（化学工程专业论文）考虑能量集成与柔性的用水网络设计方法研究.pdf

j ! i j ! ! 一 摘要 水和能量在过程工业的发展中占有极其重要的地位。水是可持续发展的关键因素， 并将成为2 l 世纪全球资源和环境的首要问题。目前能量集成技术相对比较成熟，已经 在实际过程工业中得到了较为广泛的应用。质量集成技术起步较晚，但在理论研究上 也取得了一定的进展。而水网络是一种特殊的质量交换网络，由于水资源的逐年匮乏 和环境污染的日趋严重，水网络的研究引起了普遍关注。但在水网络设计中同时考虑 能量集成却很少见报道，并且现有的研究方法仅限于单杂质系统，能量集成仅局限于 水网络内，同时并没有实现真正意义上的用水与用能同时最小化；并且在水网络的设 计中没有考虑柔性分析，不一定能够保证水网络结构的稳定性。在这种背景下，本论 文对多杂质系统考虑能量集成和柔性的用水网络的优化设计进行了尝试。在全面分析 水网络集成和能量集成以及过程工业柔性分析的研究现状和发展趋势基础上，对其过 程集成方法进行了深入的研究，以期对过程工业的节水、节能提供一定的理论指导。 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 对于过程工业中用水和用能同时最小化的多蟊标优化问题，本文采用目标分层法 的思想进行优化，即分步优化法。首先把用水量最小化看作重要的目标，用夹点 分析法或数学规划法求解优化的水网络结构：然后在这一目标的最优解下进行全 过程系统的能量集成，最后求得考虑能量集成豹优化的用水网络结构。该方法不 仅可以应用于单杂质系统，也可以应用于多杂质系统；且能量集成不局限于水网 络内，可以在整个过程系统中进行，使能量的综合利用更加合理。采用文献上的 实例进行了验证。 ( 2 ) 以上用水与用能分步优化的设计方法，通常不能保证实现真正意义上的用水与用 能同时最小化。数学规划因具有同步优化和同时处理多目标权衡的优点成为同步 设计的有效方法。由于工业生产中水网络和能量网络之间存在着交互性，且考虑 能量集成的水网络设计数学规模较大，因此水网络设计中用水与用能同时最小化 成为研究的难点和热点。本文在以上分步优化方法的基础上，利用数学规划，以 系统用水与用能的总费用为目标函数，将多目标优化问题转化为单目标优化问 题，利用进化算法一模拟退火和遗传算法的混合算法在较大的一个范围内搜索， 实现用水与用能的同步优化设计。该方法同样可以用于多杂质系统，也是该方法 的特点之一，且能量集成可以在全过程系统内进行，与分步设计法的优化结果比 摘要 较说明同步优化设计法是更为准确和有效的。 ( 3 ) 为了求解用水网络优化设计所形成的非凸n l p 问题或混合整数n l p 问题，本文 开发了自适应模拟退火遗传算法，为了提高运算速率，减小运算规模，在多杂质 水网络设计这一问题上，对该算法的评价函数进行了改进，即在保证准确的基础 上尽量减少变量的维数。它克服了确定性算法由于数值奇异找不到可行解而收敛 困难或容易陷入局部最优的局限性，自适应调整步长和温降的策略提高了算法的 运算速度和稳定性，并且遗传算法的加入弥补了其内层由于具有历史遗忘性难以 实现全局优化的不足。经过对非凸n l p 问题的测试，表明该算法在收敛速度、 以更大概率获得全局最优解方面具有良好的性能。该算法与用于能量集成的遗传 模拟退火算法的结合应用，使过程工业用水与用能实现同步优化设计成为可能。 ( 4 ) 在水网络设计中考虑能量集成的基础上，对现有水网络进行了柔性分析；或者在 水网络的设计中考虑柔性设计，以保证在水网络操作参数发生变化时，水网络结 构具有一定的稳定性，使水网络的设计更接近实际过程工业的需要。 关键词：用水：用能；最小化：同步设计：自适应模拟退火遗传算法：柔性分析 与设计 些! 坐篁! a b s t r a c t e f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi st h ek e yf a c t o ro fs u s t m n a b l ed e v e l o p m e n ti n p r o c e s si n d u s t r i e s ，i ti sa l s oa l li m p o r t a n t s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o b l e m n e e d e dt ob es o l v e d i ns y s t e m se n g i n e e r i n ga c a d e m i cr e s e a r c h n o we n e r g yi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yi sm o r em a t u r e ， a n dh a sb e e na p p l i e di n p r o c e s si n d u s t r i e sw i d e l y m a s si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yr i s e sj u s t r e c e n t l y , a n dh a ss o