CN112464471A - 一种反渗透海水淡化系统的建模方法 - Google Patents

一种反渗透海水淡化系统的建模方法 Download PDF

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CN112464471A CN202011337917.2A CN202011337917A CN112464471A CN 112464471 A CN112464471 A CN 112464471A CN 202011337917 A CN202011337917 A CN 202011337917A CN 112464471 A CN112464471 A CN 112464471A
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Abstract

本发明公开了一种反渗透海水淡化系统的建模方法，包括：建立反渗透海水淡化系统的运营成本模型；构建反渗透海水淡化系统的动态运行模型、运行边界条件；以最低运营成本模型为目标函数，以动态运行模型、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型。构造反渗透海水淡化系统运行费用的数学模型，优化反渗透海水淡化系统运行策略，能降低运行费用；动态优化模型中综合化学处理投资成本、取水过程低压离心泵的运行费用、反渗透过程设备运行成本、反渗透膜的固定投资成本、系统维护成本和劳动力成本等影响运行费用的因素，以便于精确找到反渗透海水淡化系统的最佳运行点。

Description

一种反渗透海水淡化系统的建模方法
技术领域
本发明属于海水淡化系统技术领域，涉及一种反渗透海水淡化系统的建模方法。
背景技术
海水淡化是一种淡水资源增量技术，具有不淹地、不移民、不争水、不受气候影响等优点，有利于实现人与自然的和谐发展，是解决我国沿海地区水资源匮乏的一种重要技术。其中，反渗透海水淡化具有分离效率高、设备简单、操作方便、能耗低等优点，已成为我国乃至全球现阶段海水淡化的主要使用技术。根据2020年1月国家自然资源部公布的全国海水利用报告，2018年新建海水淡化工程12536吨/日，反渗透技术占96％，截至2018年底，全国应用反渗透技术的海水淡化工程占总工程规模的68.7％。尽管反渗透海水淡化技术已经是目前最节能的技术，但是应用反渗透海水淡化技术生产淡水的费用仍然较高，导致海水淡化工程主要依赖国家补贴维持运行，难以规模化、市场化发展。
反渗透海水淡化系统的耗资成本可以分为建设成本和运行费用，电能价格对反渗透海水淡化系统的运行费用有显著影响。目前国内海水淡化系统均为全天24小时运行，未能考虑海水淡化系统的灵活运行特性，由于电能价格在不同用电时段差异较大，目前的海水淡化系统并未综合考虑各个因素对运行成本的影响，导致海水淡化系统运行成本过高，进一步导致海水淡化系统目前的恒定运行方式严重偏离了最佳运行点。
发明内容
本发明的目的是提供一种反渗透海水淡化系统的建模方法，解决了现有技术中存在的未综合考虑各个因素对运行成本的影响，导致海水淡化系统运行成本过高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种反渗透海水淡化系统的建模方法，包括以下步骤：
步骤1、建立反渗透海水淡化系统的运营成本模型，运营成本模型包括海水淡化过程中化学处理投资成本、低压离心泵的运行费用、反渗透过程中设备运行成本、反渗透膜的固定投资成本、海水反渗透系统的劳动力成本和维护成本；
步骤2、构建反渗透海水淡化系统的动态运行模型、运行边界条件；
步骤3、以最低运营成本模型为目标函数，以动态运行模型、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型。
本发明的特点还在于：
海水淡化过程中化学处理投资成本CTC计算过程如下：
CTC＝0.0225Fin (1)；
上式中，Fin为海水进水口流量；
低压离心泵的运行费用LPC计算过程如下：
Figure BDA0002797792720000021
上式中，PLP为低压离心泵的输出压力，Cl为负荷系数，Se为电价，ηLP为低压离心泵的效率；
反渗透膜的固定投资成本MRC计算过程如下：
MRC＝SROM×nROM×γROM/365 (8)；
