CN110143635A - 一种多级闪蒸海水淡化系统的优化运行方法及装置 - Google Patents

一种多级闪蒸海水淡化系统的优化运行方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级闪蒸海水淡化系统的优化运行方法及装置，本发明由工程师通过人机交互模块设定系统的结构参数和运行优化周期后，可根据采集到的进料海水温度、含盐浓度等参数进行优化计算，寻找出当前条件下系统运行成本最低所对应的操作变量值，包括加热蒸汽的温度、流量、循环盐水流量、热排放海水流量，并以设定值的形式发给PID控制模块，并通过该模块将相应参数控制到设定值。该装置在下一个运行优化周期，重复数据采集、优化计算和PID控制等过程，不断地优化系统运行，实现系统的实时优化运行。本发明既能保证产水量满足设定要求，同时又能使多级闪蒸海水淡化系统的运行成本最低。

Description

一种多级闪蒸海水淡化系统的优化运行方法及装置
技术领域
本发明属于水、废水或污水处理领域，主要是一种多级闪蒸海水淡化系统的优化运行装置。
背景技术
海水淡化技术是缓解淡水资源缺乏的最为有效的方法之一。该技术种类繁多，最主要的有：多级闪蒸法和反渗透法。多级闪蒸海水淡化凭借其设备单机容量大、出水质量好等优点受到广泛应用。
多级闪蒸海水淡化系统经典结构流程如图1所示。原海水首先进入热排放段，自身被预热的同时冷凝闪蒸室中产生的蒸汽。进料海水经过热排放段的预热后，被分流为两部分，一部分返回大海，一部分与循环盐水混合在一起，然后被泵入热回收段的末端，当它从右到左流过一系列的热交换器时，自身被逐渐加热，同时闪蒸室中闪蒸出来的蒸汽得到冷凝。最后，海水从热回收段的第一级闪蒸室内的换热器内出来，流入盐水加热器被进一步加热，并以热盐水的形式流入第一级闪蒸室。由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸气压，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分气化，所产生的蒸汽遇到冷凝管，被冷凝后滴入淡水托盘。如此重复，直到最后一级，浓盐水被排放，淡水被抽出。
多级闪蒸海水淡化系统，受进料海水温度和其他运行参数影响大，运行成本高。在实际运行过程中一般采用固定的操作模式，很少根据运行参数特点动态地控制循环盐水流量、热排放海水流量和加热蒸汽流量，导致运行费用高居不下，影响多级闪蒸海水淡化系统的进一步推广。采用本发明的优化运行装置，可以根据系统的运行环境不断地获得系统最佳工作点，并通过对相关工作点的控制实现系统的最优运行，运行成本进一步降低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，给出一种多级闪蒸海水淡化系统优化运行方法及装置。
本发明给出的优化运行装置包括传感器模块、数据采集模块、中央处理模块、人机交互模块、优化计算模块、D/A和A/D转换模块、PID控制模块。传感器模块包括两路温度传感器、一路海水含盐量传感器、五路流量传感器。数据采集模块用于采集传感器模块获得的进料海水温度和含盐量、进料海水流量、淡水流量、循环盐水和热排放海水流量，以及加热蒸汽流量与温度。人机交互模块用于设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，设定淡水需求量、运行优化周期等。D/A和A/D转换模块用于将接收到的模拟量转换为相应的数字量或将接收到的数字量转换为相应的模拟量。中央处理模块用于存储多级闪蒸海水淡化系统优化问题模型和所需的物性参数、通过A/D转换模块接收并存储数据采集模块采集的数据以及接收并存储优化计算模块计算得到的数据，然后通过D/A转换模块向PID模块发出控制信号。优化计算模块根据当前采集到的数据，调用优化程序进行优化计算，获得最优操作变量值和最优目标函数值，并传送给中央处理模块。
采用上述装置，提出一种多级闪蒸海水淡化系统优化运行方法：首先由工程师通过人机交互模块设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数(模型中需要确定的结构参数)、给定运行优化周期。此后该装置以给定的周期采集所需数据，并通过D/A和A/D转换模块发给中央处理模块，中央处理模块调用优化计算模块，优化计算模块通过计算中央处理模块中的优化问题，得到使得系统最优运行的操作变量值，包括加热蒸汽的温度、流量、循环盐水流量、热排放海水流量等，并将其发送给中央处理模块，中央处理模块将这些数值通过D/A和A/D转换模块发给PID控制模块，PID控制模块将收到的信号作为设定值，控制相应量使其满足设定值要求。该装置在下一个运行优化周期，重复数据采集、优化计算和PID控制等过程，不断地优化系统运行。
