CN104699927A - 一种具有分布式性质调级器水网络设计方法 - Google Patents

Abstract

一种具有分布式性质调级器水网络设计方法。确定目标系统的水源水阱；根据各用水设备（水阱）对水质的要求，选择关键的物理化学性质提取具有分布式性质调级器的水网络优化数据，建立具有分布式性质调级器的水网络优化模型；其中所述水网络优化模型包括目标函数、约束条件和操作变量；求解具有分布式性质调节器的水网络优化模型；结合企业实际情况，并考虑其他物理化学性质约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构；考虑其他实际约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构。本发明能够满足过程水阱的用水需求同时符合污水排放要求的用水网络，减小用水网络的新鲜水用量，达到节水减排的目的。

Description

一种具有分布式性质调级器水网络设计方法

技术领域

本发明涉及一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，属于技术领域。

背景技术

我国是一个水资源紧缺的国家，随着工业的发展，工业排放废水对环境的污染日趋严重，造成我国水资源日趋紧张，如何最大化减少新鲜水用量和降低废水排放量已成为人们关注的焦点。

在传统的水网络设计中，往往以流股中杂质浓度作为控制物料回用的限制因素。然而，废水回用问题并不是仅仅由化学组分的浓度控制（例如，油含量，硫化物，氨氮，悬浮物，氯离子，硫酸根离子，总铁，挥发酚），还取决于其他物理化学性质（温度，pH值、浊度NTU，电导率，总硬度（以CaCO₃计），总碱度（以CaCO₃计），化学耗氧量COD，等），此外，环境法规包括一些性质的限制（例如pH值、颜色、毒性、化学耗氧量COD、臭氧消耗能力等）。

CN02114597基于中间水道杂质浓度确定的方法及水网络：公开了一种基于中间水道杂质浓度确定的方法及水网络，通过在网络中设置中间水道避免了用水单元之间直接相连，简化了水网络的设计与控制，得到了具有较大弹性的网络结构。其中采取浓度的约束的方法不适用于实际的具有性质约束的生产过程，而且没有引入再生过程（即浓度调整过程）。CN200410026101.2具有两级水道的循环冷却水网络结构及设计方法：采用两级循环水道，确定温度较高的循环水道的最优温度，能够减少循环水用量，简化循环冷却水网络的设计与控制，得到具有较大弹性的网络结构。该发明针对循环冷却水系统，也仅仅在于增强网络的弹性，并不适用于通用的水网络的设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种具有分布式性质调级器水网络设计方法。

一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，包括：

步骤1)、确定目标系统的水源水阱；

步骤2)、根据各用水设备（水阱）对水质的要求，选择关键的物理化学性质；

步骤3)、提取具有分布式性质调级器的水网络设计数据，提取的数据包括：

根据用水设备（水阱）的用水要求，用水过程中每个水阱SK约束数据，包括进口流率的上界和下界限制，污染物c的浓度上界和下界约束，其他物理化学性质p的上界和下界约束;

确定用水过程中每个水源SR的出口流率污染物c的浓度和其他物理化学性质

每个新鲜水源具有一定的组分浓度和其他物理化学性质

环保法规对污水排放的组分浓度和其他物理化学性质的排放要求；

步骤4)、建立具有分布式性质调级器的水网络优化模型；其中所述水网络优化模型包括目标函数、约束条件和操作变量；

所述的水网络优化模型目标函数为最小化新鲜水流率；

步骤5)、求解具有分布式性质调节器的水网络优化模型；结合企业实际情况，并考虑其他物理化学性质约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构；

步骤6)、考虑其他实际约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构。

所述提取具有分布式性质调节器的水网络设计数，具体包括：每个水阱进口流率的上下界限制、污染物浓度上下界限制和其他物理化学性质的上下界限制数据;每个水源出口流率、污染物浓度和其他物理化学性质数据；新鲜水源组分浓度和其他物理化学性质；环保法规对污水排放的组分浓度和其他物理化学性质的排放要求。

所述建立具有分布式性质调节器的水网络优化模型，具体包括水网络优化模型的目标函数、约束条件和操作变量；

所述的水网络优化模型目标函数为最小化新鲜水流率；

所述的水网络优化模型约束条件包含每个新鲜水源出口流率平衡、每个过程水源的出口流率平衡、每个过程水阱进口流率平衡、每个水处理单元进口流率平衡、排放至环境中的污水总流率平衡以及每个过程水阱、水源、新鲜水和污水排放约束数据；