上式中，SROM为反渗透膜的单价，nROM为反渗透系统中包含的反渗透膜数量，γROM为每年需要更换的反渗透膜数量的占比。
反渗透过程中设备运行成本EOC计算过程如下：
EOC＝BPC+HPC-ERC (3)；
上式中，HPC为变频高压泵的运行成本，ERC为能量回收装置的节约运行成本，BPC为增压泵的运行成本，具体计算过程如下：
Figure BDA0002797792720000031
上式中，Pin为反渗透通道的入口压力，Phpin为进入变频高压泵的进料压力，ηh为高压泵的效率，ηf为变频电机效率：
Figure BDA0002797792720000032
上式中，fmax是允许的最大频率(Hz)；f(t)是t时刻的实际频率(Hz)；
ERC＝Fs×Ps×ηer×Se (6)；
BPC＝Fs×(Pin-Pbpout)/ηb×Se (7)；
上式中，Fs为反渗透装置排出的浓水流量，Ps为反渗透装置排出的浓水压力，ηer为能量回收装置的效率，Pbout、ηb为增压泵的输出压力、效率。
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、动态运行模型包括水流在反渗透通道内部的压力损失、反渗透通道中不同位置处海水浓度，水流在反渗透通道内部的压力损失的计算方式为：
Figure BDA0002797792720000033
上式中，l为反渗透渠道距离进水端口的长度，PRO为反渗透通道的压降，μ为摩擦系数，ρf为流体密度，DRO为反渗透通道进水口的等效直径，VRO为反渗透通道内轴向流速；
反渗透通道中不同位置处海水浓度计算方式如下：
Figure BDA0002797792720000041
上式中，CROsalt为反渗透通道中海水侧固体颗粒物浓度，CROfresh为反渗透通道中淡水侧固体颗粒物浓度，vp为局部渗透通量，HRO为进给间隔槽的高度；
轴向流速VRO在反渗透通道中的变化如下：
Figure BDA0002797792720000042
上式中，当l＝0时，VRO等于海水进水口流速(m/s)，当l＝LN时，VRO等于盐水出水口流速(m/s)；
步骤2.2、运行边界条件包括运行过程中储水罐水位、输出淡水盐度、输出盐水浓度、浓差极化参数、设备安全运行压力、进料流速及储水罐液位边界，具体如下：
hst(24)＝hst(0) (13)；
上式中，hst(0)为第0小时的储罐水位，hst(24)为第24小时的储罐水位；
Figure BDA0002797792720000043
上式中，Cfresh为输出淡水盐浓度，CfreshN为输出淡水盐浓度最大限度值，Csalt为盐水浓度值，CsaltN为盐水浓度最大限度值，
Figure BDA0002797792720000051
为浓差极化，Pinmin为反渗透通道的进料压力最小值，Pinmax为反渗透通道的进料压力最大值，VROmin为膜输入轴向速度最小值，VROmax为膜输入轴向速度最大值，hstmin为储水罐水位最小值，hstmax为储水罐水位最大值。
步骤3的过程如下：
以最低运营成本模型为目标函数，以动态运行模型、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型，目标函数为：
Figure BDA0002797792720000052
上式中，LBC、SMC为海水反渗透系统的劳动力成本、系统维护成本；
约束条件为公式(10)-(14)。
本发明的有益效果是：
本发明一种反渗透海水淡化系统的建模方法，构造反渗透海水淡化系统运行费用的数学模型，优化反渗透海水淡化系统运行策略，能降低运行费用；动态优化模型中综合化学处理投资成本、取水过程低压离心泵的运行费用、反渗透过程设备运行成本、反渗透膜的固定投资成本、系统维护成本和劳动力成本等影响运行费用的因素，以便于精确找到反渗透海水淡化系统的最佳运行点；此外，将动态优化模型转换为易于求解的非线性规划模型，计算得到每个时段反渗透海水淡化系统运行方式，充分利用其操作灵活性，降低海水淡化系统的运行费用，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明一种反渗透海水淡化系统的建模方法实施例的运行费用优化结果图；
图2是本发明一种反渗透海水淡化系统的建模方法实施例的进水口流量和反渗透通道入口压力优化结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种反渗透海水淡化系统的建模方法，包括以下步骤：