本发明给出的优化运行装置的具体运行过程包括以下步骤：
步骤A1:用户或者工程师通过人机交互模块给定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数、淡水需求量、运行优化周期Tc等参数；
步骤A2:利用数据采集模块采集当前时间点进料海水流量、温度和含盐量，采集当前时间点热排放海水流量、循环盐水流量、加热蒸汽流量和温度。记录当前时间，令变量Tim等于当前时间，然后通过A/D转换模块将其发送给中央处理模块。
步骤A3:中央处理模块根据内部存储的多级海水淡化系统优化问题模型，调用优化计算模块进行优化计算，从而得到满足需水量和设备约束要求的最优操作变量：加热蒸汽温度和流量、热排放海水流量和循环盐水流量，以及内部状态变量值；
步骤A4:中央处理模块通过D/A转换模块，将求得到加热蒸汽流量、温度、热排放海水流量和循环盐水流量转换成模拟量并发给PID控制模块。PID控制模块以这些量作为相应控制回路的设定值，调用PID控制算法对相应回路进行控制，将加热蒸汽流量、温度、热排放海水流量和循环盐水流量控制到给定值，从而将多级闪蒸海水淡化系统调整到最优运行状态。
步骤A5:记录当前时间为Tim2，如果Tim2-Tim＜Tc，则继续等待；否则转步骤A2，重新进行优化调整。
所述的中央处理模块中的多级闪蒸海水淡化系统优化问题模型形式如下：
目标函数为式(1)：
其中热排放海水流量Wr、循环海水流量WRe、加热蒸汽温度TSTEAM和加热蒸汽流量WSTEAM是作为待优化的操作变量，Tc表示运行优化周期，TOC表示总的单位时间运行费用，可表示为式(2)：
TOC＝C1+C2+C3+C4+C5 (2)；
C1表示加热蒸汽费用，见式(3)：
C1＝WSTEAM×[(TSTEAM-40)/85]×0.0286 (3)；
C2表示化学处理费用，见式(4)：
C2＝(WDN/1000)×0.1725 (4)；
其中WDN表示淡水产量，单位为吨/小时。
C3表示能耗费用，见式(5)：
C3＝(WDN/1000)×0.75 (5)；
C4表示维护费用，见式(6)：
C4＝(WDN/1000)×0.5658 (6)；
C5表示劳务费用，见式(7)：
C5＝(WDN/1000)×0.69 (7)；
模型方程包括式(8)～(24)：
WBj-1hBj-1＝WBjhBj+(WBj-1-WBj)hvj (8)；
其中j＝1,2，…,NR+NJ表示闪蒸室的级数，NR表示热回收段闪蒸室的级数，NJ表示热排放段闪蒸室的级数。WBj-1和WBj表示第j-1和第j级闪蒸室盐水流量，hBj-1和hBj表示第j-1和第j级闪蒸室盐水焓值，hvj表示第j级闪蒸室蒸汽焓值。
WBj-1+WDj-1＝WBj+WDj (9)；
其中WDj-1和WDj表示第j-1和第j级闪蒸室淡水流量。
WBj-1CBj-1＝WBjCBj (10)；
其中，CBj-1和CBj分别表示第j-1和第j级闪蒸室盐水含盐浓度。
其中，式(11)和式(12)中的W，当j大于NR时，W＝WF；当j小于等于NR时，W＝WR，其中WF表示进料海水流量，WR表示混合后进入热回收段的海水流量。TFj和TFj+1分别表示离开和进入第j级闪蒸室的海水温度，TDj-1和TDj分别表示第j-1和j级闪蒸室内淡水温度，TBj-1和TBj表示第j级闪蒸室内盐水的温度，T*表示理想状态下闪蒸参考温度，CPRj、CPDj和CPBj表示第j级闪蒸室内相应海水、淡水、盐水的热容，CPDj-1和CPBj-1表示第j-1级闪蒸室内相应淡水、盐水的热容，Uj和Aj分别表示第j级闪蒸室内换热器的传热系数和传热面积。
TBj＝TDj+ΔBPEj+ΔNETDj+ΔTLj (13)；
TSj＝TDj+ΔTLj (14)；
ΔBPEj、ΔNETDj和ΔTLj表示第j级闪蒸室级盐水沸点升高温度、非平衡余量和经过除雾器和冷凝管的温度损失，TSj表示第j级闪蒸室的闪蒸蒸汽温度。
WB0＝WR (15)；
CB0＝CR (16)；
WRCPRH(TB0-TF1)＝WSTEAMλs (17)；
WB0、CB0和TB0表示进入第1级闪蒸室时盐水流量、含盐浓度和温度，CR表示混合后进入热回收段的海水含盐浓度，CPRH表示进入盐水加热器的海水热容，λs表示蒸汽潜热，WSTEAM和TSTEAM表示加热蒸汽流量和温度。UH和AH表示盐水加热器的换热系数和换热面积。
WBD＝WBN-WRe (20)；
Wr＝WF-Wm (21)；
