大型膜法反渗透海水淡化系统优化操作研究-控制工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Optimization Research of Large-Scale Reverse Osmosis Seawater Desalination System Candidate: Cheng Wen Supervisor: Professor Jiang Aipeng March, 2016 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。（必威体育官网网址论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着社会和经济的快速发展，世界范围内的淡水资源危机正在日益凸显。在作为解决该 问题最为有效的方法之一的海水淡化技术中，膜法反渗透海水淡化(Reverse Osmosis Seawater Desalination，SWRO)技术凭借其成本和工艺优势成为目前发展前景最被看好的技术。然而目 前膜法海水淡化技术在制水过程中的运行成本仍然偏高，采用过程系统工程的方法降低 SWRO 系统的运行成本成为目前研究的热点。本文在查阅大量国内外文献资料的基础上，以 海水淡化系统分析和建模为基础对其操作优化展开研究，力图从操作层面降低 SWRO 系统的运 行成本，本文取得如下研究成果： 1、分析了整个 SWRO 系统流程特点和参数变化情况，并根据质量守恒、能量守恒和扩 散-薄膜理论，采用分布式方程建立 RO 制水模块等环节的机理模型方程，并针对模型方程中 含有非线性代数-微分方程而导致的精确快速求解困难情况，提出采用有限元配置技术的联立 求解方法离散微分方程中的状态变量和控制变量、并采用内点和稀疏技术进行快速求解的策 略。然后，将本模型求解的脱盐率和产水率指标与陶氏化学的 RONA9.0 软件和现场数据结 果进行了比较，验证了本模型具有较好的准确性，为下一步的操作优化奠定了基础。 2、结合全流程 SWRO 系统特点，建立蓄水池的动态过程模型和变参数方程模型，并根 据流程特点给出了各环节的能耗费用和操作成本模型方程。在此基础上建立了以系统总体操 作费用最低为目标，以包括 RO 制水等各环节的开放式模型方程为约束，以设备安全操作和 产品水水质要求为边界的操作优化命题，并以提出的联立求解策略对某海水淡化厂的进行实 例研究，并得到了不同参数变化情况下的最优操作曲线和系统主要指标的变化曲线。计算结 果表明：本文所使用的求解策略具有较高的求解效率，采用本操作优化方法可以大幅度降低 系统运行成本。 3、考虑到大规模海水淡化系统的特点，研究了包含多个 RO 制水单元和多个蓄水单元组 成的网络结构的大规模 SWRO 系统的操作优化问题。以系统日均总操作费用最低为目标，建 立了具有网络结构的大规模 SWRO 系统优化命题，并对其进行了实例研究分析，得到了不同 参变情况下操控变量和状态变量的最佳运行轨迹。 4、 考虑到膜污染对反渗透制水过程能耗和其他性能的影响，研究了系统长期运行情况 下反渗透膜的最佳清洗和更换策略。首先分析了膜污染对产水等性能指标的影响，结合机理 方程和半经验方程建立了膜污染对膜透水率和透盐率的影响模型、以及膜清洗对膜性能的恢 复的影响关系模型，然后将膜清洗费用和更换费用加入到 SWRO 系统的操作成本目标函数中， 建立了以系统操作费用最低为目标、以膜清洗次数和清洗时间以及更换时间等为寻优变量、 以开放式方程为约束的优化命题和与之相适应的求解策略，快速有效的得到了 SWRO 系统长 I 期运行情况下的最佳的膜清洗和更换周期。 关键词：反渗透海水淡化，操作优化，全流程，网络，膜污染，IPOPT II ABSTRACT With the rapid development of society a