m ei m p r o v e m e n t si nt h e o r y w a t e rn e t w o r ki s ak i n do fs p e c i a lm a s s e x c h a n g e rn e t w o r k ，a n dh a sb e e ng i v e nm o r ea t t e n t i o n b u tt h ea v a i b l em e n o d sa r eo n l y s u i t a b l et os i n g l e c o n t a m i n a n ts y s t e m ，a n dh a v es o m es i m p l i f i e dt r e a t m e n t s ，t h e yc a nn o tb e a p p l i e dt om u l t i c o n t a m i n a n ts y s t e mw h i c ha l w a y se x i s t si nc o m m o nr e a l i t y a n do n l yu t i l i t y c o s ti sc o n e e m e di ne n e r g yi n t e g r a t i o no fw a t e rn e t w o r k ，e x c h a n g e ra r e aa n d s e t t i n gc o s ta r e i g n o r e d ，s i m u l t a n e o u s l ye n e r g yi n t e g r a t i o nc a nb ed o n eo n l yi nw a t e rn e t w o r k ，t h e i rm e t h o d s d o n o tr e a l i z e g e n u i n e s i m u l t a n e o u si r t i n i m u mo fw a t e ra n d e n e r g y a n dt h ef l e x i b i l i t y a n a l y s i sa n dd e s i g ni sn o tc o n s i d e r e di nw a t e rn e t w o r k i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c h e sh a v eb e e n d o n ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a st ot h em u l t i p l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi np r o c e s si n d u s l r y ，t h i s a r t i c l eu s e st h es t e p w i s ed e s i g nm e t h o d w h i c h d e p a r t st h eo p t i m a lp r o b l e m i n t ot w o s t a g e s i ns t a g eo n e ，t h ew a t e rp i n c hm e t h o do rm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o di su s e dt o m i n i m i z et h ef r e s h w a t e rf l o w r a t e i ns t a g et w o ，t h ee n e r g yi n t e g r a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e r t h em i n i m u mf r e s h w a t e rf l o w r a t e t h em e t h o di ss u i t a b l eb o t hf o rs i n g l ec o n t a m i n a n ta n d m u l t i p l ec o n t a m i n a n t ss y s t e m s t h ei n t e g r a t i o no fe n e r g yc a nb ec a r r i e dt h r o u g ht o t a l p r o c e s ss y s t e mb e y o n d t h ew a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r k ，ac a s e0 nl i t e r a t u r ei sv a l i d a t e d ， ( 2 ) s t e p w i s ed e s i g nm e t h o do f m j n j r n u n lw a t e ra n de n e r g yd o e sn o tr e a c ht h es i m