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基于遗传算法的海水淡化系统的优化设计 基于遗传算法的海水淡化系统的优化设计 摘要 海水淡化技术是解决当今永资源匮乏的重要手段，目前，全世界淡化水日产 量约4 0 0 0 万立方米，解决了1 亿多人口( 世界人口的1 4 0 ) 的供水问题。经过 半个多世纪的发展，海水淡化技术已经比较成熟，大规模地把海水变成淡水，已 遍布世界各地。但制约其进一步推广应用的瓶颈是淡化水的成本高，缺乏竞争性， 因此降低海水淡化的能耗是当前面临的一大课题。 遗传算法是一种随机优化算法，其操作对象是问题参数的编码，即染色体， 而不是参数本身，它能够从较大范围内进行搜索，容易得到全局最优解。本文针 对海水淡化系统优化设计问题，对传统的遗传算法进行了改进，提出了混合编码 的遗传算法，即整数编码和实数编码相结合，同时对交叉和变异等遗传算子进行 了改进，采用v i s u a lc h 6 0 程序来实现。 对多级闪蒸( m s f ) 海水淡化过程进行了研究，考虑了带有盐水循环的多级 闪蒸海水淡化系统，引入了闪蒸级数、补充海水与产品水的比率、循环盐水与进 料海水的比率三个参数。在此基础上将多级闪蒸海水淡化系统的优化设计表述为 一个混合整数非线性规划问题，建立了新的过程优化模型，以吨水费用最小为目 标，采用改进的遗传算法进行求解。实例研究表明：得到的吨水费用低于文献报 道值，结果合理，证明本文提出的数学模型是有效的、求解方法是可行的。同时， 本文又分析了蒸汽费用、能量费用对吨水费用的影响。 对反渗透( r o ) 海水淡化过程进行了研究，首先给出了单元模型和相关的 经济模型。通过相关的变量将这些模型相互关联，组成系统模型。将膜组件分为 高脱盐膜、高通量膜、普通膜、低脱盐膜四种类型，以吨水费用最小为目标，在 满足热力学、设备选型、设计要求等约束的条件下，系统的设计问题可表达为一 个混合整数非线性规划。当产品水的设计要求不同，进料水浓度不同时，采用本 文的设计方法可得出最优设计方案。 对m s f r o 和r o - m s f 海水淡化集成系统进行了研究，m s f - r o 是把多级 闪蒸过程的排浓盐水作为反渗透过程的进料水，r o - m s f 是把反渗透过程的排浓 中国海洋大学硕士学位论文 盐水作为多级闪蒸过程的进料水，两者所产淡水混合作为产品水。对m s f - r o 和r o - m s f 集成系统分别建立了数学模型，以吨水费用最小为目标，研弓毫了不 同的迸出口条件对吨水费用的影响。实例研究结果表明，对于给定的出口条件， 当进料海水浓度较低时，采用m s f - r o 集成系统产生淡水的吨水费用较低；当 进料海水浓度较高时，采用r o m s f 集成系统产生淡水的吨水费用较低。对于 给定的进料条件，当出口淡水浓度要求较低时，宜采用m s f o r o 集成系统；当 出口淡水浓度要求较高时，宜采用r o o m s f 集成系统。 关键词：海水淡化优化设计多级闪蒸反渗透集成 基于遗传算法的海永淡化系统的优化设计 t h eo p t i m a ld e s i g no fs e a w a t e rd e s a l i n a t i o ns y s t e mb a s e d o ng e n e t i ca l g o r i t h m a b s t r a c t s e a w a t e rd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yi st h em a i nm e a n so fs o l v i n gt h ep r o b l e mo f w a l c fs h o r t a g et o d a y , w o r l d ，a l 盯p r o d u c ti s4 0m i l l i o n d a i l y , i th a ss o l v e d1 0 0 m i l f i o n ( 1 4 0o ft h ew o r l dp o p u l a t i o n ) p e o p l e sw a t e rs u p p l y s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e ng r o w nu pt h r o u g hd e v e l o p m e n to fn e a r l yh a l fc e n t u r y , a n d s e a w a t e rd e s a l i n a t i o ni sg e t t i n gm o 他a n dm o r ep o p u l a r b u tt h eb o t t l e n e c ko ff u r t h e l p r o m o t e da n da p p l i e di st h eh i 曲c o s to fp r o d u c tw a t e ra n dl a c ko fc o m p e t e n c e ，s oi t i sa l li m p o r t a n