CN103547360B - 最大程度降低反渗透单元运行时的能耗的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于估计RO单元中的RO系的最优单独产物水流率的方法。RO单元包括多个RO系。方法包括提供反渗透单元的期望整体产物水流率，然后获得多个RO系中的各个RO系的一个或多个动态特性。然后方法包括使用一个或多个动态特性来估计各个RO系的最小能耗率值；以及后续获得各个RO系的最优单独产物水流率。最优单独产物水流率基于RO系的对应的最小能耗率值，其中，各个RO系的最优单独产物水流率的总和产生期望整体产物水流率。给出了使用所描述的方法的工具(42)，然后该工具可结合到RO系统中。

Description

最大程度降低反渗透单元运行时的能耗的方法和系统

技术领域

本发明大体涉及用于基于最小化能耗率(SEC)来对单独反渗透系分配反渗透单元产物水流率的方法和系统。

背景技术

反渗透(RO)是在工业上用来净化水和其它液体的普通技术，其中，进料液体包括作为杂质的溶质。反渗透包括使用至少一个隔膜，典型地使用一系列隔膜，并且进一步使用多组一系列隔膜来留住溶质，以使液体纯净。各系列隔膜在本领域中一般被称为“RO压力容器”，而多个压力容器联合单元则被称为“RO系”。在诸如RO单元的典型液体净化设施中，若干个RO系并联地连接，它们一般同时运行，以从所有RO系中获得净化液体。水在压力下被迫通过一系列隔膜，以克服渗透压力。在各种行业中使用反渗透，诸如脱盐、废水处理和化学品制造。

在典型的RO装置中，在隔膜的进料侧上施加高压，以克服进料液体的渗透压力，以及使溶剂从进料侧传输到渗透侧，并且允许溶质在RO系中的隔膜表面附近积聚。进料液体的一部分还被排出，它们通常被称为废液流或废料流。RO装置的常见构件包括沿着进料管线提供进料液体的进料源、用以将进料液体推向RO系的供应泵、用以提供克服渗透压力所必需的压力的高压泵、用以从废液流中回收能量的能量回收装置，以及用以将此能量供应回进料管线中的增压泵。

由于RO系的运行，在隔膜表面附近的溶质的浓度在一段时间里逐渐提高，这也被称为结垢，结垢会不利地影响RO系的性能。结垢速率受到多个因素的影响，诸如进料浓度的变化、温度、压力等，而且装置操作者难以确定改变RO系中的结垢速率的根源。另外，特定的RO系中的结垢速率将不同于不同的RO系中的结垢速率，因为在不同的RO系处的因素可能不同。这些因素包括运行状况、隔膜清洗的时间和持续时间，以及更换的隔膜的百分比。结垢速率直接关系到RO装置的成品回收。

可进行RO系的清洗以移除现有的结垢，但将RO系保持为RO系性能最高的结垢水平是不可行的。非常典型的是将RO系的性能以及因此将整个RO装置保持为最优水平而非最高水平，以及计划仅在某些固定时间安排里清洗RO系。在一些情形中，仅在进料和废液之间的压降超过某个阈值时进行结垢的RO系的清洗。