所述操作变量包括表示新鲜水源与环境、过程水阱及水处理单元之间流率和连接关系（0-1变量）；过程水源与环境、过程水阱及水处理单元之间流率和连接关系（0-1变量）；水处理单元与过程水阱、其他水处理单元及环境之间流率和连接关系（0-1变量）。

所述求解具有分布式性质调节器的水网络优化模型，具体包括利用混合整数非线性规划算法，获得初始的水网络目标值和网络结构。

所述水网络优化模型中包括浓度和其他物理化学性质的约束限制。

所获得水网络结构中水源和水阱通过分布式性质调级器相连接。

本发明的优点是，能够满足过程水阱的用水需求同时符合污水排放要求的用水网络，减小用水网络的新鲜水用量，达到节水减排的目的。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例提供的一种具有分布式性质调级器的水网络超结构图；

图2为本发明实施例提供的一种具有分布式性质调级器的水网络方法流程图；

图3为本发明实施例提供的一种新鲜水源流率平衡图；

图4为本发明实施例提供的一种过程水源流率平衡图；

图5为本发明实施例提供的一种过程水阱流率平衡图；

图6为本发明实施例提供的一种水处理单元进出口流率平衡图；

图7为本发明实施例提供的一种环境达标排放流率平衡图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，下面结合具体实施方式进行详细说明。

请参阅附图2，提供的一种基于性质的具有分布式性质调级器的水网络设计方法，所述方法包括：

步骤201：确定目标系统的水源确定水源水阱。

水源的定义：从某一个用水设备出来的水都可以进入其它设备或者水处理设备，成为供给它们水的潜在的水源。水阱的定义：每一个用水设备都有可能使用新鲜水和从其他设备来的水，成为接受它们的来水的潜在的水阱。

步骤202：根据各用水设备（水阱）对水质的要求，选择关键的物理化学性质。待初始网络生成后，应将其它次要物理化学性质作为约束，再作进一步的验证考察，以获得最终的水网络。

步骤203：分布式性质调级器水网络设计数据提取：

确定用水过程中每个水阱SK约束数据，包括进口流率的上界和下界限制，污染物c的浓度上界和下界约束，其他物理化学性质p的上界和下界约束;

确定用水过程中每个水源SR的出口流率污染物c的浓度和其他物理化学性质

每个新鲜水源具有一定的组分浓度和其他物理化学性质

环保法规对污水排放的组分浓度和其他物理化学性质的排放要求。

步骤204：建立具有分布式性质调级器的水网络优化模型；其中所述水网络优化模型包括目标函数、约束条件和操作变量。

所述的水网络优化模型目标函数为最小化新鲜水流率由公式(1)确定。

$\min Z=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}F{F}_r^{\mathrm{out}}---\left(1\right)$

式中：Z为所有新鲜水源流率之和，为第r股新鲜水源的流率；

所述的水网络优化模型约束条件包含每个新鲜水源出口流率平衡、每个过程水源的出口流率平衡、每个过程水阱进口流率平衡、每个水处理单元进口流率平衡、排放至环境中的污水总流率平衡以及每个过程水阱、水源、新鲜水和污水排放上下边界约束条件。

请参阅附图3，计算每股新鲜水源出口流率平衡，由公式(2)确定。

$F{F}_r^{\mathrm{out}}=\mathrm{FF}{E}_r+\underset{k\∈\mathrm{NSK}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFK}}_{r,k}+\underset{t\∈\mathrm{NTU}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFT}}_{r,t},\∀r\∈\mathrm{NFW}---\left(2\right)$

式中：FFE_r为第r股新鲜水源排放至环境的流率；FFK_r,k为第r股新鲜水源分配至第k个过程水阱的流率；FFT_r,t为第r股新鲜水源送往第t个处理单元的流率；

请参阅附图4，计算每股过程水源的出口流率平衡，由公式(3)。

${\mathrm{FS}}_s^{\mathrm{out}}={\mathrm{FSE}}_s+\underset{k\∈\mathrm{NSK}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FSK}}_{s,k}+\underset{t\∈\mathrm{NTU}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FST}}_{s,t},\∀s\∈\mathrm{NSR}---\left(3\right)$

