試析水分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與改造方法研究

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1、大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文水分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與改造方法研究姓名：李保紅申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：化學(xué)工程指導(dǎo)教師：姚平經(jīng)2001.1.1摘要{f淡水資源短缺己成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，21世紀(jì)人類將為水而戰(zhàn)的觀點(diǎn)也為愈來(lái)愈爹的人所認(rèn)同。面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，如何在不影響人們生活水平提高的前提下，最大限度的降低淡水的使用量是人們迫切需要解決的問(wèn)題。對(duì)于過(guò)程工業(yè)來(lái)講．需要做兩方面的工作來(lái)降低新鮮水的使用量，一方面通過(guò)不斷的改進(jìn)工藝，降低過(guò)程本身列水的需求．如水冷卻器改為空氣冷卻器、水洗改為干洗等；另一方面就是要通過(guò)水

2、的再用、或循環(huán)再用、或再生再用以及再生循環(huán)等手段來(lái)最大限度地提高水的重復(fù)利用率。顯然，這兩個(gè)方面的工作對(duì)于節(jié)約廚爾都很重要，但在實(shí)際工作中，往往優(yōu)先做好第一方面的工作。在這種背景下，'，本論文從技術(shù)的角度，對(duì)過(guò)程工業(yè)中水分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與改造方法進(jìn)行了研究。在論文的第一部分，研究的是設(shè)計(jì)型問(wèn)題。首先將水分配網(wǎng)絡(luò)分解為用水網(wǎng)絡(luò)與廢水處理網(wǎng)絡(luò)．分別進(jìn)行研究．列于用水網(wǎng)絡(luò)．在補(bǔ)充與系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)性必要條件的基礎(chǔ)上．對(duì)基于多雜質(zhì)最優(yōu)性必要條件的設(shè)計(jì)算法進(jìn)行了大膽嘗試。對(duì)于廢水處理網(wǎng)絡(luò)，根椐對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的理解．

3、提出了一種新的設(shè)計(jì)方法．算例驗(yàn)證表明，新方法能夠克服現(xiàn)有方法的不足，容易地找到更好的解。然后，對(duì)水分配網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究．提出了新的問(wèn)題分解策略。在論文的第二部分，硎究的是改造型問(wèn)題。將質(zhì)量集成的思想應(yīng)用到水分配網(wǎng)絡(luò)改造問(wèn)題的求解卜提出了一種復(fù)合式改造方法，，上述內(nèi)容的重要思想有以下幾點(diǎn)：tl針對(duì)廢水處理網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法。這種方法的主要思想是，首先通過(guò)保證每一次移去雜質(zhì)時(shí)的單位費(fèi)用是最低的，得到?jīng)]有流股混臺(tái)的仞始分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：然后依據(jù)四個(gè)規(guī)則對(duì)其作進(jìn)一步的調(diào)優(yōu)，．當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4、的目標(biāo)是最小化總處理量[『寸，調(diào)優(yōu)的目的是減少處理過(guò)程的數(shù)目：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)

5、殳計(jì)的目標(biāo)是最小化總費(fèi)用時(shí)，也就是說(shuō)，可用處理過(guò)程的費(fèi)用函數(shù)(形式為AQ8+BQ，解釋見(jiàn)第2點(diǎn)中的規(guī)則2)給定，調(diào)優(yōu)的目標(biāo)不僅是減少處理過(guò)程的數(shù)目，而且還要使總費(fèi)用進(jìn)一步降低。對(duì)于多雜質(zhì)系統(tǒng)．提出先僅考慮一種雜質(zhì)設(shè)計(jì)出其沒(méi)有流股混合的初始分布式網(wǎng)絡(luò)，接著以流股為單位通過(guò)臺(tái)并得到考慮了多個(gè)雜質(zhì)的沒(méi)有流股混合的初始分布式網(wǎng)絡(luò)．最后再依據(jù)規(guī)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)優(yōu)的思想．提出并證明了用于指導(dǎo)分布式廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與調(diào)優(yōu)的四個(gè)規(guī)。個(gè)規(guī)則指出，若兩