克服产物回收由于RO系中的结垢而减少的一种普遍方法是提高进料压力，或增压器压力，或它们两者。显然，随着结垢程度随时间提高，迫使液体通过隔膜所需的压力量也提高。这导致RO系的运行中的能耗更大，能耗更大使得RO装置的能耗在整体上增加。在这样的情形中，一些RO系可经受比它们的运行需要的更高的压力，这可导致隔膜受损。因而，在标准使用案例情景中，当RO系结垢(这对其产物回收有显著影响)，而同时结垢不足以批准进行清洗和维护程序，不存在可用于优化各个RO系的能耗以便使得能够在更高效地运行的同时仍然在整体上保持RO装置的总输出的方法。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于估计RO单元中的RO系的最优单独产物水流率的方法。RO单元包括多个RO系。方法包括提供反渗透单元的期望整体产物水流率，然后获得多个RO系中的各个RO系的一个或多个动态特性。各个RO系的动态特性包括与RO系的运行有关的各种普遍参数，诸如(但不限于)高压泵的压力、增压泵的压力、进料液体流率、通往增压泵的进料流率、结垢程度、结垢速率、RO系的温度等，以及它们的组合。然后方法包括使用一个或多个动态特性来估计各个RO系的最小能耗率值；以及后续获得各个RO系的最优单独产物水流率。基于所有RO系的对应的最小能耗率值来获得最优单独产物水流率，其中，各个RO系的最优单独产物水流率的总和产生期望整体产物水流率。

另一方面，本发明提供一种RO系统，包括：用于接收用以产生产物水的整体输入水的多个RO系，其中，产物水流率的特征在于期望整体产物水流率，以及其中，多个RO系的各个RO系联接到下者上：输入水的输入源；高压泵，其用于提高输入水的输入压力，以产生加压输入水流；产物出口；以及废料出口，其中，各个RO系产生通入产物出口中的最优产物水流率，以及通入废料出口中的废液流；以及计算各个RO系的最优单独产物水流率的优化器模块，其中，最优单独产物水流率基于所有系的对应的最小能耗率值，以及其中，各个RO系的最优单独产物水流率的总和产生期望整体产物水流率，优化器模块进一步基于最优单独产物水流率来产生各个RO系的一个或多个设定点。

又一方面，本发明提供一种使用本发明的方法的工具。

另一方面，本发明提供一种包括本发明的工具的系统。

另一方面，本发明提供一种包括本发明的系统的单元。

附图说明

当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中，相同符号在图中表示相同部件，其中：

图1是包括在本发明的方法中的示例性步骤的流程图；

图2显示本发明的呈一类构造的系统的框图；

图3显示本发明的呈另一类构造的系统的框图；

图4显示不同的废液水压力和增压泵流量对单独产物水流率的影响；

图5显示不同的废液水压力和增压泵流量对能耗率的影响；

图6显示对于在示例中考虑到的3个RO系的给定组数据点在能耗率和单独产物水流率之间的帕累托最优组；

图7显示包括3个RO系的RO单元在当前现状情景中运行的比较示例；以及

图8显示运行RO单元的示例性情形，其中，使用本发明的方法来估计单独产物水流率。

具体实施方式

如本文和权利要求中所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个对象，除非上下文中另有明确的说明。

如本文所用，反渗透(RO)表示过滤过程，其包括在压力下迫使液体通过一个或多个隔膜，其中，隔膜设计成在允许仅液体流过的同时留住溶质。诸如纳米过滤或微滤或超滤方法的其它过滤技术也涉及类似的原理，以及因此本文描述的方法和系统(虽然相对于反渗透来描述)也适合这些情形。

如在本文中注意到的那样，一方面，本发明提供一种用于估计RO单元中的RO系的最优单独产物水流率的方法。如本文所用，短语“RO装置”也具有包含短语“RO单元”的意义，并且反之亦然。图1在流程图中显示本发明的方法10的示例性步骤。方法包括对反渗透单元12提供期望整体产物水流率。期望整体产物水流率直接反应单元的生产率。按本领域普通技术人员已知的标准单位的形式来测量期望整体产物水流率，并且它可包括例如升/单位时间、千克/单位时间、公升/单位时间、吨/单位时间等。整体产物水流率分配在RO单元中的RO系之中。因此各个RO系都具有预计作为其输出的单独产物流率。在标准RO单元中，期望整体产物水流率通常均等地分配在所有RO系中。但是，如已经注意的那样，各个RO系可在给定的时间点处于不同的结垢阶段。因此，均等地分配期望整体产物水流率是效率非常低下的且消耗能量的分配方法。