u l t a p e o u s m i n i m i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi nr e a l i t y m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o di sa p o w e r f u l t o o lt o p e r f o r m s i m u l t a n e o u s d e s i g n b e c a u s ei th a st h e a d v a n t a g e o f s i m u l t a n e o u s o p t i m i z a t i o n a n d d e a l i n g w i t h m u l t i p l eo b j e c t i v e st o g e t h e r a sw a t e r n e t w o r ka n d e n e r g yn e t w o r k i sa l t e r n a t ei np r o c e s si n d u s t r i e s ，a n dm a t h e m a t i c a ls c a l eo f w a t e rn e t w o r k i n v o l v i n ge n e r g yi n t e g r a t i o n i s l a r g e ，s o s i m u l t a n e o u s d e s i g n o f o p t i m i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi sd i f f i c u l ta n di m p o r t a n tb a s e do nt h es t u d yo ft h e s t e p w i s ed e s i g nm e t h o d ，t h es i m u l t a n e o u sm i n i m u mo fw a t e ra n de n e r g yi sr e a c h e db y t h e a d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m t h ec o n t r a s to fc a s es t u d yw i t h s t e p w i s ed e s i g nm e t h o di n d i c a t e st h a tt h es i m u l t a n e o u sd e s i g nm e t h o di se f f i c i e n t a b s t r a c t ( 3 ) f o rt h el a r g e n o n ；c o n v e xn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ( n l p ) o rm i x e di n t e g e rn o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ( m i n l p ) c a u s e db yo p t i m i z a t i o no f w a t e r a n d e n e r g y , a na d a p t i v es i m u l a t e d a n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( a s a g a ) i sd e v e l o p e d i n t h i s p a p e r t h es t r a t e g yo f a d j u s t i n gs t e ps i z ea n dt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n ga d a p t i v e l yr a i s e st h es p e e da n dt h ea b i l i t y t of i n dg l o b a lo p t i m t t m 、i t hah i g h e rp r o b a b i l i t y a n dg e n e t i ca l g o r i t h me m b e di nt h e i n n e ro f a d a p t i v e s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h mc o m p e n s a t e s t h e d e f i c i e n c y t h a t s i m u l a t e da n n e a l i n gi sd i f f i c u l tt op e r f o r mg l o b a lo p t i m i z a t i o nb e c a u s eo fi t s m i s s i n gf o r a g oi