WR＝WRe+Wm (22)；
WReCBN+WmCF＝WRCR (23)；
WRhWR＝WRehRe+WmhWm (24)；
其中，WBD表示排出的浓盐水流量，WBN和CBN表示从最后一级闪蒸器出来的盐水流量和含盐浓度，WRe和hRe表示用于补充的循环海水流量和相应焓值。WF和CF表示总的海水进料流量和含盐浓度，Wr表示热排放海水流量，Wm和hWm表示经过热排放段后留下的海水流量和相应焓值，WR、CR和hWR表示混合后进入热回收段的海水流量、含盐浓度和相应焓值。
系统约束方程包括式(25)～(28)：
产水量约束：WDN＝WDN * (25)；
其中WDN *表示用户需水量。
加热蒸汽温度约束：
热排放海水流量约束：
循环海水流量约束：
其中和分别表示加热蒸汽温度的下限和上限，和Wr U分别表示热排放海水流量的下限和上限，和分别表示循环海水流量的下限和上限。
所述的优化计算模块采用以下步骤计算式(1)-式(28)所示的优化问题，得到使得目标函数最低的热排放海水流量Wr、循环海水流量WRe、加热蒸汽温度TSTEAM和加热蒸汽流量WSTEAM，并将优化结果传送给中央处理模块。其步骤包括以下步骤：
步骤B1:将式(1)-式(28)组成的优化问题转化为如式(29)的非线性优化问题：
其中x为n维变量，f(x)和c(x)分别表示连续可微的目标函数和m维约束方程。x中既包含待优化操作变量Wr、WRe和TSTEAM，也包含海水淡化模型中的状态变量，xL和xU分别表示变量的上下界约束。
步骤B2:采用迭代计算方法求解式(29)所表示的优化问题，在x第k次迭代(k为大于等于零的整数)的迭代点xk处对式(29)进行泰勒展开，并忽略高次项和目标函数中的常数项，则原问题求解转为以下QP子问题的迭代求解，见式(30)：
式中dk为搜索方向，gk和Ak T分别表示在xk处目标函数的导数和约束方程的雅克比矩阵，ck表示在xk处c(xk)的值，Wk为拉格朗日函数的Hessian阵。其中拉格朗日函数为式(31)：
L(x,λ,v,π)＝f(x)+λTc(x)+vT(x-xU)-πT(x-xL) (31)；
λ、v和π分别表示与等式约束、上边界约束和下边界约束相关的拉格朗日乘子，λT、vT和πT分别表示相应乘子的转置。
步骤B3:在迭代过程中将搜索空间分解为两个子空间Y和Z，将式(30)表示的QP子问题转化为低维QP子问题。其中Z∈Rn×(n-m)，由雅克比矩阵的零空间向量组成；Y∈Rn×m，由雅克比矩阵的值空间向量组成。在xk处子空间Y和Z的值表示为Yk和Zk，Zk满足式(32)：
Ak TZk＝0 (32)；
搜索方向dk表示为如式(33)：
dk＝Ykpy+Zkpz (33)；
这里py和pz表示值空间和零空间移动的矢量矩阵，且py∈Rm，pz∈Rn-m。将式(32)和式(33)带入到QP子问题(30)中的等式约束，可得式(34)：
因此根据式(34)py被唯一确定为式(35)：
py＝-(Ak TYk)-1ck (35)；
搜索方向为式(36)：
dk＝-Yk(Ak TYk)-1ck+Zkpz (36)；
将式(36)中的搜索方向dk代入到以上QP子问题(30)中，并去掉与变量pz无关的常数项，则原QP子问题表示为式(37)以pz∈Rn-m为变量的以下QP子问题形式：
其中wk为(n-m)×1矩阵Bk为(n-m)×(n-m)矩阵pz为(n-m)维变量。
步骤B4:采用积极集方法求解式(37)获得pz，然后根据式(33)获得搜索方向矢量的值dk，其中式(37)表示的QP子问题的积极集求解方法为成熟技术。
步骤B5:令xk+1＝xk+αdk，这样就得到了下一个迭代点。其中α∈(0,1]，通过一维搜索方法求取，该求取方法为成熟技术。
步骤B6:求取搜索方向二范数norm(dk,2)、拉格朗日函数梯度与搜索方向乘积的值和一阶优化条件值。如果一阶优化条件值小于设定误差ε，或者norm(dk,2)的值和拉格朗日函数梯度与搜索方向乘积的值同时小于设定误差ε，则停止计算，得到最优目标函数值和最优变量值。然后将最优目标函数值和表示变量Wr、WRe、TSTEAM和WSTEAM的值发送给中央处理模块。否则令xk＝xk+1，转步骤B2，继续计算。
本发明所述的PID控制模块可控制多个回路，PID控制模块的控制算法为离散形式的PID控制算法，该PID控制算法为成熟技术。
本发明考虑了闪蒸室的结构、物性随温度和浓度的变化、非理想性的差异等基本的物理化学现象，建立了严格的数学机理模型，模型具有较强的适应性和准确性；考虑到进料海水温度和浓度对系统的影响，本发明既能保证产水量不低于需求值，同时又能使运行费用大幅度降低。可根据进料海水的参数和系统结构状况计算出当前情况下实现最优运行的最佳工作点(包括加热蒸汽温度、盐水回水流量、原海水热排放量的最佳值)，并将当前工作点控制到最佳工作点使得多级闪蒸海水淡化装置运行在最经济的状态，该系统可以明显降低系统运行费用。