然后方法包括获得多个RO系中的各个RO系的一个或多个动态特性，如图1中的标号14描绘的那样。各个RO系的动态特性包括与RO系的运行有关的各种普遍参数，诸如(但不限于)高压泵的压力、增压泵的压力、进料液体流率、通往增压泵的液体进料流率、结垢程度、结垢速率、RO系的温度等，以及它们的组合。可通过使用诸如压力传感器和温度计的小器具的一些测量技术来获得这些动态特性中的一些。可根据诸如适用于RO系的数学模型的估计技术来获得其它动态特性。在使用数学模型的情况下，某类历史数据对于估计预测值可为必要的，诸如结垢速率。这样的模型在本领域中是已知的，并且在例如WO2009/104035及其中的参考文献中有描述。

然后方法包括使用一个或多个动态特性来估计各个RO系的最小能耗率值，这在图1中显示为标号16。在RO系中，以及总体上在RO单元中，本领域技术人员可不费力地确认能耗构件。本发明的方法包括估计各个RO系的能耗率，作为前述确认的构件所消耗的能量的组合，在一些情况下，它可为构件产生每单位体积的产物水所消耗的能量总和。后续，本发明的方法包括估计所有RO系的最小能耗率值。通过在诸如对于产物浓度、回收等的限制的约束下使用能耗率和一个或多个动态特性系之间的帕累托最优组来实现这一点可。在一些实施例中，优化函数可为多项式函数。优化函数包括诸如某些动态特性(诸如例如增压泵压力、进料流率等)的最小和最大边界的约束。优化函数设计成使用合适的数学方法(诸如多目标优化技术)来最大程度地降低能耗率，同时最大程度地提高单独产物输出量。可针对各个RO系推导出多项式函数。这个估计和推导对于RO单元中的所有RO系重复。

对于上面的多项式模型等式，在下面用公式表示RO系之间的最优负载分配的优化问题

受约束于：

；

其中，

表示单独产物水流率，而要求流量则表示期望整体产物水流率。对于本发明的方法，这个步骤由图1中的标号18表示。

后续，使用图1中的标号20表示的方法，基于得自步骤18的最优单独产物水流率，来对各个RO系的运行产生一个或多个设定点。一个或多个设定点包括RO系的运行需要的那些，包括增压泵流率、废液流压力、高压泵速度、供应泵速度等，以及它们的组合。使用下面给出的优化问题来计算各个RO系的这些设定点

受约束于：

产物浓度≤上限；

浓度极化或回收量≤上限(为了改进隔膜寿命)；

隔膜进料压力≤上限；

产物流率=最优产物流量(得自标号18)；

下限≤运行设定点s≤上限。

在另一个实施例中，本文描述的优化问题可用公式表示成单个优化问题，如下面给出的那样

受约束于：

本发明的方法可用作离线应用，其中，使用必要的计算必要条件来单独解决优化问题，然后将解应用于RO单元的运行。备选地，本发明的方法也可有利地用作在线应用，其中，解决优化问题所需的计算装备也连接到RO单元上。在另一个实施例中，本发明的方法还包括监测各个RO系的动态特性，以及估计所有系的最小能耗率，以及因此，如有必要，动态地调节一个或多个设定点，以确保使运行过程期间的能耗最大程度地降低。本领域技术人员将认可，使用本发明的方法来运行RO单元将使能耗得到优化，因而相当地节约成本，同时保持产物水的生产率和品质。

如本文提到的那样，另一方面，本发明提供一种用来净化输入水的RO系统。图2显示本发明的构造成一类运行的RO系统22的示意图。图3显示本发明的构造成另一类运行的RO系统22的示意图，其中，多个RO单元包括在本发明的系统内。为了易于说明，关于作为本发明的系统的一部分的单个RO单元来给出以下描述，但是，也可将这个说明容易地扩展到图3。其它构造也是可行的，并且构想其它构造在本发明的范围内。