n f o r m a t i o n t e s to ff u n c t i o n so fn o n - c o n v e xn l ps h o wt h eh y b r i da l g o r i t h mh a s g o o dc a p a b i l i t yi nc o n v e r g e n c es p e e da n df m d i n gt h eg l o b a lo p t i m u m t h ec o m b i n a t i o n o ft h i sa l g o r i t h ma n dg e n e t i ca l g o r i t h ma n ds i m u l a t e da n n e a l i n g ( g a s a ) u s e df o re n e r g y i n t e g r a t i o nm a k e st h es i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o no f w a t e ra n de n e r g yi np r o c e s si n d u s t r i e s c o m e st or e a l i t y ( 4 ) i no r d e rt om a k ew a t e rn e t w o r ks t r u c t u r em o r es t a b l e ，f l e x i b i l i t ya n a l y s i sa n dd e s i g na r e c o n s i d e r e di nw a t e rn e t w o r k ，i no r d e rt om a k ew a t e rn e t w o r k m o r er e a s o n a b l ei n a p p l i c a t i o no f p r o c e s si n d u s t r i e s k e y w o r d s w a t e r ；e n e r g y ；m i n i m i z a t i o n ；s i m u l t a n e o u sd e s i g n ；a s a g a ； f l e x i b i l i t ya n a l y s i sa n dd e s i g n 1 引言 随着环境问题的凸现和扩大化，人类终于认识到：如果征服自然时构造的各种“人 造系统”不与自然系统协调发展，后果将不堪设想。这一反思结果的集中体现是2 0 世纪 7 0 年代末期“可持续发展”概念的提出，其中水资源短缺和污染问题已严重制约了经济 和社会的发展。 有预言说：未来世界危机很可能是争夺淡水。 4 月2 2 日是地球日。2 0 0 3 年地球日的主题是“生命之水，未来之水”。设在美国华 盛顿的“地球日工作网”最新公布了世界水现状的1 0 个事实：地球上所有的水中，只有 2 5 是淡水。 全球4 0 的人口得不到安全的饮用水。 全球8 0 的疾病与劣质饮用水有关。 全球1 3 的家庭必须到家外去打水。现在，东非的女孩和女人们从家到打水的地方 平均要走2 1 分钟。 地球上的可饮用水正在面临枯竭。到2 0 2 5 年，最贫困的国家中有半数将面临严重 的水资源短缺。 农业污染、工业污染和矿业废物导致全球范围内的蓄水层( 含水土层) 遭到累积污 染。 全球8 0 的森林遭到破坏，导致世界水储备总量急剧下降。 水资源管理不善，已经导致环境退化、自然资源不可恢复性损害，这使得边远地区 民生更加艰难。 水资源浪费，尤其是农业综合企业的水资源浪费，已经明显耗尽了全球的水资源。 一次马桶冲水冲掉的水，是一个发展中国家的人一整天饮用水、做饭用水、洗涤用水和 清洁卫生用水的总量。浪费导致了水资源危机，呼吁良好的淡水管理措旎出台。 全球变暖带来的海平面提高和季节模式变更，正在加剧着淡水资源危机。 在水资源短缺日益严重的同时，世界上对能源的需求量也在不断上升，随着越来越 多的人口由农业转向工业，这种需求量还将以惊人的速度继续扩大。同时，由于能源的 过度消耗而带来的c 0 2 与n o x 的排放量急剧增加，造成的环境问题越来越引起世界各国 的关注，节约能源己成为整个社会日益关心懿问题，也是过程工业可持续发展的前提。 1 1 人类社会面临水资源和能源的双重危机 6 月5 日是世界环境日，2 0 0 3 年环境日的主题是：“水2 1 世纪2 0 亿人生命之所系。” 大连理工大学博士学位论文 水资源和能源在过程工业的发展中占有极为重要的地位，是人类赖以生存和发展的 重要资源。水资源和能源的能否可持续利用直接关系到我国可持续发展战略的实施，也 是系统工程学的发展所面临的新的重大科技问题。 我国的水资源短缺由来已久。从历史上来看，我国是干旱发生频繁的国家，素有“十 年九旱”之说。在2 2 0 0 多年的历史文献记载中，发生大的旱灾就达1 3 0 0 次之多。我国 水资源人均占有量只有2 3 0 0 立方米左右，约为世界人均水量的四分之一。建国以来，随 着人口增加和经济的发展，社会各部门用水量不断增加。