式中：为第s股过程水源的流率（已知参数）；FSE_s为第s股过程水源排放至环境的流率；FSK_s,k为第s股过程水源分配至第k个过程水阱的流率；FST_s,t为第s股过程水源送往第t个处理单元的流率；

请参阅附图5，计算每个过程水阱进口流率平衡公式(4)、污染物质量平衡公式(5)和性质平衡(6)。

${\mathrm{FK}}_k^{\mathrm{in}}=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFK}}_{r,k}+\underset{s\∈\mathrm{NSR}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FSK}}_{s,k}+\underset{t\∈\mathrm{NTU}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTK}}_{t,k},\∀k\∈\mathrm{NSK}---\left(4\right)$

式中：为第k股过程水阱的进口流率；

$\begin{array}{c}{\mathrm{FK}}_k^{\mathrm{in}}\·{\mathrm{xSK}}_{k,c}^{\mathrm{in}}=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFK}}_{r,k}\·{\mathrm{xFW}}_{r,c}^{\mathrm{out}}+\underset{s\∈\mathrm{NSR}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FSK}}_{s,k}\·{\mathrm{xSR}}_{s,c}^{\mathrm{out}}\\ +\underset{t\∈\mathrm{NTU}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTK}}_{t,k}\·{\mathrm{xTU}}_{k,c}^{\mathrm{out}},\∀k\∈\mathrm{NSK},c\∈\mathrm{NCOMP}\end{array}---\left(5\right)$

式中：和分别为新鲜水源和过程水源的出口浓度。对于不同的处理单元的类型，的类型也不同。对于固定出口浓度的处理单元，为固定值；对于固定移除率的处理单元，是进口浓度的线性函数，随着进口浓度的变化而变化。

式中：为过程水阱的进口的性质算子；为第r股新鲜水源的性质算子；为第s股过程水源的性质算子；为第t股处理单元的性质算子；

请参阅附图6，计算每个水处理单元进口流率平衡公式(7)、污染物质量平衡公式(8)、进出口流率平衡(9)、进口性质平衡(10)和出口流率平衡(11)。

${\mathrm{FT}}_t^{\mathrm{in}}=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFT}}_{r,t}+\underset{s\∈\mathrm{NSR}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FST}}_{s,t}+\underset{\underset{t^{\′}\≠t}{t^{\′}\∈\mathrm{NTU}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTT}}_{t^{\′},t},\∀t\∈\mathrm{NTU}---\left(7\right)$

式中：FT_t ⁱⁿ为水处理单元t的进口流率；

$\begin{array}{c}{\mathrm{FT}}_t^{\mathrm{in}}\·{\mathrm{xTU}}_{t,c}^{\mathrm{in}}=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFT}}_{r,t}\·{\mathrm{xFW}}_{r,c}^{\mathrm{out}}+\underset{s\∈\mathrm{NSR}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FST}}_{s,t}\·{\mathrm{xSR}}_{s,c}^{\mathrm{out}}\\ +\underset{t^{\′}\∈\mathrm{NTU},t^{\′}\≠t}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTT}}_{t^{\′},t}\·{\mathrm{xTU}}_{t^{\′},c}^{\mathrm{out}},\∀t\∈\mathrm{NTU},c\∈\mathrm{NCOMP}\end{array}---\left(8\right)$ FT_t ⁱⁿ＝FT_t ^out+FT_t ^loss           (9)

式中：FT_t ^out为水处理单元t的出口流率；FT_t ^loss为水处理单元t损失的流率；

式中：为第t股水处理单元进口的性质算子；为第s股过程水源的性质算子；为第t股水处理单元出口的性质算子；

${{\mathrm{FT}}_t}^{\mathrm{out}}=\underset{k\∈\mathrm{NSK}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTK}}_{t,k}+\underset{\underset{t^{\′}\≠t}{t^{\′}\∈\mathrm{NTU}}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTT}}_{t,t^{\′}}+{\mathrm{FTE}}_t,\∀t\∈\mathrm{NTU}---\left(11\right)$

