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基于超结构法的用水网络多性质集成研究

杨彩玲  
【摘要】:水对于地球生命有着不可替代的重要性,水资源短缺将严重威胁人类社会的可持续发展。水危机的形成不仅仅是因为水本身的资源性短缺,人类生产活动造成的水体污染也是加剧水危机的重要因素之一。目前我国防治水污染的相关法律法规正不断完善,对废水的排放要求尤其是对工业废水的排放要求越发严苛。因此,无论是从日益匮乏的资源危机层面,还是从严格的废水管理法律法规层面,都促使过程工业必须重视节水减排问题。而传统的用水网络综合仅将杂质浓度作为约束流股回用的限制因素,忽略了流股性质及功能对流股回用的影响,不足以反映实际的工业生产要求。因此,开展用水网络的性质集成研究具有重要的现实意义。本文在全面分析已有的用水网络性质集成方法的基础上,分别针对用水网络中未考虑废水再生后利用和用水网络中截断器数量多、结构复杂等问题,提出了新的集成方法。主要内容如下:(1)在考虑环境约束的直接回用用水网络性质集成的基础上,建立了在废水性质处理过程中流股依次回用至阱单元的超结构。该方法以年度总费用最小为目标,建立了同时考虑环境约束和过程流股性质约束的混合整数非线性规划(MINLP)模型。运用GAMS对文献中的两个算例进行求解,结果表明本文方法在降低年度总费用的同时还减少了新鲜水使用量及废水排放量,验证了本文方法的有效性及优越性。(2)为避免在求解过程中因流股混合而产生的大量非线性项,现有的研究方法严格限制流股不能在性质处理过程中进行混合,以降低整个过程的求解难度。但该方法将会导致用水网络中性质截断器数量多、网络结构复杂等问题。基于此,本文提出了截断器合并规则及截断器搜索/合并步骤,进一步优化初始网络结构,降低了初始网络中的截断器数量及网络结构的复杂度,并通过算例验证了该方法的有效性。(3)建立了包含性质处理流程中流股之间混合可能的用水网络超结构,在所建立的MINLP模型中同时考虑阱单元约束与环境性质约束,以年度总费用(新鲜水费用和截断器处理费用)最小为目标函数。该方法在建模之初就将截断器数目纳入考虑,严格限制同一截断器在网络结构中最多只能出现一次,可有效降低截断器数量,简化了用水网络结构。通过三个算例验证了本文方法的有效性。


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