附图说明
图1表示本发明专利针对的多级闪蒸海水淡化系统结构图；
图2本发明的整体结构示意图；
图3本发明的运行流程图；
图4优化计算模块运行流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例说明本发明的具体实施方式，
如图2所示，一种多级闪蒸海水淡化系统优化运行方法及装置，包括传感器模块、数据采集模块、中央处理模块、人机交互模块、优化计算模块、D/A和A/D转换模块、PID控制模块。传感器模块包括两路温度传感器、一路海水含盐量传感器、五路流量传感器。数据采集模块用于采集传感器模块获得的进料海水温度和含盐量、进料海水流量、淡水流量、循环盐水和热排放海水流量，以及加热蒸汽流量与温度。人机交互模块用于设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，设定淡水需求量、运行优化周期等。D/A和A/D转换模块用于将接收到的模拟量转换为相应的数字量或将接收到的数字量转换为相应的模拟量。中央处理模块用于存储多级闪蒸海水淡化系统优化问题模型和所需的物性参数、通过A/D转换模块接收并存储数据采集模块采集的数据以及接收并存储优化计算模块计算得到的数据，然后通过D/A转换模块向PID模块发出控制信号。优化计算模块根据当前采集到的数据，调用优化程序进行优化计算，获得最优操作变量值和最优目标函数值，并传送给中央处理模块。
如图3所示，对于采用本发明装置的某多级闪蒸海水淡化系统，为了实现系统的优化运行，需要执行以下步骤：
步骤A1:用户或者工程师通过人机交互模块给定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，包括热回收段级数NR＝16，热排放段级数NJ＝3；设定淡水需求量为WDN＝1.05×106kg/h；设定运行优化周期Tc＝1小时。
步骤A2:利用数据采集模块采集到当前时间点进料海水流量为11.3×106kg/h、温度为23℃和含盐浓度为5.7％，采集到当前时间点热排放海水流量为5.62×106kg/h、循环盐水流量6.35×106kg/h、加热蒸汽流量为1.34×105kg/h和温度97℃。记录当前时间，令变量Tim等于当前时间，然后通过A/D转换模块将其发送给中央处理模块。
步骤A3:中央处理模块根据内部存储的多级海水淡化系统优化问题模型，调用优化计算模块进行优化计算，从而得到满足需水量和设备约束要求的最优操作变量：加热蒸汽温度为95.3℃和流量为1.1053×105kg/h、热排放海水流量和循环盐水流量分别为6.07×106kg/h和4.81×106kg/h，以及内部状态变量值；
步骤A4:中央处理模块通过D/A转换模块，将求得的加热蒸汽流量、温度、热排放海水流量和循环盐水流量转换成模拟量并发给PID控制模块。PID控制模块以这些量作为相应控制回路的设定值，调用PID控制算法对相应回路进行控制，将加热蒸汽流量、温度、热排放海水流量和循环盐水流量控制到给定值，从而将多级闪蒸海水淡化系统调整到最优运行状态。
步骤A5:记录当前时间为Tim2，如果Tim2-Tim＜Tc，则继续等待；否则转步骤A2，重新进行优化调整。
所述的中央处理模块中的多级闪蒸海水淡化系统优化问题模型形式如下：
目标函数为式(1)：
其中热排放海水流量Wr、循环海水流量WRe、加热蒸汽温度TSTEAM和加热蒸汽流量WSTEAM是作为待优化的操作变量，Tc表示运行优化周期，TOC表示总的单位时间运行费用，可表示为式(2)：
TOC＝C1+C2+C3+C4+C5 (2)；
C1表示加热蒸汽费用，见式(3)：
C1＝WSTEAM×[(TSTEAM-40)/85]×0.0286 (3)；
C2表示化学处理费用，见式(4)；
C2＝(WDN/1000)×0.1725 (4)；
其中WDN表示淡水产量，单位为吨/小时。
C3表示能耗费用，见式(5)：
C3＝(WDN/1000)×0.75 (5)；
C4表示维护费用，见式(6)：
C4＝(WDN/1000)×0.5658 (6)；
C5表示劳务费用，见式(7)：
C5＝(WDN/1000)×0.69 (7)；
模型方程包括式(8)～(24)：
WBj-1hBj-1＝WBjhBj+(WBj-1-WBj)hvj (8)；