ts i l 场e c tt od e c r e a s ee n e r g yc o n s u m p t i o no f s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h mi sar a n d o mo p t i m i z a t i o nm e t h o d , w h o s eo p e r a t i o no b j e c ti s t h ee n c o d i n go ft h ep a m m e t o r si nt h ep r o b l e m ，n a m e l yc h l o m o s o m e , n o tt h e p a r a m e t e ri t s e t ci t c a ns e a r c hi nal a r g es c a l ea n de a s yt og e tt h eg l o b a lo p t i m u m s o l u t i o n a g a i n s tt h eo p t i n 扭ld e s i g no fs e a w a t o rd e s a l i n a t i o ns y s t e m , t h i sp a p e r i m p r o v e st h ec o n v e n t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h m , p u t sf o r w a r dg e n e t i ca l g o r i t h mw i t h h y b r i de n c o d i n gw h i c hc o m b i n e si n t e g e rc o d e 、订也r e a lc o d e t h ec r o s s o v e ra n d m u t a t i o no p e r a t o r sa r em o d i f i e d , i ti ss o l v e db yv i s u a lc + 幅0p r o g r a m n 硷m u l t i - s t a g ef l a s h ( m s f ) s e a w a t e rd e s a l i n a t i o np r o c e s si ss t u d i e d , t h eb r i n e r e c y c l em s fs y s t e mi sc o n s i d e r e d , t h r e ep a r a m e t e r sa l ei n t r o d u c e dw h i c hi st h e n u m b e ro ft h eh e a tr e c o v e r ys t a g e t h er a t i ob 创：w e e nm a k e u p r a l e ra n dt h ep r o d u c t w a t e r , a n dt h er a t i ob e t w e c nt h er e c y c l eb r i n ea n dt h ef e e ds e a w a t e r , b a s e d0 1 1t h e t h r e e p a r a m e t e r s ，t h eo p t i m a ld e s i g no fm s fs e a w a t e r d e s a l i n a t i o n s y s t e mi s p r e s e n t e da sam i x e d i n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ( m i n l p ) t h en o v e lo p t i m u m m o d e lo ft h ep r o c e s si se s t a b l i s h e d , t h eo b j e c t i v ei st h em i n i m u mw a t e rc o s t , a n di ti s s o l v e db yi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h r n a ne x a m p l ei ss o l v e dt ot h eo p t i m a ld e s i g n a n d 山ew s 1 盯c o s to b t a i n e di s1 e s st h a nt h a ti nt h el i t c r a r u e ，t h er c s u h na r er e a s o n a b l e ， i t i sp r o v e dt h a tt h em o d e l si nt h i sp a p e ri se f f e c t i v ea n dt h es o l u t i o na p p r o a c hp u t n 