步骤1、建立反渗透海水淡化系统的运营成本模型，运营成本模型包括海水淡化过程中化学处理投资成本、低压离心泵的运行费用、反渗透过程中设备运行成本、反渗透膜的固定投资成本、海水反渗透系统的劳动力成本和维护成本；
海水淡化过程中化学处理投资成本CTC计算过程如下：
CTC＝0.0225Fin (1)；
上式中，Fin为海水进水口流量(m3/h)；
海水取水过程中低压离心泵的运行费用LPC计算过程如下：
Figure BDA0002797792720000061
上式中，PLP为低压离心泵的输出压力(bar)，Cl为负荷系数，Se为电价(元/kWh)，ηLP为低压离心泵的效率；
反渗透过程中设备运行成本EOC(元)计算过程如下：
EOC＝BPC+HPC-ERC (3)；
上式中，HPC为变频高压泵的运行成本，ERC为能量回收装置的节约运行成本，BPC为增压泵的运行成本，具体计算过程如下：
Figure BDA0002797792720000062
上式中，Pin为反渗透通道的入口压力，Phpin为进入变频高压泵的进料压力，ηh为高压泵的效率，ηf为变频电机效率：
Figure BDA0002797792720000071
上式中，fmax是允许的最大频率(Hz)；f(t)是t时刻的实际频率(Hz)；
ERC＝Fs×Ps×ηer×Se (6)；
BPC＝Fs×(Pin-Pbpout)/ηb×Se (7)；
上式中，Fs为反渗透装置排出的浓水流量，Ps为反渗透装置排出的浓水压力，ηer为能量回收装置的效率，Pbout、ηb为增压泵的输出压力、效率；
反渗透膜的固定投资成本MRC计算过程如下：
MRC＝SROM×nROM×γROM/365 (8)；
上式中，SROM为反渗透膜的单价，nROM为反渗透系统中包含的反渗透膜数量，γROM为每年需要更换的反渗透膜数量的占比。
总运行费用TOC的计算过程如下：
TOC＝LPC+EOC+MRC+CTC+SMC+LBC (9)；
上式中，LBC、SMC为海水反渗透系统的劳动力成本、维护成本，由于海水反渗透系统的劳动力成本、维护成本几乎是固定的，因此设为固定值。
步骤2、构建反渗透海水淡化系统的动态运行模型、运行边界条件；
步骤2.1、动态运行模型包括水流在反渗透通道内部的压力损失、反渗透通道中不同位置处海水浓度；为了避免结垢问题，反渗透海水淡化装置一般采取错流运行方式，水流在反渗透通道内部由于摩擦等因素，使得压力会有一定的损失，水流在反渗透通道内部的压力损失的计算方式为：
Figure BDA0002797792720000072
上式中，l为反渗透渠道距离进水端口的长度，PRO为反渗透通道的压降，μ为摩擦系数，ρf为流体密度，DRO为反渗透通道进水口的等效直径，VRO为反渗透通道内轴向流速，当l＝0时，PRO为0，当l＝LN时，PRO为进水口和出水口的压差，LN为反渗透渠道长度；
同样地，错流反渗透运行方式会导致海水固体颗粒物浓度从进水口一侧沿反渗透通道逐渐升高，反渗透通道中不同位置处海水浓度计算方式如下：
Figure BDA0002797792720000081
上式中，CROsalt为反渗透通道中海水侧固体颗粒物浓度，CROfresh为反渗透通道中淡水侧固体颗粒物浓度，vp为局部渗透通量，HRO为进给间隔槽的高度，当l＝0时，CROsalt等于海水进水口浓度(kg/m3)，当l＝LN时，CROsalt等于盐水出水口浓度(kg/m3)；
式(9)和式(10)中压力损失、浓度分布都与轴向流速V有关，轴向流速在反渗透通道中的变化如下所示：
Figure BDA0002797792720000082
上式中，当l＝0时，VRO等于海水进水口流速(m/s)，当l＝LN时，VRO等于盐水出水口流速(m/s)。
步骤2.2、运行边界条件包括运行过程中储水罐水位、输出淡水盐度、输出盐水浓度、浓差极化参数、设备安全运行压力、进料流速及储水罐液位边界，具体如下：
hst(24)＝hst(0) (13)；
上式中，hst(0)为第0小时的储罐水位，hst(24)为第24小时的储罐水位；
Figure BDA0002797792720000091
上式中，Cfresh为输出淡水盐浓度，CfreshN为输出淡水盐浓度最大限度值，Csalt为盐水浓度值，CsaltN为盐水浓度最大限度值，
Figure BDA0002797792720000092