其中j＝1,2，…,NR+NJ表示闪蒸室的级数，NR表示热回收段闪蒸室的级数，NJ表示热排放段闪蒸室的级数。WBj-1和WBj表示第j-1和第j级闪蒸室盐水流量，hBj-1和hBj表示第j-1和第j级闪蒸室盐水焓值，hvj表示第j级闪蒸室蒸汽焓值。
WBj-1+WDj-1＝WBj+WDj (9)；
其中WDj-1和WDj表示第j-1和第j级闪蒸室淡水流量。
WBj-1CBj-1＝WBjCBj (10)；
其中，CBj-1和CBj分别表示第j-1和第j级闪蒸室盐水含盐浓度。
其中，式(11)和式(12)中的W，当j大于NR时，W＝WF；当j小于等于NR时，W＝WR，其中WF表示进料海水流量，WR表示混合后进入热回收段的海水流量。TFj和TFj+1分别表示离开和进入第j级闪蒸室的海水温度，TDj-1和TDj分别表示第j-1和j级闪蒸室内淡水温度，TBj-1和TBj表示第j级闪蒸室内盐水的温度，T*表示理想状态下闪蒸参考温度，CPRj、CPDj和CPBj表示第j级闪蒸室内相应海水、淡水、盐水的热容，CPDj-1和CPBj-1表示第j-1级闪蒸室内相应淡水、盐水的热容，Uj和Aj分别表示第j级闪蒸室内换热器的传热系数和传热面积。
TBj＝TDj+ΔBPEj+ΔNETDj+ΔTLj (13)；
TSj＝TDj+ΔTLj (14)；
ΔBPEj、ΔNETDj和ΔTLj表示第j级闪蒸室级盐水沸点升高温度、非平衡余量和经过除雾器和冷凝管的温度损失，TSj表示第j级闪蒸室的闪蒸蒸汽温度。
WB0＝WR (15)；
CB0＝CR (16)；
WRCPRH(TB0-TF1)＝WSTEAMλs (17)；
WB0、CB0和TB0表示进入第1级闪蒸室时盐水流量、含盐浓度和温度，CR表示混合后进入热回收段的海水含盐浓度，CPRH表示进入盐水加热器的海水热容，λs表示蒸汽潜热，WSTEAM和TSTEAM表示加热蒸汽流量和温度。UH和AH表示盐水加热器的换热系数和换热面积。
WBD＝WBN-WRe (20)；
Wr＝WF-Wm (21)；
WR＝WRe+Wm (22)；
WReCBN+WmCF＝WRCR (23)；
WRhWR＝WRehRe+WmhWm (24)；
其中，WBD表示排出的浓盐水流量，WBN和CBN表示从最后一级闪蒸器出来的盐水流量和含盐浓度，WRe和hRe表示用于补充的循环海水流量和相应焓值。WF和CF表示总的海水进料流量和含盐浓度，Wr表示热排放海水流量，Wm和hWm表示经过热排放段后留下的海水流量和相应焓值，WR、CR和hWR表示混合后进入热回收段的海水流量、含盐浓度和相应焓值。
系统约束方程包括式(25)～(28)：
产水量约束：WDN＝WDN * (25)；
其中WDN *表示用户需水量。
加热蒸汽温度约束：
热排放海水流量约束：
循环海水流量约束：
其中和分别表示加热蒸汽温度的下限和上限，和Wr U分别表示热排放海水流量的下限和上限，和分别表示循环海水流量的下限和上限。
所述的优化计算模块采用以下步骤计算式(1)-式(28)所示的优化问题，得到使得目标函数最低的热排放海水流量Wr、循环海水流量WRe、加热蒸汽温度TSTEAM和加热蒸汽流量WSTEAM，并将优化结果传送给中央处理模块。如图4所示，其步骤具体为：
步骤B1:将式(1)-式(28)组成的优化问题转化为如式(29)形式的非线性优化问题：
其中x为n维变量，f(x)和c(x)分别表示连续可微的目标函数和m维约束方程。x中既包含待优化操作变量Wr、WRe和TSTEAM，也包含海水淡化模型中的状态变量，xL和xU分别表示变量的上下界约束。
步骤B2:采用迭代计算方法求解式(29)所表示的优化问题，在x第k次迭代(k为大于等于零的整数)的迭代点xk处对式(29)进行泰勒展开，并忽略高次项和目标函数中的常数项，则原问题求解转为式(30)QP子问题的迭代求解：
式中dk为搜索方向，gk和Ak T分别表示在xk处目标函数的导数和约束方程的雅克比矩阵，ck表示在xk处c(xk)的值，Wk为拉格朗日函数的Hessian阵。其中拉格朗日函数为式(31)：
L(x,λ,v,π)＝f(x)+λTc(x)+vT(x-xU)-πT(x-xL) (31)；
λ、v和π分别表示与等式约束、上边界约束和下边界约束相关的拉格朗日乘子，λT、vT和πT分别表示相应乘子的转置。
步骤B3:在迭代过程中将搜索空间分解为两个子空间Y和Z，将式(30)表示的QP子问题转化为低维QP子问题。其中Z∈Rn×(n-m)，由雅克比矩阵的零空间向量组成；Y∈Rn×m，由雅克比矩阵的值空间向量组成。在xk处子空间Y和Z的值表示为Yk和Zk，Zk满足式(32)：
Ak TZk＝0 (32)；
搜索方向dk表示为式(33)：