中圈海洋大学硕士学位论文 f o r w a r di sf e a s i b l e t h ei n f l u e n c eo ft h es t e a mc o s ta n d e n e r g yc o s to nt h e 氇t e rc o s t i sa l s oa n a l y z e d r e v e r s eo s m o s i s ( r o ) s e a w a t e rd e s a l i n a t i o np r o c e s si ss t u d i e d ；t h ed e t a i l e d m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eu n i t sa n dt h er e l e v a n te c o n o r r t i cm o d e l sa r ci n t r o d u c e d t h ei n t e r d e p e n d e n c eo ft h ea b o v em o d e l sv i as o m e c o r r e s p o n d i n gv a r i a b l e s c o n s t i t u t e sas y s t e mm o d e l t h em e m b r a n em o d u l ec a nb ec l a s s i f i e df o rf o u rt y p f s ，i e h i g h e rs a l t - r e j e c t i o nm e m b r a n e ，h i g h - f l u xm e m b r a n e ，n o r m a l m e m b r a n e ，l o w e r s a l t - r e j e c t i o nm e m b r a n e , t a k i n gt h e 璃l c fc o s ta st h eo b j e c t i v e , t h ed e s i g no ft h e s y s t e mc a nb ep r e s e n t e da sam i x e d - i n t e g e rn o n - l i n e a rp r o g r a m m i n g ( m i n l p ) c o n s i d e r i n gt h e r m o d y m m i e ，t e c h n i c a la n df l e x i b i l i t yc o n s t r a i n t s d i f f e r e n to m 砌 d e s i g no p t i o n s a r eo b t a i n e df o rd i f f e r e n td e s i g ns p e c i f i c a t i o na n df e e dw a t e rq u a l i t y m s f - r oa n dr 0 - m s fh y b r i ds e a w a t e rd e s a l i n a t i o n s y s t e m sa r cs t u d i e d l m s f - r ot a k e st h er c j e c tb r i n eo ft h em s fp r o o e $ sa st h ef e e do ft h er op r o c e s s w h i l er 0 m s ft a k e st h e 蛹e c tb r i n eo ft h er op r o c e s sa st h ef e e do ft h em s f p r o c e s s ，t h em i x t u r eo ft h er oa n dm s fp r o d u c tc o m b i n e si n t ot h ep r o d u c tw a t e r m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r cd e v e l o p e df o rt h et w oh y b r i ds y s t e m s ，t a k i d gt h em i n i m u m w a t j h e n s ta st h eo b j e c t i v e ，i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf e e da n do u t p u tc o n d i t i o no nt h e w a t e rc o s ti ss t u d i e a r e s a l l t ss h o wt h a tg i v e nt h eo u t p u tc o n d i t i o n , w h e nt h ef e e d c o n c e n w 缸i o ni s l o w e r , u s i n gt h em s f - r oh y b r i ds y s t e mi sb e j c t 既a n de l s ei s r o - m s f ；g i v e nt h ef e e dc o n d i t i o n , w h e nt h eo u t p u tc o n c e n t r a t i o ni sl o w e r ) u s i n g m s f r oi sb e t t e r a n de l s ei sr o m s f k e y w o r d ：s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n , o p t i m a ld e s i g n , m u l t i s t a g ef l a s h , r e v e r s e o s m o s i s ，h y b r i d i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含来获得 逵；堑遗直墓地盘噩挂别岜啮鲍：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蕴丰钞 签字日期：砷声月产日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关都门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密居 适用本授权书) 学位论文作者签名：建柏 签字日期；汐口7 年6 月，矿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字翎尺哩奶 签字日期：钞7 年多月c 2 日 电话： 邮编 基于遗传算法的海水演化系统的优化设计 第一章文献综述 1 1 海水淡化过程在国内外的研究进展 1 1 1 国外在海水淡化领域的研究 早在上世纪5 0 年代，为解决4 水的危机”，美国从1 9 5 2 年起专设盐水局， 1 9 7 4 年后转为资源技术局，不断推进水资源和脱盐的技术进步；1 9 7 3 年日本通 产省下设造水促进中心，专门研究节能豹脱盐技术；致溯刚在尤里卡等计划下摇 动海水淡化的发展【l 】。 多级闪蒸是针对多效蒸发结垢严重的缺点发展起来的。由于加热面和蒸发面 分开，加热面上结垢轻，这一优点，使多级闪蒸问世后，迅速得以发展，其产水 水质含盐量可低达5 r a g l ：目前大型多级闪蒸的总级数往往安排到3 0 - - - - 4 0 级， 造水比可以达到1 3 1 4 。近年来，多级闪蒸技术有所进展，但技术本身无重大 突破，主要进展有：单机容量进一步扩大，最高可达5 7 万m 3 d 以上；运行管 理方面开发了d r o p s 软件，可协调运行参数，使系统优化，并降低运行费用； 采用新型聚羧酸酯等高效防垢剂，该剂兼抑垢和分散作用，可使m s f 在9 5 1 1 0 下运行，且用量少。对环境影响小；试用高级奥氏体不锈钢代替镍基合金， 以提高运行可靠性，减少停车维修，降低成本，并降低运行费用等等。目前m s f 仍占世界海水淡化产水量的5 0 以上( 如表1 1 ) ，但其能耗仍在8 1 0 k w h m 3 淡水以上。多级闪蒸的技术缺陷有；操作温度高，动力消耗大，结构比较复杂， 设备的操作弹性小，传热管腐蚀污染水质等【4 2 】。 多效蒸发为上世纪3 0 年代就使用的淡化方法，与多级闪蒸相比，多效蒸发 的优点为：多效蒸发是双侧相变传热，传热系数很高，所用的传热面积小，动力 消耗少，操作弹性很大等；其缺点是传热管壁上易结垢，需要经常清洗和采用严 格的防垢措施。由于结垢和腐蚀等问题以及上世纪5 0 年代m s f 的出现，使之停 滞不前。上世纪7 0 年代末开发了低温多效蒸发( u ：m e d ) ，与多级闪蒸和传统 的多效蒸发比。其操作温度在6 0 7 0 ，使结垢和腐蚀有所减缓，可使用较廉 价的材料，如铝合金传熟管等，以降低成本；进料海水的预处理更为简单，系统 牢固海洋大学硕士学位论文 的操作弹性大，动力消耗小，热效率较高。系统操作较安全等。其产水水质含盐 量可低达5 m g l ：目前单机容量最高可达2 0 0 0 0 m 3 d ；一些改进工作有塔式设计， 混凝士外壳，增加效数。采用热泵式及水电联产和进一步扩大单机容量等。通常 能耗在6 7 k w h m 3 淡水左右该技术在水电联产、利用乏蒸汽造水方面有相当 的市场。低温多效的缺陷有：盐水蒸发温度不能超过7 0 0 c ，传熟系数低，要进 一步提高热效率受到制约，同时蒸汽的比容较大，要求设备的体积也较大，即设 备的投入要增加。 反渗透是用半透膜在压力驱动下进行海水淡化的，过程无相变，离效节能。 自上世纪7 0 年代进入海水淡化市场之后，发展十分迅速。r o 用膜和组件也相 当成熟。目前有醋酸纤维索( c a ) 不对称反渗透膜和芳香族聚酰胺复合反渗透 膜，以复合反渗透膜应用为广，大型组件直径达2 0 0 m m 和4 5 0 m m ，脱盐率可高 达9 9 5 以上；海水反渗透( s w i ) 工艺过程也是成熟的，有约3 0 年的经验 积累，在一级海水淡化的基础上，近年来，又提出纳滤( n f ) 和s w r 0 与m s f 相结合的研究开发，以及高压一级、第二段高压等高回收率s w r o 法等，这使 海水综合利用率进一步提高。