据水利部9 4 年统计，农村用水 从1 9 5 0 年的1 2 0 0 亿m 3 增长到1 9 9 3 年的4 0 0 0 多亿m 3 ，工业用水从5 0 亿m 3 左右增加 到5 0 0 0 0 多亿m 3 左右。国民经济各部门对水的需求不断增长，水资源供需矛盾日趋突 出，缺水问题越来越严重。我国水资源不仅人均占有量少，而且水资源分布极不均匀， 长江以北水系流域面积占国土面积的6 3 5 ，水资源却占全国的1 9 。随着我国社会和 经济的发展。水的缺口也越来越大。目前我国农业灌溉每年平均缺水3 0 0 多亿立方米， 全国农村还有3 0 0 0 多万人饮水困难。全国有4 0 0 多个城市缺水，缺水比较严重的城市有 1 1 0 多个，全国城市臼缺水量为1 6 0 0 万立方米，每年因为缺水影响工业产值2 0 0 0 亿元 以上，影响城市人口约4 0 0 0 万人。 除了我国，世界上还有很多国家和地区存在严重缺水问题。联合国水资源大会指出： “我们正进入一个新的水资源紧缺时代”。1 9 7 2 年的联合国人类环境会议和1 9 7 7 年的联 合国水事会议就曾向全世界警告：“水不久将成为一项严重的社会危机，石油危机之后的 下一个危机就是水”。 相对于水资源的缺乏问题，目前能源方面也存在比较严重的问题，主要体现在以 下四个方面：第一，能量消费急剧增长。改革开放以来，经济的高速发展，各种能源消 费急剧增长，呈几十倍，上百倍的速度增长。如1 9 5 3 1 9 9 5 年的4 0 多年时间内，我国人 口、经济总量和能源消费量的增长倍数是：人口增长l 倍：国民经济总量增长2 4 倍；煤 炭增长1 8 倍；石油增长1 4 4 倍，可以看出能源消费增长大于经济增长，经济增长又大于 人口增长。第二，能量利用率大大低于经济发达国家。目前，日本、美国、德国的能源 i 引言 利用率分别高达5 7 、5 0 和4 0 ，全球平均值也高达3 3 ，而我国只有3 2 ，比以上 = - - n 分别低2 5 、1 8 、8 。我国能源利用率低，意味着产品单耗高。我国的单位能源 所创造的产值是非常低的。日本、法国、韩国、印度和世界平均值分别是我国的1 5 5 、9 、 4 3 、2 和5 1 7 倍。第三，我国的能源入均占有量很低。我国入口众多，故能源资源相对 匮乏。如今已探明的煤炭储量仅占世界总储量的1 1 ，原油仅占1 0 ，而天然气只占9 左右。人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，其中石油仅占世界平均值的1 1 0 。 第四，我国的能源结构特点是“以煤为主”。在我国的能源消费总量中煤炭仍占7 3 左右，而优质能源一石油、天然气、水电只占2 6 左右。从以上我国能源消费速度、能 源利用率、能源资源人均占有量及能源结构等方面，我们可以看出采取各种措施节约能 源是我国现代化建设中的重大问题。 1 2 节水节能是可持续发展的必然选择嘲 水是人类和地球上一切生物生存环境的最重要支撑，也是人类社会及其经济活动发 展中的重要因素。为创造一个可持续发展的人类社会、经济和生存环境，其必要条件之 一就是寻找一个能使水资源的开发利用得以持续不断的道路。由予过去人们的漫不经心， 认为水的得来甚易，到处皆是，于是在开发利用水资源中就出现浪费，需水量的增长十 分迅速，并首先在一些水资源条件脆弱地区出现了水危机。发展到现在i 供水量常落后 于需水的要求，人们开始探讨水资源可持续利用的途径。1 9 9 2 年在爱尔兰都柏林召开的 国际水与环境会议上发表的都柏林声明，开宗明义的一句话就是：“淡水紧缺和使用 不当，对持续发展和环境保护构成了严重且不断增长的威胁”，并且认为出路只有“采取 根本的、新的途径去评价、开发和管理淡水资源”“。也就是说人类必须要找寻一条可 以持续性地开发、利用水资源的正确途径，才能保证人类社会和人类生存环境的持续发 展。在这种认识基础上，节约用水则是目前必须得以保证的做法。 节约用水就是提高水的利用效率，减少浪费，协调水资源与社会、经济、环境关系 的行动。水资源的节约工作不应只看成是缓和城市供水紧张局面的权宜之计，而应该看 成是今后必须长期坚持的一项合理用水资源和减轻生态环境压力的战略对策。长期以来， 大连理工大学博士学位论文 在解决水资源供需矛盾的做法上往往是“重开源轻节流”，使水资源的浪费十分严重。 对于我国来说，工业产品单位耗水量大大超过国外同类产品的水平：现行农业用水定额 过高，灌溉技术落后，主要仍为漫灌和串灌等。节水并不主要是采取限制用水，而是应 大力提倡合理用水和高效率用水。建立节水型的工农业生产体系，坚持一水多用，重复 用水，充分挖掘节约用水的潜力；开展节水技术的研究，推行“清洁生产”：并根据用水 单元的水质要求，实行分质供水，贯彻居民饮用和生活优先重点保证工业用水和照顾农 业用水的总原则，制定出用水的科学方案，确定不同来水条件下的分配原则，实现水资 源综合利用的经济最优化管理。搞好节流工作还可相应地减少污水排放量，减轻对水生 态环境的压力。 能源是国民经济中非常重要的资源。生产和生活中每时每刻都在消耗着各种能源， 离开了能源的消耗，人们将寸步难行，社会发展将停滞不前。在太阳能、风能、地热能、 核聚变能、海洋能等可再生的新能源成为人类常规能源之前，我们目前消耗的是煤炭、 石油、天然气等三大常规能源资源。这些常规能源在地球上的储量是有限的，用掉一点， 就会少一点。