dk＝Ykpy+Zkpz (33)；
这里py和pz表示值空间和零空间移动的矢量矩阵，且py∈Rm，pz∈Rn-m。将式(32)和式(33)带入到QP子问题(30)中的等式约束，得式(34)：
因此根据式(34)py被唯一确定为式(35)：
py＝-(Ak TYk)-1ck (35)；
搜索方向为式(36)：
dk＝-Yk(Ak TYk)-1ck+Zkpz (36)；
将式(36)中的搜索方向dk代入到以上QP子问题(30)中，并去掉与变量pz无关的常数项，则原QP子问题可表示为式(37)以pz∈Rn-m为变量的QP子问题形式：
其中wk为(n-m)×1矩阵Bk为(n-m)×(n-m)矩阵pz为(n-m)维变量。
步骤B4:采用积极集方法求解式(37)获得pz，然后根据式(33)获得搜索方向矢量的值dk，其中式(37)表示的QP子问题的积极集求解方法为成熟技术。
步骤B5:令xk+1＝xk+αdk，这样就得到了下一个迭代点。其中α∈(0,1]，通过一维搜索方法求取，该求取方法为成熟技术。
步骤B6:求取搜索方向二范数norm(dk,2)、拉格朗日函数梯度与搜索方向乘积的值和一阶优化条件的值。如果一阶优化条件值小于设定误差ε，或者norm(dk,2)的值和拉格朗日函数梯度与搜索方向乘积的值同时小于设定误差ε，则停止计算，得到最优目标函数值和最优变量值，将最优目标函数值和表示变量Wr、WRe、TSTEAM和WSTEAM的值发送给中央处理模块。否则令xk＝xk+1，转步骤B2，继续计算。
表1
表1是经过24个运行优化周期得到的结果，其中每一个小时采集一次进料海水温度等参数，然后得到相应的操作变量最优值，包括加热蒸汽流量、温度，热排放海水流量和循环盐水流量值，中央处理模块将这些值发给PID模块，PID模块将相关量控制到最优目标值处，则相应的运行费用TOC比不优化时的运行费用有明显降低。
以上内容是结合具体的实例给出的实施方式对本发明的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下还可以做出一定程度的简单推演或者替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多级闪蒸海水淡化系统优化运行装置，其特征在于：包括传感器模块、数据采集模块、中央处理模块、人机交互模块、优化计算模块、D/A和A/D转换模块、PID控制模块；传感器模块包括两路温度传感器、一路海水含盐量传感器、五路流量传感器；数据采集模块用于采集传感器模块获得的进料海水温度和含盐量、进料海水流量、淡水流量、循环盐水和热排放海水流量，以及加热蒸汽流量与温度；人机交互模块用于设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，设定淡水需求量、运行优化周期；D/A和A/D转换模块用于将接收到的模拟量转换为相应的数字量或将接收到的数字量转换为相应的模拟量；中央处理模块用于存储多级闪蒸海水淡化系统优化问题模型和所需的物性参数、通过A/D转换模块接收并存储数据采集模块采集的数据以及接收并存储优化计算模块计算得到的数据，然后通过D/A转换模块向PID模块发出控制信号；优化计算模块根据当前采集到的数据，调用优化程序进行优化计算，获得最优操作变量值和最优目标函数值，并传送给中央处理模块。
2.一种多级闪蒸海水淡化系统优化运行方法，其特征在于：包括如下步骤：首先由工程师通过人机交互模块设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数、给定运行优化周期；此后该装置以给定的周期采集所需数据，并通过D/A和A/D转换模块发给中央处理模块，中央处理模块调用优化计算模块，优化计算模块通过计算中央处理模块中的优化问题，得到使得系统最优运行的操作变量值，包括加热蒸汽的温度、流量、循环盐水流量、热排放海水流量，并将其发送给中央处理模块，中央处理模块将这些数值通过D/A和A/D转换模块发给PID控制模块，PID控制模块将收到的信号作为设定值，控制相应量使其满足设定值要求；该装置在下一个运行优化周期，重复数据采集、优化计算和PID控制过程，不断地优化系统运行；
具体包括以下步骤：
步骤A1:用户或者工程师通过人机交互模块给定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数、淡水需求量、运行优化周期Tc参数；
步骤A2:利用数据采集模块采集当前时间点进料海水流量、温度和含盐量，采集当前时间点热排放海水流量、循环盐水流量、加热蒸汽流量和温度；记录当前时间，令变量Tim等于当前时间，然后通过A/D转换模块将其发送给中央处理模块；