功交换器和压力交换器的开发成功使能量回收效率 都高达9 0 以上，使s w r o 的本体能耗低于3 k w h m 3 淡水，使s w r o 的总能耗 在4 k w h m 3 淡水左右，从而迸一步增强了s w r o 的竞争力，成为海水制取饮用 水最廉价的方法，已建大型s w r o 海水淡化工程达2 0 0 ，0 0 0 m 3 d 。在近几年国际 海水淡化工程招标中，s w r o 以投资最低，能耗最低，成本最低，建造周期短 等优势而屡屡中标( 如表1 2 ，表1 3 ) 。对于用二级r o 生产含盐量小于1 0 2 0 m g l 的水，与离子交换或电除离子( e d i ) 结合生产纯水，其经济性也是可与 其他方法竞争的。反渗透海水淡化要求严格的预处理，防微溶盐结垢和防止膜污 染也应重视，另外，温度对淡化水的产量有相当的影响。 2 墨王垄生苎鎏塑鲞查望丝墨垄塑垡堡望盐 表1 12 0 0 4 年世界淡化水产量( 含苦成水淡化1 t a b l e l 1o u t p u to f t h ew o r l dd e s a l t e dw a t e ri n2 0 0 4 ( b r a c k i s hw a t c l d e s a l i n a t i o ni n e l u e d e d ) 过程产量( b g 驯】0 6 m 3 0 ) 反渗透( r o )3 7 1 4 0 多级闪蒸( m s f ) 3 4 1 2 9 蒸汽压缩( v c ) 0 4 1 5 纳滤( n f ) 0 3 7 1 4 多效蒸发( m e d )o 3 2 1 2 表1 2 已建的部分大型海水淡化工厂 t a b l e i 2p a r to f l a r g es c a l es e a w a t e r d e s a l t i n gp l a n tb u i l t 地点 过程产量 m 1 g d ，m g d 1 0 4 m 3 d a 1 t a w e e l a h b ，u a em s f 【6 0 2 7 3 a i - t a w e e l a h b e x t , u a em s f 1 2 9 2 1 1 3 。3 f u j e i r a l lu a em s f 【6 2 5 2 8 4 f u j e i r a ku a es w r o 【3 7 5 17 0 m e d i n a , s a u d a r a b i as w r o f 3 3 。8 1 t 2 g a ij o b a ! u , s a u d ia r a b i as w r o 【2 0 0 9 1 m u r i e i a , s p a i n s w r o 3 8 8 1 4 7 c a r b o n e r a s ，s p a i n s w r o 3 1 7 1 2 0 c a r t a g e n a , s p ms w r o 17 2 6 5 p o i n t l i s a s ，t r i n i d a ds w r o3 0 0 1 1 4 t a m p a , f l ，u s as w r o 2 5 0 9 4 6 l 锄a c a c y p r u s s w r o 1 4 3 5 4 a n t o f a g a s t a , c h i l e s w r o 1 3 7 5 2 o k i n a w a , j a p a ns w r o1 0 6 4 0 3 串置海洋大学硕士学位论文 表1 3 在建的部分大型海水淡化工厂 t a b l ej 3p a r to f l a r g es c a l e $ e a w a t o td e s a l t i n gp l a n ta b u i l d i n g 1 1 2 国内在海水淡化领域的研究 在中国，膜法和蒸馏法海水淡化技术都有应用，2 0 世纪7 0 年代曾生产电渗 析海水淡化装置，8 0 年代以后，广泛采用反渗透技术进行自来水或苦咸水的脱 盐制取锅炉补充用水、超纯水等。进入9 0 年代，中国先后建成浙江省嵊泗县嵊 山镇5 0 0 m 3 d ，长海县大长山岛1 0 0 0 m 3 d ( 后扩成1 5 0 0 m 3 d ) ，大连獐子岛5 0 0 m 3 d 、 山东长岛1 0 0 0 m 3 d 、威海华能电厂两台每台1 0 0 0 m 3 d 、大连华能电厂两台每台 1 0 0 0 m 3 d ，大亚湾马鞭洲岛及嵊洒县马迹山岛等多台反渗透海水淡化装置【2 】( 如 4 基于遗传算法的海水淡化系统的优化设计 表1 4 ，表1 5 ) 。 表1 4 我国主要的海水淡化设施 t a b l e1 4t h em a i ns e a w a t e rd e s a l i n a t i o np l a n ti nc h i n a 在蒸馏方面，上世纪6 0 年代主要进行船用小型压汽蒸馏装置的研究开发， 上世纪7 0 年代到8 0 年代初进行过日产淡水百吨级的m s f 中试研究，取得一定 的设计参数和经验，上世纪8 0 年代中到9 0 年代中，开发了3 0 m 3 d 规模的( 常 压和负压) 压汽蒸馏装置，并进行了试用。