6、個(gè)廢水流股分別接受相同處理過(guò)程的處理之后，大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文必須進(jìn)行混合，則將這兩個(gè)流股混合后再接受同一處理過(guò)程的處理，其效果足相同的：第二個(gè)規(guī)則指出，如果處理過(guò)程的費(fèi)用可以表述成AQ“+BQ的形式(式中A、B為常數(shù)，Q是被處理的流量，AQ“表示設(shè)備費(fèi)．BQ表示操作費(fèi))．則應(yīng)根據(jù)指數(shù)a取值范圍的不同來(lái)決定是采用分布式處理還是集中式處理：第三個(gè)規(guī)則給出了有助于人們從宏觀上把握川題的重要概念一處理級(jí)數(shù)：箱四個(gè)覘則指出，如果某一廢水流股傲次接受兩個(gè)不同的處理過(guò)程的處理且各處理過(guò)程的性能指標(biāo)均為雜質(zhì)

7、移出率，則這兩種處理過(guò)程的先后次序不影響處理效果。3．由于人們認(rèn)識(shí)到用水網(wǎng)絡(luò)與廢水處理網(wǎng)絡(luò)之間存在相互作用，便試圖對(duì)它們進(jìn)行同時(shí)設(shè)計(jì)。目前做法是，先建立包含各種因素的超結(jié)構(gòu)．然后采用數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法進(jìn)行求解。但由于問(wèn)題的復(fù)雜性以及MINLP

8、生質(zhì)，這種方法不能保證所得解的最優(yōu)性。針對(duì)這種情況，我們提出了一種基于概念的設(shè)計(jì)方法，這種方法先確定目標(biāo)新鮮水用量，而后將水分配網(wǎng)絡(luò)分解為用水網(wǎng)絡(luò)、廢水處理網(wǎng)絡(luò)和再生循環(huán)系統(tǒng)三個(gè)部分，再對(duì)這三個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)(其中廢水處理網(wǎng)絡(luò)采用本論文提出的新方法)．最后對(duì)網(wǎng)

9、絡(luò)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的調(diào)優(yōu)或松弛。文獻(xiàn)算例驗(yàn)證表明，新的求解策略易于實(shí)現(xiàn)，并且十分有效，，1．借鑒質(zhì)量集成的思想．針對(duì)單雜質(zhì)水分配網(wǎng)絡(luò)改造問(wèn)題．提出了一種復(fù)合式改造方法。開(kāi)發(fā)這種方法的主要目的是，避開(kāi)對(duì)工藝過(guò)程直接采用復(fù)雜的MINLP方法，而是依據(jù)定性知識(shí)使需要優(yōu)化求解的問(wèn)題規(guī)模降至最小，并且將MINLP問(wèn)題簡(jiǎn)化為NLP問(wèn)題，使人們通過(guò)簡(jiǎn)單的分析、計(jì)算迅速地找到近似最優(yōu)解。該方法在著眼于全局依據(jù)定性知識(shí)確定廢水最小化的目標(biāo)以及合適的循環(huán)結(jié)構(gòu)之后，利用路徑圖(pathdiagram)確定過(guò)程廢水排放的適宜

10、位置，再基于定性分析確定污染物組成調(diào)整的方案，最后對(duì)已定的流程結(jié)構(gòu)方案用GAMS軟件包進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化，確定出各參數(shù)的最優(yōu)值。運(yùn)用所提方法對(duì)一文獻(xiàn)算例進(jìn)行了求解．得到了更優(yōu)的結(jié)果?！?7、／。、，v、／√、／、，v、，?關(guān)鍵詞：水分配向絡(luò)，用水商絡(luò)，廢水處理網(wǎng)絡(luò)，分布式處理／集中式處理質(zhì)量巢成饋針廢7jq最小化改造GAMS，”、／＼／，壘旦蘭!墾壘墾!ABSTRACTTheshortageoffreshwatercausesmoreandmorepeople’sattentionThe