步骤A3:中央处理模块根据内部存储的多级海水淡化系统优化问题模型，调用优化计算模块进行优化计算，从而得到满足需水量和设备约束要求的最优操作变量：加热蒸汽温度和流量、热排放海水流量和循环盐水流量，以及内部状态变量值；
步骤A4:中央处理模块通过D/A转换模块，将求得到加热蒸汽流量、温度、热排放海水流量和循环盐水流量转换成模拟量并发给PID控制模块；PID控制模块以这些量作为相应控制回路的设定值，调用PID控制算法对相应回路进行控制，将加热蒸汽流量、温度、热排放海水流量和循环盐水流量控制到给定值，从而将多级闪蒸海水淡化系统调整到最优运行状态；
步骤A5:记录当前时间为Tim2，如果Tim2-Tim＜Tc，则继续等待；否则转步骤A2，重新进行优化调整。
3.如权利要求2所述的一种多级闪蒸海水淡化系统优化运行方法，其特征在于：所述的中央处理模块中的多级闪蒸海水淡化系统优化问题模型形式如下：
目标函数为式(1)：
其中热排放海水流量Wr、循环海水流量WRe、加热蒸汽温度TSTEAM和加热蒸汽流量WSTEAM是作为待优化的操作变量，Tc表示运行优化周期，TOC表示总的单位时间运行费用，表示为式(2)：
TOC＝C1+C2+C3+C4+C5 (2)；
C1表示加热蒸汽费用，见式(3)：
C1＝WSTEAM×[(TSTEAM-40)/85]×0.0286 (3)；
C2表示化学处理费用，见式(4)：
C2＝(WDN/1000)×0.1725 (4)；
其中WDN表示淡水产量，单位为吨/小时；
C3表示能耗费用，见式(5)：
C3＝(WDN/1000)×0.75 (5)；
C4表示维护费用，见式(6)：
C4＝(WDN/1000)×0.5658 (6)；
C5表示劳务费用，见式(7)：
C5＝(WDN/1000)×0.69 (7)；
模型方程包括式(8)～(24)：
WBj-1hBj-1＝WBjhBj+(WBj-1-WBj)hvj (8)；
其中j＝1,2，…,NR+NJ表示闪蒸室的级数，NR表示热回收段闪蒸室的级数，NJ表示热排放段闪蒸室的级数；WBj-1和WBj表示第j-1和第j级闪蒸室盐水流量，hBj-1和hBj表示第j-1和第j级闪蒸室盐水焓值，hvj表示第j级闪蒸室蒸汽焓值；
WBj-1+WDj-1＝WBj+WDj (9)；
其中WDj-1和WDj表示第j-1和第j级闪蒸室淡水流量；
WBj-1CBj-1＝WBjCBj (10)；
其中，CBj-1和CBj分别表示第j-1和第j级闪蒸室盐水含盐浓度；
其中，式(11)和式(12)中的W，当j大于NR时，W＝WF；当j小于等于NR时，W＝WR，其中WF表示进料海水流量，WR表示混合后进入热回收段的海水流量；TFj和TFj+1分别表示离开和进入第j级闪蒸室的海水温度，TDj-1和TDj分别表示第j-1和j级闪蒸室内淡水温度，TBj-1和TBj表示第j级闪蒸室内盐水的温度，T*表示理想状态下闪蒸参考温度，CPRj、CPDj和CPBj表示第j级闪蒸室内相应海水、淡水、盐水的热容，CPDj-1和CPBj-1表示第j-1级闪蒸室内相应淡水、盐水的热容，Uj和Aj分别表示第j级闪蒸室内换热器的传热系数和传热面积；
TBj＝TDj+ΔBPEj+ΔNETDj+ΔTLj (13)；
TSj＝TDj+ΔTLj (14)；
ΔBPEj、ΔNETDj和ΔTLj表示第j级闪蒸室级盐水沸点升高温度、非平衡余量和经过除雾器和冷凝管的温度损失，TSj表示第j级闪蒸室的闪蒸蒸汽温度；
WB0＝WR (15)；
CB0＝CR (16)；
WRCPRH(TB0-TF1)＝WSTEAMλs (17)；
WB0、CB0和TB0表示进入第1级闪蒸室时盐水流量、含盐浓度和温度，CR表示混合后进入热回收段的海水含盐浓度，CPRH表示进入盐水加热器的海水热容，λs表示蒸汽潜热，WSTEAM和TSTEAM表示加热蒸汽流量和温度；UH和AH表示盐水加热器的换热系数和换热面积；
WBD＝WBN-WRe (20)；
Wr＝WF-Wm (21)；
WR＝WRe+Wm (22)；
WReCBN+WmCF＝WRCR (23)；
WRhWR＝WRehRe+WmhWm (24)；
其中，WBD表示排出的浓盐水流量，WBN和CBN表示从最后一级闪蒸器出来的盐水流量和含盐浓度，WRe和hRe表示用于补充的循环海水流量和相应焓值；WF和CF表示总的海水进料流量和含盐浓度，Wr表示热排放海水流量，Wm和hWm表示经过热排放段后留下的海水流量和相应焓值，WR、CR和hWR表示混合后进入热回收段的海水流量、含盐浓度和相应焓值；