1 9 8 7 年大港电厂从美国引进两套 3 0 0 0 m 3 d 的m s f 海水淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应。 1 9 9 7 年国内设计并制造了t 2 0 0 m 3 d 的m s f 装置，且曾调试出水，但与国外还 有一定差距。现正引进l t - m e d 装置，2 x 1 0 0 0 0 m 3 d 的规模，用于发电厂锅炉补 给水的供应，据称引进技术造水能耗在6 7 k w h m 3 淡化左右。也有国内设计制 造的3 0 0 0 m 3 d 的l t - m e d 装置，正在调试中。l t - m e d 在低位热能利用、与发 电结合和要求产水含盐较低的情况下，有一定的竞争力1 2 , 4 3 4 1 1 。 在反渗透方面，1 9 6 5 年进行实验室研究，1 9 6 7 1 9 6 9 年全国海水淡化会战 为醋酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下基础，上世纪7 0 年代进行了中空纤维 中国海洋大学硕士学位论文 表1 s 国内在建和规划中主要海水淡化设施 t a b l e l 5 t h e m a i ns e a w a t e r d e s a l i n a t i o n p l a n t a b u i l d i n g a n d p r o g r a m m i n g i n c h i n a 和卷式r o 元件的研究开发，上世纪8 0 年代初步产业化并推广应用；上世纪8 0 年代进行复合反渗透的研究开发，并中试放大成功，但还不能规模化生产。近来 与引进相结合，进行复合反渗透的规模化生产，性能接近海水淡化要求。1 9 9 7 年舟山嵊山岛用国外的膜组件建成5 0 0 m 3 d 的海水r o 淡化示范站，1 9 9 9 年在长 海大长山岛建成1 0 0 0 m 3 d 的海水r o 淡化站，能耗约为5 5 k w h m 3 淡水。2 0 0 0 年底，分别在山东长岛和浙江嵊泗建成1 0 0 0 m 3 d 的海水r o 示范工程。之后， 威海和大连的华能电厂也都分别建了2 0 0 0 m 3 d 的海水r o 淡化站，接着，山东 荣成和大连石化分别建了5 0 0 0 m 3 d 的海水r o 淡化站，1 9 9 7 年至今已建1 0 多处 s w r o 淡化站，能耗约为4 k w h m 3 淡水，总产淡水约3 万m 3 继【5 2 - 5 8 1 。 6 基于遗传算法的海水淡化系统的优化设计 经过4 0 多年的发展，我国建成海水淡化工程1 2 个，装置总量达到4 0 0 0 0 m 3 d ， 在建规模超过5 0 0 0 0m 3 d 。目前我国已经具备了万吨级海水淡化的工程能力，吨 水成本已经从9 0 年代的7 元左右降至5 元左右，技术经济指标具有同等容量的 世界先进水平。随着装置规模的扩大和技术的进步，造水成本仍有降低的空间。 目前的主要问题在于，反渗透工程所用的膜元件、高压泵和能量回收系统都是进 口的，国产膜元件有待工程考验；低温多效目前装置规模小，也没有长期工程经 验。核能海水淡化还剐刚起步。 1 2 遗传算法 遗传算法( g a ) 是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种 自适应全局优化概率搜索算法。它最早由美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授提出， 起源于6 0 年代对自然和人工自适应系统的研究。h o l l a n d 教授致力于利用遗传的 思想进行复杂优化问题的技术开发，他创建的遗传算法将自然选择与遗传进化规 律相结合，实现种群的优化。7 0 年代d e j o 1 3 1 基于遗传算法的思想在计算机上 进行了大量的数值函数优化实验。8 0 年代o o l d b e r 4 进行归纳总结，形成了遗传 算法的基本框架。 1 2 1 遗传算法的应用 遗传算法在分析化学、生物大分子结构预测、结构搜索、药物分子设计等方 面都有应用1 5 9 】。多目标遗传算法( n s g a ) 在化工领域有很多应用，这些研究主 要集中在下面三个领域，即：过程优化与控制领域、反应器工程领域及环境工程 领域。反应工程领域是多目标遗传算法应用最多的领域，第一个在化工领域应用 多目标遗传算法的是k m i d 俐等对工业尼龙6 的半间歇反应器优化，目标是总 反应时间最小和产品中副产二聚物的浓度最小，转化率和平均分子量作为约束条 件，在优化时对约束条件采用惩罚函数的方法加以处理。m i t r a 发现通过多目标 遗传算法得到的解是较好的，通过应用对反应器操作有相当大的改进。r a j e s h f 6 1 】 等使用非劣排序遗传算法对侧向辐射水蒸汽重整炉进行多目标优化。a m y 和 g 岫t a 【叼等提出采用非劣排序遗传算法来研究工业苯乙烯反应器。