输入水可来自任何输入源24，诸如海水、微咸水、地下水、来自处理单元的废水等。RO系统包括单个或多个RO系30，其用于进行净化，以产生产物水，其中，产物水流率的特征在于期望整体产物水流率。输入源联接到供应泵26和高压泵28上，高压泵28用于提高输入水的输入压力，以产生加压输入水流。然后加压输入水流馈送到单个或一组RO系30中，然后RO系30连接到产物出口32和废料出口34。

进一步，RO系统22包括增压泵36、用以控制废液流的流量的控制阀38、用以从废液流回收能量的能量回收装置40。这些构件对本领域普通技术人员是众所周知的，并且可从多种商业源获得。进一步，与RO系统相关联的其它构件可变得对本领域技术人员显而易见，并且构想到该其它构件包含在本发明的范围内。这样的额外构件可包括例如用于压力、温度、流率等的传感器，传感器可置于沿着流管线的战略位置处，以获得RO系统中的各种参数的实时信息。

各个RO系使用本发明的方法基于优化器模块42的功能来产生通入产物出口中的最优产物水流率，优化器模块42使用RO系的一个或多个动态特性，来估计所有RO系的最小能耗率值。后续，还使用优化器模块42，基于对应的最小能耗率值，来计算各个RO系的最优单独产物水流率。将理解的是，各个RO系的最优单独产物水流率的总和产生期望整体产物水流率。

还使用优化器模块42，基于最优单独产物水流率，来产生各个RO系的一个或多个设定点。在图2中显示了优化器模块42连接到其中显示的所有构件上。优化器模块成接收关于一个或多个动态特性的输入，以及然后用来估计最小能耗率，然后估计一个或多个设定点。优化器模块可连接到任何额外构件(诸如传感器)上，以获得运行的实时输入。

本领域技术人员将理解，优化器模块不必连接到所有构件上，或者在一些情形中，不必连接到任何构件上。在后一种情况下，手动地输入或通过其它手段来估计动态特性，并且然后在模型中使用动态特性来获得单独产物水流率。

可使优化器模块作为呈分布式控制系统(DCS)的形式的硬件上的软件或与具有基于控制系统或其它微处理器的嵌入式系统一起工作的独立软件。可使优化器模块作为专用硬件，或者可将其作为软件工具而安装在现有的可编程系统上，诸如具有充分的计算容量的计算机。因而，又一方面，本发明提供一种本发明的方法的工具。

另一方面，本发明提供一种包括本文描述的本发明的RO系统的RO单元。

示例：

在一个示例中，使用两个动态特性——废水压力和增压泵流率，针对RO单元(包括成组的3个RO系)中的给定的期望整体产物水流率来优化生产率。图4显示不同的废水压力和增压泵流量对单独产物水流率的影响。对于RO单元的运行，本领域普通技术人员将认识到，最大程度地提高单独产物水量是有利的。

图5显示不同的废水压力和增压泵流量对能耗率(在图5中简写为SEC)的影响。再一次，本领域普通技术人员将理解，最大程度地提高单独RO系产物水流率可提高三个RO系的联合能耗率。

图6显示对于在示例中考虑到的3个RO系的给定组数据点在能耗率和单独产物水流率之间的帕累托最优组，其中，上面的线是关于较旧且使用更多的RO系，下面的线是关于较新且使用更少RO系，而中间的线则介于两个RO系之间的中间。较旧的RO系的能耗率大于其它RO系，这在图表中有所反映。

图7显示运行RO单元(包括当前现状情景中的3个RO系)的比较示例，其中，给出所有三个系的最小能耗率未得到优化的情况下来自各个RO系的单独产物水流率。即，具有较新的隔膜的RO系加载到其满容量，具有较旧的隔膜的RO系加载到较少容量，而具有中等隔膜的RO系则加载到介于旧隔膜系容量和新隔膜系容量之间。这里，LB表示产物流率的边界下限值，UB表示产物流率的边界上限值。Qp_1、Qp_2和Qp_3分别表示来自RO系1、RO系2和RO系3的产物水流率。可以看出，能耗率相当高。