式中：FTK_t,k为水处理单元t分配至过程水阱k的流率；FTT_t',t为水处理单元t送往水处理单元t’的流率；FTE_t为水处理单元t排放至环境的流率。

请参阅附图7计算排放至环境中的污水总流率平衡公式(12)，排放至环境的总污染物负荷公式(13)和性质平衡(14)。

${\mathrm{FE}}^{\mathrm{in}}=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFE}}_r+\underset{s\∈\mathrm{NSR}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FSE}}_r+\underset{t\∈\mathrm{NTU}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTE}}_t---\left(12\right)$

式中：FEⁱⁿ为排放至环境中总流率；

$\begin{array}{c}{\mathrm{FE}}^{\mathrm{in}}\·{\mathrm{xE}}_c^{\mathrm{in}}=\underset{r\∈\mathrm{NFW}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FFE}}_r\·{\mathrm{xFW}}_{r,c}^{\mathrm{out}}+\underset{s\∈\mathrm{NSR}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FSE}}_r\·{\mathrm{xSR}}_{s,c}^{\mathrm{out}}\\ +\underset{t\∈\mathrm{NTU}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FTE}}_t\·{\mathrm{xTU}}_{t,c}^{\mathrm{out}},\∀c\∈\mathrm{NCOMP}\end{array}---\left(13\right)$

式中：为排放至环境的性质算子；

所述每个新鲜水、过程水源、过程水阱、水处理单元和污水排放各流率约束条件由公式(15)-公式(23)：

${\mathrm{FFE}}_r^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFFE}}_r\≤{\mathrm{FFE}}_r\≤{\mathrm{FFE}}_r^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFFE}}_r---\left(15\right)$

${\mathrm{FFK}}_{r,k}^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFFK}}_{r,k}\≤{\mathrm{FFK}}_{r,k}\≤{\mathrm{FFK}}_{r,k}^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFFK}}_{r,k}---\left(16\right)$

${\mathrm{FFT}}_{r,t}^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFFT}}_{r,t}\≤{\mathrm{FFT}}_{r,t}\≤{\mathrm{FFT}}_{r,t}^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFFT}}_{r,t}---\left(17\right)$

${\mathrm{FSE}}_s^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFSE}}_s\≤{\mathrm{FSE}}_s\≤{\mathrm{FSE}}_s^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFSE}}_s---\left(18\right)$

${\mathrm{FSK}}_{s,k}^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFSK}}_{s,k}\≤{\mathrm{FSK}}_{s,k}\≤{\mathrm{FSK}}_{s,k}^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFSK}}_{s,k}---\left(19\right)$

${\mathrm{FST}}_{s,t}^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFST}}_{s,t}\≤{\mathrm{FST}}_{s,t}\≤{\mathrm{FST}}_{s,t}^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFST}}_{s,t}---\left(20\right)$

${\mathrm{FTK}}_{t,k}^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFTK}}_{t,k}\≤{\mathrm{FTK}}_{t,k}\≤{\mathrm{FTK}}_{t,k}^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFTK}}_{t,k}---\left(21\right)$

${\mathrm{FTT}}_{t^{\′},t}^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFTT}}_{t^{\′},t}\≤{\mathrm{FTT}}_{t^{\′},t}\≤{\mathrm{FTT}}_{t^{\′},t}^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFTT}}_{t^{\′},t}---\left(22\right)$

${\mathrm{FTE}}_t^{\mathrm{LB}}\·{\mathrm{yFTE}}_t\≤{\mathrm{FTE}}_t\≤{\mathrm{FTE}}_t^{\mathrm{UB}}\·{\mathrm{yFTE}}_t---\left(23\right)$

其中，yFTK_t,k，yFTT_t',t，yFTE_t为0-1变量，表示水处理单元与过程水阱，其他水处理单元及环境之间连接关系的变量；yFSE_s，yFSK_s,k，yFST_s,t为0-1变量，表示过程水源与环境，过程水阱及水处理单元之间连接关系的变量；其中，yFFE_r，yFFK_r,k，yFFT_r,t为0-1变量，表示新鲜水源与环境，过程水阱及水处理单元之间连接关系的变量。若连接变量为0，表示没有连接，该流率变量为零；若连接变量为1，则表明没有连接，流率满足上下界约束。