为浓差极化，Pinmin为反渗透通道的进料压力最小值，Pinmax为反渗透通道的进料压力最大值，VROmin为膜输入轴向速度最小值，VROmax为膜输入轴向速度最大值，hstmin为储水罐水位最小值，hstmax为储水罐水位最大值。
步骤3、以最低运营成本模型为目标函数，以动态运行模型、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型。
以最低运营成本模型为目标函数、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型，目标函数为：
Figure BDA0002797792720000093
上式中，进水口流量Fin和反渗透通道入口压力Pin为可优化的控制变量，可以每小时调整一次，储水罐水位hst(m)为状态变量，进水盐浓度Cin(kg/m3)和进水温度Tin(K)为可变参数；
约束条件为公式(10)-(14)。
通过求解步骤3的优化模型，可以得到反渗透海水淡化系统优化后的运行方式，通过控制不同时段的产水量，减少电耗成本，从而降低反渗透海水淡化系统的运行费用。
通过以上方式，本发明一种反渗透海水淡化系统的建模方法，构造反渗透海水淡化系统运行费用的数学模型，优化反渗透海水淡化系统运行策略，能降低运行费用；动态优化模型中综合化学处理投资成本、取水过程低压离心泵的运行费用、反渗透过程设备运行成本、反渗透膜的固定投资成本、系统维护成本和劳动力成本等影响运行费用的因素，以便于精确找到反渗透海水淡化系统的最佳运行点；此外，将动态优化模型转换为易于求解的非线性规划模型，计算得到每个时段反渗透海水淡化系统运行方式，充分利用其操作灵活性，降低海水淡化系统的运行费用，具有较高的实际应用价值。
实施例
针对某反渗透海水淡化系统，研究本发明方法的优化策略效果。该反渗透海水淡化系统初始运行条件如下：海水淡化系统进水海水参数和储水罐规格信息如表1所示，分时电价如表2所示。
表1默认进料海水参数和储水罐信息
Figure BDA0002797792720000101
表2各时段电价表
Figure BDA0002797792720000102
设定两种反渗透海水淡化系统运行方案，方案A为传统的恒定运行模式，方案B为优化后的运行模式，方案A作为方案B优化结果的参照，方案B作为方案A优化结果的检验。两种运行方案详细操作模式描述如下：
方案A与方案B相同点：反渗透膜的固定投资成本、系统维护成本与劳动力成本被设定为固定值；保证第0小时的水位与第24小时的水位保持一致，通过储水罐的调节作用，满足每日淡水需求量。
方案A与方案B不同点：方案A中入口压力Pin和进水口流量Fin保持恒定，分别设定为64.4bar和1125m3/h；方案B中入口压力Pin和进水口流量Fin为控制变量，可在满足约束条件下进行调节，优化操作。
优化结果及分析如下：
从图1中可看出，优化后的操作可以显著降低总运行费用。与方案A相比，方案B中海水淡化的化学处理投资成本、取水过程低压离心泵的运行费用、反渗透过程设备运行成本都相较方案A有所降低，总运行费用由27810元/天降低到20390元/天，节约了26.7％的运行费用。由于在优化后的运行方案中，充分考虑了峰谷电价因素，所以设备运行成本降低幅度最为明显，由16146元降低到9943元，与方案A相比节省了48.8％的设备运行成本。
图2表示方案A和方案B的控制变量(进水口流量和入口压力)的变化情况。方案A中，入口压力Pin和进水口流量Fin为恒定值，在最后2小时内变为零，保证在满足淡水需求的基础上，储水罐中第0小时的水位与第24小时的水位保持一致。方案B中控制入口压力Pin和进水口流量Fin在电价高峰时段下降，低谷时段上升，能根据分时电价进行调整，减少运行费用，提高了反渗透海水淡化系统的经济性。

Claims (5)

1.一种反渗透海水淡化系统的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立反渗透海水淡化系统的运营成本模型，所述运营成本模型包括海水淡化过程中化学处理投资成本、低压离心泵的运行费用、反渗透过程中设备运行成本、反渗透膜的固定投资成本、海水反渗透系统的劳动力成本和维护成本；
步骤2、构建反渗透海水淡化系统的动态运行模型、运行边界条件；
步骤3、以最低所述运营成本模型为目标函数，以所述动态运行模型、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型。
