工業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用
摘要:設(shè)計了在Matlab環(huán)境下運行的水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了水源- 水阱關(guān)系圖、水夾點圖和數(shù)學規(guī)劃等技術(shù)。介紹了該系統(tǒng)的主要功能模塊,以及各個功能模塊的相互作用。該系統(tǒng)的主要特點在于能夠利用夾點圖和數(shù)學規(guī)劃得到的信息來調(diào)整水源與水阱的匹配關(guān)系,以使優(yōu)化設(shè)計出的用水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)盡可能簡單。應(yīng)用該系統(tǒng)對兩個實例進行了設(shè)計,并與文獻報道的設(shè)計結(jié)果進行了比較,表明該系統(tǒng)在不犧牲優(yōu)化目標的條件下,能夠設(shè)計出流程結(jié)構(gòu)更簡單的用水網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵詞:水網(wǎng)絡(luò); Matlab; 優(yōu)化設(shè)計
在化學工業(yè)、石油化工、制藥、造紙、電力、冶金,以及食品等現(xiàn)代過程工業(yè)中,大量新鮮水的消耗和產(chǎn)生的廢水給企業(yè)成本、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力。從20世紀80年代開始,工業(yè)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(shù)學規(guī)劃法對涉及3種用水操作的煉油廠的水分配網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化設(shè)計,通過水的回用,使新鮮水消耗和廢水產(chǎn)生量均減少了20% , 總成本降低20%。1989 年, EI -HALWAGI和MANOUSIOUTHAKI[ 3 ] 提出了質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)的概念,將水網(wǎng)絡(luò)中雜質(zhì)的傳遞類比于質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)中雜質(zhì)的傳遞。1994年,WANG和SM ITH[ 4 ]將“熱夾點”概念引入水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,提出了“水夾點”概念。L innhoff公司將改進后的水夾點技術(shù)應(yīng)用于美國孟山都公司,獲得了每年節(jié)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(xié)會授予的“杰出安全與環(huán)保獎”[ 5 ] 。2000 年, SAVELSKI和BAGAJEW ICZ[ 6 ]提出單雜質(zhì)用水系統(tǒng)最優(yōu)性的必要條件,并據(jù)此提出了單雜質(zhì)用水系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計算法。目前數(shù)學規(guī)劃法和夾點技術(shù)仍然是水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計中最常用的工具,這兩種方法都可以很好地實現(xiàn)水消耗和排放最小化,但是在應(yīng)用上仍然存在以下兩方面的問題: ①水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程復雜,需要專業(yè)技術(shù)人員才能完成,不利于在工業(yè)中推廣應(yīng)用; ②采用夾點技術(shù)和數(shù)學規(guī)劃法設(shè)計出的用水網(wǎng)絡(luò)一般比較復雜,流股分支多,不便于工程實現(xiàn)。
基于上述背景情況,筆者開發(fā)了在Matlab平臺上運行的“水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化系統(tǒng)”。該系統(tǒng)集成了水源- 水阱關(guān)系圖、水夾點圖和數(shù)學規(guī)劃等技術(shù),其特點在于能夠?qū)A點圖和數(shù)學規(guī)劃得到的信息用來調(diào)整水源與水阱的匹配關(guān)系,減少匹配數(shù),使設(shè)計出的用水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單。
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