所述过程水阱进口污染物浓度约束公式(24)和进口性质约束公式(25)

${\mathrm{xSK}}_{k,c}^{\mathrm{in},\mathrm{LB}}\≤{\mathrm{xSK}}_{k,c}^{\mathrm{in}}\≤{\mathrm{xSK}}_{k,c}^{\mathrm{in},\mathrm{UB}}---\left(24\right)$

所述排放至环境的污染物浓度公式(26)，总质量负荷公式(27)和总性质负荷(28)，

${\mathrm{xE}}_c^{\mathrm{in}}\≤{\mathrm{xE}}_c^{\mathrm{in},\max },\∀c\∈\mathrm{NCOMP}---\left(26\right)$

${\mathrm{FE}}^{\mathrm{in}}\·{\mathrm{xE}}_c^{\mathrm{in}}\≤{\mathrm{ML}}_c^{\max },\∀c\∈\mathrm{NCOMP}---\left(27\right)$

步骤205：调用混合整数非线性优化算法对优化模型进行求解，获得初始的水网络目标值和网络结构。

步骤206：结合企业实际情况，并考虑其他实际约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构。

通过上述的详细说明，本发明可以提供一种具有分布式性质调级器水网络，能够满足过程水阱的用水需求同时符合污水排放要求的用水网络，减小用水网络的新鲜水用量，达到节水减排的目的。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，其特征在于，包括：

步骤1)、确定目标系统的水源水阱；

步骤2)、根据各用水设备（水阱）对水质的要求，选择关键的物理化学性质；

步骤3)、提取具有分布式性质调级器的水网络优化数据，提取的数据包括：

根据用水设备（水阱）的用水要求，用水过程中每个水阱SK约束数据，包括进口流率的上界和下界限制，污染物c的浓度上界和下界约束，其他物理化学性质p的上界和下界约束;

确定用水过程中每个水源SR的出口流率污染物c的浓度和其他物理化学性质

每个新鲜水源具有一定的组分浓度和其他物理化学性质

环保法规对污水排放的组分浓度和其他物理化学性质的排放要求；

步骤4)、建立具有分布式性质调级器的水网络优化模型；其中所述水网络优化模型包括目标函数、约束条件和操作变量；

所述的水网络优化模型目标函数为最小化新鲜水流率；

步骤5)、求解具有分布式性质调节器的水网络优化模型；结合企业实际情况，并考虑其他物理化学性质约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构；

步骤6)、考虑其他实际约束，对初始的水网络进行调整，以获得最终的水网络结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，其特征在于，所述提取具有分布式性质调节器的水网络设计数，具体包括：每个水阱进口流率的上下界限制、污染物浓度上下界限制和其他物理化学性质的上下界限制数据;每个水源出口流率、污染物浓度和其他物理化学性质数据；新鲜水源组分浓度和其他物理化学性质；环保法规对污水排放的组分浓度和其他物理化学性质的排放要求。

3.根据权利要求1所述的一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，其特征在于，所述建立具有分布式性质调节器的水网络优化模型，具体包括水网络优化模型的目标函数、约束条件和操作变量；

所述的水网络优化模型目标函数为最小化新鲜水流率；

所述的水网络优化模型约束条件包含每个新鲜水源出口流率平衡、每个过程水源的出口流率平衡、每个过程水阱进口流率平衡、每个水处理单元进口流率平衡、排放至环境中的污水总流率平衡以及每个过程水阱、水源、新鲜水和污水排放约束数据；

所述操作变量包括表示新鲜水源与环境、过程水阱及水处理单元之间流率和链接关系（0-1变量）；过程水源与环境、过程水阱及水处理单元之间流率和连接关系（0-1变量）；水处理单元与过程水阱、其他水处理单元及环境之间流率和连接关系（0-1变量）。

4.根据权利要求1所述的一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，其特征在于，所述求解具有分布式性质调节器的水网络优化模型，具体包括利用混合整数非线性规划算法，获得初始的水网络目标值和网络结构。

5.根据权利要求1或3所述的一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，其特征在于，所述水网络优化模型中包括浓度和其他物理化学性质的约束限制。

6.根据权利要求1所述的一种具有分布式性质调级器水网络设计方法，其特征在于，所获得水网络结构中水源和水阱通过分布式性质调级器相连接。