s i l v a t 6 3 等对多 目标遗传算法的操作算子进行改进，使其具有更强的鲁棒性和收敛到全部p a r e t o 7 中国海洋大学硕士学位论文 解集，并将其应用到苯乙烯间歇绝热聚合过程的两目标优化。s h il e i i “l 等将多目 标遗传算法应用到清洁生产领域。廖国勤等砸习在价格不确定情况下炼油企业生产 计划的制定时，将生产计划的制定考虑为一多目标优化问题，通过多目标遗传算 法，可同时给出多个方案。李艳军等【碉将多目标遗传算法应用于流程工业生产调 度的优化问题。 1 2 2 遗传算法的改进 遗传算法模拟了自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、杂交和突变现象 【6 7 1 。产生的新个体由于继承了上一代的一些优良性状，因而在性能上要优于上一 代，这样逐步朝着更优解方向进化。尽管与传统数学方法相比，遗传算法可以更 为有效地找到全局最优，但其收敛速度在求解许多实际问题时还不尽如人意t e a l ， 加上操作参数选取对结果影响很大，有许多学者对遗传算法本身进行了改进研 究。 曾光明例等对遗传算法的某些步骤进行改进，提出了一种效率较高的改进的 遗传算法。他采用如下三种方法：最优个体保护，将每一代群体中适应度最高 的个体不进行配对交叉、变异操作，而直接复制到下一代，可以保证每一代的最 优解不会被破坏。适应度函数调整，采用线性调整法。自适应调整交叉概率 ( p c ) 和变异概率( p r o ) 。提出p c 和p m 随适应度值自动改变的方法。对于高 于平均适应度值的解，令p c 和p m 取小一些，使解受破坏的可能性小；而对低 于平均适应度值的解，令p c 和p m 取大一些，防止g a 陷于局部解。 金菊良等【7 0 】曾研究过一种加速遗传算法的应用，取得了较好的效果。d c b 等 u 1 基于p a r e t o 最优排序的思想提出了非劣排序遗传算法( n s g a ) ，之后又对其 进行改进，提出了精英保留的非劣排序遗传算法( n s g a ) ，在改进的算法中， 他们运用了两个新的算子：非劣解系列冬，密集比较算子，r 。 张绍红等【倒结合遗传算法和模拟退火法逃逸局部极值，应用全局寻优的非线 性优化算法，改进了传统基于梯度法的局部搜索算法的缺陷。同时为了改进全局 搜索法计算时间长的缺点而加快了收敛速度，在全局搜索法找到全局极值所在的 山谷时，改用共轭梯度法快速到达谷底。并用此方法对实际资料进行了反演处理， 取得了比较好的结果。 基于遗传算法的海水浚化系统的优化设计 姚俊峰等【捌利用混沌优化的遍历性和遗传算法优化的反演性，提出了混沌遗 传算法( c g a ) ，其基本恩想是把混沌变量加载于遗传算法的变量群体中，利用 混沌变量对子代群体进行微小扰动，随着搜索过程的进行逐渐调整扰动幅度。结 果表明，该方法优化效果与前人的优化结果相比，优化效率明显提高。 1 3 海水淡化过程优化设计 1 3 1 多级闪燕海水淡化过程优化设计 对大规模淡化水的生产来说，多级闪蒸是一种较成熟的可信教豹技术，但安 装费用和能耗很高。长期以来，人们一直在寻找降低多级闪蒸淡化水成本的方法， 例如，通过改进设计、开发更便宜实用的化学药品、利用低价位的建设材料、利 用低级能源、改进生产工艺、严格控制、更好的操作和可持续发展的计划等等【5 1 。 s s h i v a y y a n a m a t h 嘞m s f 过程进行了模拟计算，建立了动态的数学模型 用于预测瞬间变化的系统参数，用r u n g e - k u l i a 方法求解，采用f o r t r a n - 9 5 来实 现。模拟结果显示了与m s f 过程实际运行参数有很好的一致性。该模型同样适 用于双目的淡化系统，尤其是淡化过程与蒸汽流量随着运行的能源而变化的核能 系统的耦合。胡三高等同以年平均淡水成本为目标函数，在浮动价格结构下对 m s f 系统的优化设计进行了较为详细的分析，结果指出在原始经济、技术参数 唯一确定的情况下，可以获得唯一的最优解方案，且在最优化设计点附近，淡水 成本函数对级数的敏感度不高。 a h m e dm h e l a s j 等研究了在未来大型海水淡化过程中，贯流型多级闪蒸 ( o t - m s f ) 代替传统的盐水循环的多级闪蒸( b r - m s f ) 的可行性，在其它操作条件 相同的情况下，以总传热面积最小为目标，对这个最优化问题建立了一个严格的 数学模型，用m i e r o s o re x c e l 来求解，得出长管多级闪蒸( l t - m s f ) 在容量和造水 比相同的情况下，其级数达到4 0 ，能够比横管盐水循环多级闪蒸( c t - b r - m s f ) 节省4 0 n , 的传热面积，然而，当比较不同级数的不同结构装置的单位流量的传热 面积的全局最优化时，发现，o t - m s f 相对于传统的c t - b r - m s f 并不能节省传 热面积，借此说明只有当总级数达到4 0 或以上的时候，【不o r m s f 才有优势。 