恰好相反，图8显示运行RO单元的示例性情形，其中，使用本发明的方法来估计单独产物水流率。可以看出，图中的SEC_Opt表示的能耗率的幅度显著地低于图7中的现状情景的对应的值的幅度。

虽然仅在本文示出和描述本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解的是，所附权利要求意于覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (14)

1.一种用于估计反渗透单元中的反渗透(RO)系的最优单独产物水流率的方法，所述反渗透单元具有多个RO系，其中，来自所述多个RO系的各个RO系具有与对应的RO系相关联的不同的结垢速率，所述方法包括：

提供所述反渗透单元的期望整体产物水流率；

获得所述多个RO系中的各个RO系的一个或多个动态特性，其中，所述一个或多个动态特性包括与来自所述多个RO系的各个RO系的运行有关的参数，包括RO系的结垢速率；

使用关于与对应的RO系相关联的所述一个或多个动态特性的单个优化问题和帕累托最优组来估计各个RO系的最小能耗率值，其中，所述单个优化问题是RO系的成本函数之和的最小值，对应的RO系的各个成本函数基于与所述对应的RO系相关联的所述一个或多个动态特性；

获得各个RO系的最优单独产物水流率，其中，所述最优单独产物水流率基于所述RO系的对应的最小能耗率值，以及

基于所述最优单独产物水流率来产生各个RO系的一个或多个设定点；

其中，各个RO系的最优单独产物水流率的总和产生所述期望整体产物水流率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个设定点包括增压泵流率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个设定点包括废液流压力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个设定点用来动态地调节通往所述RO系中的各个的输入水进料中的各个的流率或输入压力中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在运行中，使用所述一个或多个设定点会在所述RO单元中获得优化能耗。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述RO单元的模型中获得各个RO隔膜的一个或多个动态特性。

7.一种使用权利要求1所述的方法的工具。

8.一种包括权利要求7所述的工具的系统。

9.一种包括权利要求8所述的系统的单元。

10.一种反渗透(RO)系统，包括：

多个RO系，其用于接收整体输入水，以产生产物水，其中，所述产物水的特征在于期望整体产物水流率，以及其中，所述多个RO系中的各个RO系联接到下者上：

输入水的输入源，

高压泵，其用于提高所述输入水的输入压力，以产生加压输入水流，

产物出口，以及

废料出口，

其中，各个RO系产生通入所述产物出口中的最优产物水流率，以及通入所述废料出口中的废液流；以及

优化器模块，其用于使用所述RO系的一个或多个动态特性来估计各个RO系的最小能耗率值，以及计算各个RO系的最优单独产物水流率，其中，所述最优单独产物水流率基于对应的最小能耗率值，以及其中，各个RO系的最优单独产物水流率的总和产生所述期望整体产物水流率，所述优化器模块进一步基于所述最优单独产物水流率来产生各个RO系的一个或多个设定点。

11.根据权利要求10所述的RO系统，其特征在于，进一步包括增压泵，所述增压泵用以进一步对所述废液流提供增压，以使所述废液流流向所述加压输入水流，以及其中，所述一个或多个设定点包括增压泵流率。

12.根据权利要求10所述的RO系统，其特征在于，进一步包括废液压力阀，所述废液压力阀用以调节所述废液流的废液压力，以使所述废液流流到上游，以及其中，所述一个或多个设定点包括废液流压力。

13.根据权利要求10所述的RO系统，其特征在于，所述一个或多个设定点用来动态地调节所述高压泵处的流率或输入压力。

14.根据权利要求10所述的RO系统，其特征在于，从所述RO单元的模型中获得所述RO系中的各个的一个或多个动态特性。