万美元的效益,并因此获得了1995年度由英国化学工程师协会授予的“杰出安全与环保奖”[ 5 ] 。2000 年, SAVELSKI和BAGAJEW ICZ[ 6 ]提出单杂质用水系统最优性的必要条件,并据此提出了单杂质用水系统的最优设计算法。目前数学规划法和夹点技术仍然是水网络优化设计中最常用的工具,这两种方法都可以很好地实现水消耗和排放最小化,但是在应用上仍然存在以下两方面的问题: ①水网络设计过程复杂,需要专业技术人员才能完成,不利于在工业中推广应用; ②采用夹点技术和数学规划法设计出的用水网络一般比较复杂,流股分支多,不便于工程实现。
基于上述背景情况,笔者开发了在Matlab平台上运行的“水网络集成优化系统”。该系统集成了水源- 水阱关系图、水夹点图和数学规划等技术,其特点在于能够将夹点图和数学规划得到的信息用来调整水源与水阱的匹配关系,减少匹配数,使设计出的用水网络结构简单。
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