s e r g i om u s s a t i l 9 1 等给出了m s f 系统的严格模型，表述为一个非线性规划 中国海洋大学硕士学位论文 o 町l p ) 问题，以费用最小为目标进行了优化，但费用仅包括传热面积费用和消耗 的能量费用，而其他费用忽略不计，采用o a m s 程序来实现求解，在算例中，采 用了简化的梯度算法c o n o p t2 0 4 1 。 1 3 2 反渗透海水淡化过程优化设计 海水反渗透的工程设计，其任务是以合理的工艺流程和运行参数，较低的成 本实现工程的预定目标，满足用户所需要的产水量及其水质指标。通过系统的设 计，确定工艺流程和运行参数、相应的给水预处理系统、所需要的膜组件数量及 其排列组合、所需其他配套设备及其大小等。 目前，反渗透工程设计主要借助于膜生产商提供的设计软件。它采用迭代计 算的方法，其中流程的设计及过程单元的选择主要是利用工程经验。由于反渗透 过程的设计是一个比较复杂的过程，涉及诸多的变量，如海水的组分、p f i 值、 温度、操作压力、回收率、产水量、进料流量、膜的特性、能源价格等，而且有 些参数彼此有密切关系并相互影响。因此采用过程综合优化的方法，对各个子系 统进行集成及整体优化必将取得更大的经济效益。 对于反渗透系统的最优化设计已经有了许多研究报道。e 1 h a l w a g i 1 0 提出了 一个用状态空间法来描述的反渗透网络超结构。这个超结构采用了四个框图：加 压减压物流分布框图，加压减压物流匹配框图，反渗透物流分布框图。反渗透 物流匹配框图。通过这种结构描述，可以将所有可能的反渗透工艺流程用数学方 法表达出来。最终将设计问题表达成混合整数非线性规划问题( m i n l p ) ，通过 求解该规划问题获得最佳流程和设备参数、操作状态。 在此基础上，m z h u t l l 】等，h 2 s e e j l 2 】等对考虑膜污染的反渗透系统设计和膜 组件清洗策略问题进行了研究。v o r o s 1 3 j 4 1 对e i - h a l w a g i 的超结构描述方法进行 了简化，将框图简化为物流连接节点。同时不考虑设备的选型，将设计问题表达 为一个简单的非线性规划问题( n l p ) ，降低了计算难度。 f m a s k a 1 5 】等用有向图来描述反渗透网络超结构，这种结构的数学模型表达 采用了布尔矩阵。在数学模型表达中，他们去除了许多不必要的变量，减少了求 解数学规划问题的时间，提高了求解的准确性。 a m a l e k 【1 6 ；将成熟的理论模型和膜实验数据结台推导出半经验数学模型，用 】0 基于遗传算法的海水淡化系统的优化设计 这个数学模型模拟了传质过程并给出了可靠的操作预测，提出了投资和操作费用 的经济模型，对反渗透海水淡化进行了经济评价。 卢彦越1 17 t 1 8 】等首先对反渗透过程进行了模拟，然后以年费用最小为目标，对 反渗透海水淡化系统进行设计，将设计问题表述为一个混合整数非线性规划，将 膜组件分为高脱盐膜、高通量膜、普通膜、低脱盐膜四种类型，当产品水的设计 要求不同，能分别锝出不同的最优方案。基于过程系统综合的思想，他们对在不 同浓度的进料水条件下( 从高浓度海水到低浓度苦咸水) ，不同的产品水质需求 的反渗透系统最优化设计问题进行了研究。采用并修改了e l - h a l w a g i 提出的反渗 透网络超结构，给出了一个包括两套物流节点( 物流混合节点，反渗透单元节点) 的网络结构。同时给出了一个反渗透单元模型，该模型考虑了膜元件的压降和浓 差极化问题，膜元件的选型及压力容器最优化设计问题。针对不同的进料水浓度 和产品水需求，求解这个混合整数非线性规划问题( m 眦l p ) ，可褥出套最优 的设计方案。他们还对考虑膜污染的反渗透系统设计问题进行了研究，给出了膜 组件清洗和更换的操作策略，提出了如下膜污染模型： a n 矿a o x ( 1 - 甲lx t 2 舢) x e x p ( - t 1 蹦玎1 ) 氏q = b o x ( 1 + 甲2 t 2 棚) e x p 盯l 舢i _ 2 ) 式中和b 。q 分别为水的渗透性常数和盐的传质参数，膜元件制造商通常 会提供新组件的这两种参数，即纯水渗透性常数和盐的传质参数初始值和b o 。 t 表示上一次清洗或更换后膜组件的操作时间。参数甲表示膜组件性能不可恢复 性的恶化程度，r 表示由于膜污染造成组件性能下降快慢的时间常量。它们的值 可由实际测定的膜污染数据来确定。 以上研究提出的最优化设计方法，可获得较高的产水率，能量消耗低，因此 进一步降低了产水成本。但这些方法目前还在研究探讨中，在实际的反渗透工程 设计中应用较少。 天津大学的王越【1 9 】等从降低海水反渗透淡化产水成本和环境友好过程的开 发两个方面探讨了国内外海水反渗透淡化技术的最新研究成果和应用情况，包括 能量回收器的研究、新型工艺过程的设计、海水反渗透膜的研究和应用、用膜法 预处理代替传统化学器预处理以及n f s w r o m s f 过程集成5 个部分。结果表 明，$ w r o 淡化产水成本的进一步降低需要综合考虑能量回收、膜组件、新工 中国海洋大学硕士学位论文 艺过程及不同淡化方法的集成等方面。其中能量回收器的应用使过程能耗得到大 幅度的降低：用膜法预处理，特别是采用m f 、u f 和7 全膜法预处理不但成本 低，而且处理过程产品水质好，更主要的是可以显著减少过程化学品的添加量和 膜器本身的清洗次数，