系统约束方程包括式(25)～(28)：
产水量约束：WDN＝WDN* (25)；
其中WDN*表示用户需水量；
加热蒸汽温度约束：
热排放海水流量约束：
循环海水流量约束：
其中和分别表示加热蒸汽温度的下限和上限，和分别表示热排放海水流量的下限和上限，和分别表示循环海水流量的下限和上限；
所述的优化计算模块采用以下步骤计算式(1)-式(28)所示的优化问题，得到使得目标函数最低的热排放海水流量Wr、循环海水流量WRe、加热蒸汽温度TSTEAM和加热蒸汽流量WSTEAM，并将优化结果传送给中央处理模块；
具体包括以下步骤：
步骤B1:将式(1)-式(28)组成的优化问题转化为如式(29)的非线性优化问题：
其中x为n维变量，f(x)和c(x)分别表示连续可微的目标函数和m维约束方程；x中既包含待优化操作变量Wr、WRe和TSTEAM，也包含海水淡化模型中的状态变量，xL和xU分别表示变量的上下界约束；
步骤B2:采用迭代计算方法求解式(29)所表示的优化问题，在x第k次迭代(k为大于等于零的整数)的迭代点xk处对式(29)进行泰勒展开，并忽略高次项和目标函数中的常数项，则原问题求解转为以下QP子问题的迭代求解，见式(30)：
式中dk为搜索方向，gk和Ak T分别表示在xk处目标函数的导数和约束方程的雅克比矩阵，ck表示在xk处c(xk)的值，Wk为拉格朗日函数的Hessian阵；其中拉格朗日函数为式(31)：
L(x,λ,v,π)＝f(x)+λTc(x)+vT(x-xU)-πT(x-xL) (31)；
λ、v和π分别表示与等式约束、上边界约束和下边界约束相关的拉格朗日乘子，λT、vT和πT分别表示相应乘子的转置；
步骤B3:在迭代过程中将搜索空间分解为两个子空间Y和Z，将式(30)表示的QP子问题转化为低维QP子问题；其中Z∈Rn×(n-m)，由雅克比矩阵的零空间向量组成；Y∈Rn×m，由雅克比矩阵的值空间向量组成；在xk处子空间Y和Z的值表示为Yk和Zk，Zk满足式(32)：
Ak TZk＝0 (32)；
搜索方向dk表示为如式(33)：
dk＝Ykpy+Zkpz (33)；
这里py和pz表示值空间和零空间移动的矢量矩阵，且py∈Rm，pz∈Rn-m；将式(32)和式(33)带入到QP子问题(30)中的等式约束，得式(34)：
因此根据式(34)py被唯一确定为式(35)：
py＝-(Ak TYk)-1ck (35)；
搜索方向为式(36)：
dk＝-Yk(Ak TYk)-1ck+Zkpz (36)；
将式(36)中的搜索方向dk代入到以上QP子问题(30)中，并去掉与变量pz无关的常数项，则原QP子问题表示为式(37)以pz∈Rn-m为变量的以下QP子问题形式：
其中wk为(n-m)×1矩阵Bk为(n-m)×(n-m)矩阵pz为(n-m)维变量；
步骤B4:采用积极集方法求解式(37)获得pz，然后根据式(33)获得搜索方向矢量的值dk，其中式(37)表示的QP子问题的积极集求解方法为成熟技术；
步骤B5:令xk+1＝xk+αdk，这样就得到了下一个迭代点；其中α∈(0,1]，通过一维搜索方法求取，该求取方法为成熟技术；
步骤B6:求取搜索方向二范数norm(dk,2)、拉格朗日函数梯度与搜索方向乘积的值和一阶优化条件值；如果一阶优化条件值小于设定误差ε，或者norm(dk,2)的值和拉格朗日函数梯度与搜索方向乘积的值同时小于设定误差ε，则停止计算，得到最优目标函数值和最优变量值；然后将最优目标函数值和表示变量Wr、WRe、TSTEAM和WSTEAM的值发送给中央处理模块；否则令xk＝xk+1，转步骤B2，继续计算。
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Assignee: Hangzhou LIANTENG Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: HANGZHOU DIANZI University

Contract record no.: X2022330000004

Denomination of invention: An optimized operation method and device of multistage flash seawater desalination system

Granted publication date: 20210810

License type: Common License

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