按照目前的消耗速度，这些常规资源只能用六七十年，到2 1 世纪的中、后 期，将消耗殆尽，后果不堪设想。为了延缓这一情景的出现，必须用可持续发展的观点 来对待能源问题，既要满足当代人的基本物质文化需求，又不危害子孙后代的生存和发 展的需要。 1 3 我国节水节能存在的问题 我国节水节能存在的主要问题如下： ( 1 ) 开发利用缺乏统筹安排，管理机构和体制不完善 长期以来，我国存在着“多龙治水”的现象：水乖j 部门管水量，环保部门管水质： 地质部门管地下水，水电部门管地表水：生产部门管用水，市政部门管排水。这就割断 了水生产过程的内在经济运行的统一性和连贯性。这种管理体制存在各行其是、各为其 政的弊病，严重影响了水资源的综合开发利用和水资源质量保护工作。而能源的开采和 利用也和水资源一样存在着这一问题。 1 引言 ( 2 ) 投入不足，缺少经济和技术方面的保证 节水节能工作面广量大、情况复杂多样，需要大量投入和一定的先进技术。如工业 用水，一般可分成冷却用水、锅炉用水、洗涤用水、工艺用水等，节水的关键是将以上 用水过程采用质量集成技术提高水的回用率，以减少用水量，这样就需要更新改造用水 设备，有的甚至要改变工艺过程。这就需要大量的投入，而且随着节水量的加大、用水 重复利用率的提高，企业节水投资会愈来愈大，技术要求也愈来愈高。在存在巨大节能 潜力的锅炉、工业炉窑节能改造中，要采用炉型改造、优质能源代替固体能源、改进炉 窑的控制手段等方案，对企业在经济上、技术上都提出了比较高的要求实施起来存在 比较大的困难。而目前我国水费和能源费用标准都偏低也给节水节能工作造成了一定的 障碍。 ( 3 ) 现有工业设备设计和管理带来的障碍 在一些企业特别是建厂较早的企业，在最初设计时对于节能节水方面根本没有系统 地考虑。能源方面主要是使用固体能源以煤为主，而且能源利用率低。而用水方面只考 虑了上水道、下水道，而未考虑中水道，这就给进行改造时考虑中水回用的设计带来了 诸多不便，另外企业没有按照生产过程中各工艺对水质和水温的要求不同，把水分成 几个等级，串联起来逐级使用，实现一水多用，这样就造成了大量的水源浪费。 ( 4 ) 缺乏完善节水节能工作的有关法规、政策体系 、 耳前很多城市往往将节水节能作为解决其水和能量资源的供需矛盾的权宜之计。当 这种供需矛盾稍有缓和，则开始放松，不能做到持之以恒。没有强有力的法令法规保证 节水节能工作的长期性、持续性，势必造成节水节能工作的不彻底。而对于些目前尚 未出现水和能量资源供需矛盾的城市，很多人还认为这些资源取之不尽、用之不竭，根 本就没有节水节能的意识，没有相关政策的影响，很难做到主动节水节能。 1 4 节水节能的措施 节水主要可以从以下几个方面考虑“1 ： ( 1 ) 加强水资源的统一管理，完善管理体制和管理组织机构； 大连理工大学博士学位论文 ( 2 ) 树立水环境有偿使用的观点，运用经济杠杆实行水环境资源的科学管理； ( 3 ) 加强水资源的评价和估算工作，研究水环境资源管理模式，搞好水资源的划分工 作； ( 4 ) 广泛开展水资源的开源节流工作，坚持一水多用，重复用水； ( 5 ) 全面实行排放水污染物总量控制，推行许可证制度，实行水量与水质并重管理。 节能的措施主要有以下几条： ( 1 ) 优化国民经济中的产业结构，减少耗能多的第一产业，加大第三产业的比重； ( 2 ) 优化能源结构，提高能源利用率； ( 3 ) 发展国际贸易，利用外国能源资源： ( 4 ) 大力开展全国耗能大户的节能工作，主要是冶金行业、机械行业、锅炉、工业炉 窑等。 1 5 论文选题的意义和主要研究内容 。 1 5 1 论文选题的背景和意义 水和能源的危机已经引起了世界的普遍关注。它不仅在很大程度上影响社会经济的 发展，而且直接关系到人类的生存环境和自身的发展。如何积极有效地解决这两个危机 成为刻不容缓的问题。水资源和能源的高效利用本质上是一个过程系统集成问题，必须 应用系统工程的原理和方法才能有效地解决水和能量的综合利用问题。能量集成和质量 集成技术在过程工业节水节能中取得了很大的成就嘲，尤其是能量集成技术的研究相对 比较成熟，但质量集成以及水网络的集成技术还很不成熟，距离实际应用还有很大的差 距，从理论和实践上都有待于进一步的发展与完善。从2 0 世纪9 0 年代开始水网络的研 究日益受到重视，但在水网络的设计中很少同时考虑能量集成，基本上是将能量集成和 水网络集成分别独立地进行，并没有将两者作为一个交叉性和互动性的网络整体来进行 研究。然而在工业操作系统中，许多情况下必须考虑水的温度。在多数情况下，水主要 用来作为分离剂，即水用来移去过程流股中的杂质，通过操作系统后由新鲜水变为废水。 同时水作为分离剂时其平衡关系是温度的函数，与能量之间有很强的交互作用，温度的 1 引言 高低影响分离效果；同样对于消毒、净化等一些过程，水需要被加热，水温是很重要的， 等同于水的品质。同时过程工业中许多加热和冷却过程的能量交换都是以水( 水蒸气和 冷却水) 为载体的。比如，循环利用水蒸气和冷却水就可同时减少水和能量的消耗，节 能的同时也可以减少水资源的消耗；锅炉用水的水质情况必然会影响换热器的熟交换性 能，高效的换热网络又会同时节约新鲜水用量；合理的换热网络结构会减少公用工程的 消耗，相应地减少了水资源的消耗，而合理的水网络结构会对能量网络结构产生直接影 响，相应地也就可以提高能量的利用效率，所以说在工业生产中水网络和能量网络之间 存在着不可分割的必然联系”7 “”1 。