2.根据权利要求1所述的一种反渗透海水淡化系统的建模方法，其特征在于，步骤1中：所述海水淡化过程中化学处理投资成本CTC计算过程如下：
CTC＝0.0225Fin (1)；
上式中，Fin为海水进水口流量；
所述低压离心泵的运行费用LPC计算过程如下：
Figure FDA0002797792710000011
上式中，PLP为低压离心泵的输出压力，Cl为负荷系数，Se为电价，ηLP为低压离心泵的效率；
所述反渗透膜的固定投资成本MRC计算过程如下：
MRC＝SROM×nROM×γROM/365 (8)；
上式中，SROM为反渗透膜的单价，nROM为反渗透系统中包含的反渗透膜数量，γROM为每年需要更换的反渗透膜数量的占比。
3.根据权利要求2所述的一种反渗透海水淡化系统的建模方法，其特征在于，所述反渗透过程中设备运行成本EOC计算过程如下：
EOC＝BPC+HPC-ERC (3)；
上式中，HPC为变频高压泵的运行成本，ERC为能量回收装置的节约运行成本，BPC为增压泵的运行成本，具体计算过程如下：
Figure FDA0002797792710000021
上式中，Pin为反渗透通道的入口压力，Phpin为进入变频高压泵的进料压力，ηh为高压泵的效率，ηf为变频电机效率：
Figure FDA0002797792710000022
上式中，fmax是允许的最大频率(Hz)；f(t)是t时刻的实际频率(Hz)；
ERC＝Fs×Ps×ηer×Se (6)；
BPC＝Fs×(Pin-Pbpout)/ηb×Se (7)；
上式中，Fs为反渗透装置排出的浓水流量，Ps为反渗透装置排出的浓水压力，ηer为能量回收装置的效率，Pbout、ηb为增压泵的输出压力、效率。
4.根据权利要求1所述的一种反渗透海水淡化系统的建模方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、所述动态运行模型包括水流在反渗透通道内部的压力损失、反渗透通道中不同位置处海水浓度，水流在反渗透通道内部的压力损失的计算方式为：
Figure FDA0002797792710000023
上式中，l为反渗透渠道距离进水端口的长度，PRO为反渗透通道的压降，μ为摩擦系数，ρf为流体密度，DRO为反渗透通道进水口的等效直径，VRO为反渗透通道内轴向流速；
反渗透通道中不同位置处海水浓度计算方式如下：
Figure FDA0002797792710000031
上式中，CROsalt为反渗透通道中海水侧固体颗粒物浓度，CROfresh为反渗透通道中淡水侧固体颗粒物浓度，vp为局部渗透通量，HRO为进给间隔槽的高度；
轴向流速VRO在反渗透通道中的变化如下：
Figure FDA0002797792710000032
上式中，当l＝0时，VRO等于海水进水口流速(m/s)，当l＝LN时，VRO等于盐水出水口流速(m/s)；
步骤2.2、运行边界条件包括运行过程中储水罐水位、输出淡水盐度、输出盐水浓度、浓差极化参数、设备安全运行压力、进料流速及储水罐液位边界，具体如下：
hst(24)＝hst(0) (13)；
上式中，hst(0)为第0小时的储罐水位，hst(24)为第24小时的储罐水位；
Figure FDA0002797792710000033
上式中，Cfresh为输出淡水盐浓度，CfreshN为输出淡水盐浓度最大限度值，Csalt为盐水浓度值，CsaltN为盐水浓度最大限度值，
Figure FDA0002797792710000034
为浓差极化，Pinmin为反渗透通道的进料压力最小值，Pinmax为反渗透通道的进料压力最大值，VROmin为膜输入轴向速度最小值，VROmax为膜输入轴向速度最大值，hstmin为储水罐水位最小值，hstmax为储水罐水位最大值。
5.根据权利要求2所述的一种反渗透海水淡化系统的建模方法，其特征在于，步骤3的过程如下：
以最低所述运营成本模型为目标函数，以所述动态运行模型、运行边界条件为约束条件构建反渗透海水淡化系统的模型，所述目标函数为：
Figure FDA0002797792710000041
上式中，LBC、SMC为海水反渗透系统的劳动力成本、系统维护成本；
所述约束条件为公式(10)-(14)。
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