工業用水網絡集成優化系統的設計與應用
摘要:設計了在Matlab環境下運行的水網絡集成優化系統,該系統集成了水源- 水阱關系圖、水夾點圖和數學規劃等技術。介紹了該系統的主要功能模塊,以及各個功能模塊的相互作用。該系統的主要特點在于能夠利用夾點圖和數學規劃得到的信息來調整水源與水阱的匹配關系,以使優化設計出的用水網絡結構盡可能簡單。應用該系統對兩個實例進行了設計,并與文獻報道的設計結果進行了比較,表明該系統在不犧牲優化目標的條件下,能夠設計出流程結構更簡單的用水網絡。
關鍵詞:水網絡; Matlab; 優化設計
在化學工業、石油化工、制藥、造紙、電力、冶金,以及食品等現代過程工業中,大量新鮮水的消耗和產生的廢水給企業成本、經濟和生態環境帶來了巨大壓力。從20世紀80年代開始,工業用水和廢水排放量的最小化受到了廣泛的重視[ 1 ] 。
1980年TAKAMA等[ 2 ]采用數學規劃法對涉及3種用水操作的煉油廠的水分配網絡進行了優化設計,通過水的回用,使新鮮水消耗和廢水產生量均減少了20% , 總成本降低20%。1989 年, EI -HALWAGI和MANOUSIOUTHAKI[ 3 ] 提出了質量交換網絡的概念,將水網絡中雜質的傳遞類比于質量交換網絡中雜質的傳遞。1994年,WANG和SM ITH[ 4 ]將“熱夾點”概念引入水網絡設計,提出了“水夾點”概念。L innhoff公司將改進后的水夾點技術應用于美國孟山都公司,獲得了每年節約100萬美元的效益,并因此獲得了1995年度由英國化學工程師協會授予的“杰出安全與環保獎”[ 5 ] 。2000 年, SAVELSKI和BAGAJEW ICZ[ 6 ]提出單雜質用水系統最優性的必要條件,并據此提出了單雜質用水系統的最優設計算法。目前數學規劃法和夾點技術仍然是水網絡優化設計中最常用的工具,這兩種方法都可以很好地實現水消耗和排放最小化,但是在應用上仍然存在以下兩方面的問題: ①水網絡設計過程復雜,需要專業技術人員才能完成,不利于在工業中推廣應用; ②采用夾點技術和數學規劃法設計出的用水網絡一般比較復雜,流股分支多,不便于工程實現。
基于上述背景情況,筆者開發了在Matlab平臺上運行的“水網絡集成優化系統”。該系統集成了水源- 水阱關系圖、水夾點圖和數學規劃等技術,其特點在于能夠將夾點圖和數學規劃得到的信息用來調整水源與水阱的匹配關系,減少匹配數,使設計出的用水網絡結構簡單。
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