以此为出发点，本文对具有能量集成的用水网络采 用分步法进行优化设计，以同时减少水和能量的消耗，但是这种分步设计方法并不能保 证一定能够实现用水与用能的同时最小化，所以对用水与用能同时最小化的同步设计进 行研究是发展的趋势和必然的选择，并且开发求解用水与用能同步优化问题的求解算法 是十分必要的。另外，由于经济全球化、市场迅速变化和激烈的国际竞争，以及环境条 件和设备状况的变化，过程系统面i 临多种不同的工况，必须适应多种变化工况，并同时 保持优化的物耗和能耗状况。因此，必须对过程系统中的不确定参数加以足够的重视， 即对系统进行柔性分析。因为不确定参数的波动可能使实际工况远离设计工况，致使系 统的操作不能很好地满足生产过程的约柬条件，仅仅基于某个固定工况的生产过程优化 设计在实际生产过程中往往不能有效运用。由于水网络的操作中水流量和水质等许多不 确定因素存在，因此对水网络进行柔性分析是十分必要的。柔性分析是针对过程系统的 适用性，优化费用和操作特性而展开的工作，它涉及到的问题在建模优化和数学求解过 程中有相当的难度，迄今为止，还处于理论研究阶段。这主要是由于模型简化过多，求 解相当困难。柔性分析在精馏塔设计和换热网络中进行了较为系统的理论研究，如何结 合水网络的特点，将柔性分析的理论成功地应用于水网络的设计中，并能有效地解决实 际问题，是水网络设计研究中的一个新进展。论文遵循以上的总体思路，首先对具有能 量集成的用水网络进行分步优化设计，该方法应用于过程实际中简单易行、实用性强。 以此为基础，对具有能量集成的用水网络同步设计的难点问题进行了深入研究，以期达 大连理工大学博士学位论文 到真正意义上的用水与用能的同时最小化。并结合水网络的特点，提出了求解非凸非线 性规划和混合整数非线性规划的自适应模拟退火遗传算法。对水网络设计中的柔性分析 方法进行研究，使水网络的设计更加合理有效，提出了水网络设计柔性分析的一种系统 化方法。 1 5 2 论文的组织结构 论文的组织结构如图1 1 所示。 图1 1 论文的组织结构 f i g u r e l ic o n s t r u c t i o no f t h ep a p e r 1 引言 1 5 3 论文的主要研究内容 过程系统集成的总体发展过程是从换热网络集成到质量交换网络集成，水网络是一 种特殊的质量交换网络，水网络中杂质的传递类比于质量交换网络中杂质的传递。目前 国内外基本上是将热交换网络和水网络分别独立地进行研究，水网络的研究方法基本上 类比于热交换网络。以此为出发点，本文在分析水网络和能量网络相互作用的基础上， 将用水最小化和用能最小化同时进行综合集成。本文所做的深入研究将对过程工业具有 能量集成的用水网络优化设计和水网络的柔性分析起到更好的理论指导作用。具体内容 如下： 第2 章系统阐述了水网络综合的概念和方法以及水网络集成的研究进展。重点论述 了具有能量集成的用水网络的研究进展情况，以及研究中存在的问题，便于对其进行深 入的研究。 第3 章对具有能量集成的用水网络分步设计方法进行研究。首先把用水量最小化看 作重要的目标，用夹点分析法或数学规划法求解优化的水网络结构；然后在这一目标的 最优解下进行全过程系统的能量集成，最后求得具有能量集成的优化的用水网络结构。 该方法不仅可以应用于单杂质系统，也可以应用于多杂质系统；且能量集成不局限于水 网络内，可以在整个过程系统中进行，使能量的综合利用更加合理。 第4 章对具有能量集成的用水网络同步设计方法的难点问题进行研究。本文在以上 分步优化方法的基础上，利用数学规划，将水网络和能量网络进行集成，以用水与用能 的总费用为目标函数，将多目标优化问题转化为单目标优化问题，利用进化算法一模拟 退火和遗传算法的混合算法在较大的一个范围内的搜索，实现用水与用能的同时最小化。 该方法同样可以用于多杂质系统，且能量集成可以在全过程系统内进行。与分步设计法 相比同步设计方法更为合理和有效。 第5 章针对上述具有能量集成的用水网络同步设计所形成的非凸n l p 和m i n l p 问题，结合水网络集成的特点，开发了自适应模拟退火遗传算法，并对其性能进行测试， 验证其有效性。 查堕望三查堂堡主堂垡丝苎 第6 章阐述了化工过程系统柔性分析研究进展及存在的问题，概述了柔性分析的方 法，以及各种方法的优缺点，以便更好地开展水网络的柔性分析研究。 第7 章将柔性分析的思想用于水网络的设计中，对用水网络和包含处理过程的水网 络进行了柔性分析方法研究；同时对考虑柔性的水网络设计进行了研究，使水网络的优 化设计更加合理有效。 论文最后汇总了主要结论，并提出了进一步研究的方向。 参考文献 l中国2 l 世纪议程1 9 9 6 6 2 中华人民共和国可持续发展国家报告1 9 9 7 6 3i c w e t h ed u b l i ns t a t e m e n ta n dr e p o no f t h ec o n f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nt h ew a t e ra n d e n v i r o n m e n t d e v e l o p m e m i s s u e s f o r t h e2 1 c e n t u r y , d u b l i n ：1 9 9 2 4 朱泽华，胡跃华提高工业水重复利用率分析及措施化工进展，2 0 0 3 ，2 2 ( 3 ) ：3 0 3 3 0 5 5 李英，樊希山，姚平经乙腈萃取精馏法生产t - - 烯节能节水研究现代化工，2 0 0 2 ，2 2 ( 增刊) ： 1 4 3 1 4 6 6s a v u l e s c ul e ，s m i t hr s i m u l t a n e o u se n e r g ya n dw a t e rm i n i m i z a t i o n a i c h ea n n u a lm e e t i n g , m i a m i ， 1 9 9 8 ， 7 b a g a j e w i c zm j ，s a v e l s k imj e n e r g ye f f i c i e n tw a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e m si np r o c e s sp l a n t s ，c o m p u t e r s a n dc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 6 ( 1 ) ：5 9 7 9 8 z h e n g xs ，f e nxa n dc a nd l d e s i g nw a m r a l l o c a t i o nn e t w o r kw i t hm i n i m u mf r e s h w a t e ra n d e n e r g y c o n s u m p t i o n 8 4l m e m a t i o n a ls y m p o s i u m o np r o c e s ss y s t e m s e n g i n e e r i n g k t m m i n g ，2 0 0 3 ，3 8 8 - 3 9 3 9d uj i a n ，y uh o n g m e i ，f a nx i s h a na n dy a op i n g ；i n g ，i n t e r a t i o no fm a s sa n de n e r g yi nw a t e rn e t w o r k d e s i g n 8 “i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m o np r o c e s ss y s t e m s e n g i n e e r i n g k u n m i n g , 2 0 0 3 7 9 6 - 8 0 1 1 0 都健，孟小琼，樊希山，姚平经用能与用水同时最小化过程综合方法研究大连理工大学学 报，2 0 0 3 ，4 3 ( 2 ) ：1 4 1 1 4 6 ! 查坌翌壁塑壅堕查笙簦堕 一 第1 部分 2 水分配网络集成方法综述 2 1 过程集成技术的发展 过程集成( p r o c e s si n t e g r a t i o n ) 是8 0 年代发展起来的过程综合领域中一个最活跃 的分支，是从过程综合中发展起来的一个概念“3 。最初的过程集成是指从能量流的角度研 究过程系统的设计优化“1 ，在七十年代初第二次石油危机后得到了迅猛的发展。进入八 十年代后，过程集成的概念得到了扩展，不再仅仅局限于能量流的优化，而是泛指从系 统的角度进行设计优化，因此过程集成可看作是过程设计所采用的系统方法和策略，进 行过程综合、过程分析和过程优化的相互协调。最初系统综合只考虑物料的流程生成， 后来根据节能和减少污染的要求，必须将物料流、能量流及信息流加以综合集成来找到 理想的化工流程，所以过程集成就成了化工系统工程的研究热点。目前，过程集成技术 的研究非常活跃，无论在集成设计策略、集成设计方法及工具。还是在面向工业的实际 应用方面都渐趋成熟，已对工业部门产生了重大影响，这可以从以下几个方面看出。1 ： ( 1 ) 已经促使许多过程工业生产节能降耗，产生了明显的经济效益。例如：过程集 成中的夹点技术就已在世界范围内应用了2 5 0 0 多个项目，对老厂改造可节省操作费 2 0 5 0 ，投资回收期一年左右；对新厂设计比传统方法节省投资1 0 2 0 ，操作费用 节省3 0 5 0 。 ( 2 ) 促进化工生产更好地满足可持续发展要求。通过过程集成可以使工业用水量显 著下降，因而减少废水处理负荷：可以减少c 0 2 、s 0 2 、n o , 的排放，降低温室效应。例如 德国b a s f 公司8 0 年代初开始推广夹点技术，到1 9 8 8 年已使c o ：排放减少2 1 8 t h ，s 毡 减少1 4 t h ，n o ：减少0 7 t h ，废水排放减少7 0 t h 。 ( 3 ) 促进过程工业公司将过去分散孤立的工艺装置综合集成为水资源、能源综合利 用的整体，使得资源得到更台理的利用，公司整体效益明显提高。 过程集成策略包括分步设计策略和同步设计策略“1 。分步设计策略基于这样的事实： 化工过程是一个由反应、分离及再循环系统、换热网络和公用工程等子