（人机与环境工程专业论文）海水淡化系统及结合人工神经网络高效运行的研究.pdf

西 北 工 业 人学 硕卜 学 位 论 文a h , , a c l abs t r a c t t h e a r t i c l e i s d i s c u s s e d d e v e l o p i n g c o n d i t i o n s o f t h e s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n t e c h n o l o g y , a n d s t u d i e d o n wa t e r - p r o d u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f i m p r o v e d h i g h e f f i c i e n t s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m b y m e a n s o f h e a t p u m p . t h e d e v i c e h a s t w o f u n c t i o n s o f s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n a n d d e h u m i d i f i c a t i o n . i t i s c o m p o s e d o f e v a p o r a t i o n c o n d e n s e r , p r e - c o n d e n s a t o r , h u mi d i f i e r , b i d i r e c t io n a l b l o w e r , a i r - c o o l i n g c o n d e n s a to r , w a t e r - c o o l i n g c o n d e n s a t o r , h e a t i n g wa t e r - t a n k , t h r o t t l e a n d e t c . f a c i n g t h e p r o b l e m o f t h e w o r l d - w i d e s h o r t a g e o f fr e s h w a t e r , t h e a r t i c l e i s a n a l y s e d a n d s t u d i e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c o f w a t e r - p r o d u c t i o n i n o r d e r t o r e d u c e e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d o b t a i n t h e s a t i s f y i n g wa t e r - p r o d u c t i o n . f i r s t , a f t e r t h e s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m p a r t s p r o c e s s o f h e a t a n d h u mid i t y t r a n s f e r i s a n a l y s e d , t h e ma th e m a t i c a l mo d e l s o f e v e r y p a r t c a n b e o b t a i n e d . s e c o n d l y ,b a s e d o n t h e m o d e l s , t h e t h e r m o d y n a mi c s p e r f o r m a n c e a n d s o me c o n c l u s i o n s a r e s t u d i e d b y u s i n g t h e n u m e r i c a l m e t h o d , w h i c h p r o v i d e s a s s i s t a n t p r o o f t o o p t i m i z e s y s t e m o p e r a t i o n . b y u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f a n n ( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s ) i n t h e f i e l d o f e n e r g y s o u r c e , c h e m i s t ry a n d c o n t r o l , t h e m o d e l s o f a n n f o r h i g h e f f i c i e n t s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m a r e e s t a b l i s h e d . t h e mo d e l s a r e t r a i n e d a n d p r e d i c t w a t e r - p r o d u c t i o n o f s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m, t h e n t h e h i g h e f f i c i e n t o p e r a t i o n a l r e g i o n i s g a i n e d i n w h i c h t h e s y s t e m c a n h a v e t h e f a r t h e s t p r e f e r a b l e wa t e r - p r o d u c t i o n . b y c o n t r a s t o f w a t e r - p r o d u c t i o n b e t w e e n n u m e r i c a l m o d e l a n d a n n n e t w o r k m o d e l , i t s h o w s t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f a n n f o r s t u d y i n g o n s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n i s f e a s i b l e , a n d i t h a s t h e f e a t u r e o f c o n v e n i e n t o p e r a t i o n a n d h i g h p r e c i s i o n . t h e o p e r a t i o n a l s t a t e o f s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m i s i d e n t i f i e d b y a n n , t h e n i t p r o v i d e s n e c e s s a r y p r e mi s e s f o r o p t i mi z i n g o p e r a t i o n o f s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m. s u m ma r i l y , t h e a n n mo d e l o f s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m p r o v i d e s h i g h e f f i c i e n t o p e r a t io n a l s c h e m e , a n d t h a t i s v e r y s i g n i f i c a t i v e i n t h e p r a c t i c a l o p e r a t i o n o f s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n s y s t e m. k e y w o r d s e a w a t e r - d e s a l i n a t i o n , h e a t b p n e t w o r k , o p t i m i z i n g a n d ma s s t r a n s f e r , a n n , m o d e l , o p e r a t i o n , p a t t e r n i d e n t i f y 西北工业大学硕士学位论文 上 要 符 号表 主要符号表 绝对含湿量 密度 f ,加 湿 器 单 位 体 积 汽 液 接 触 面 积 r 。冷凝水膜的 热阻 管壁热阻 对流换热系数 水蒸汽 汽化 潜热 rwacr 压力 相对湿度 温度 锡气吼气乳蜘ej 恰值 质量 湿空气的定压比热 对流传质系数 水的比热容冷却水流量 制冷系数 传质系数 空气流通密度淋水密度 运动粘度 神经单元的偏置 ( 阀值) 神经元l 与i 之间的 权值 hm气乓乙v，氏 网络学习的目标函数 局部梯度 第.l 个单元的 误差 平均误差平方和 均方根 影响度阀值 优化 目标产水率 s i第1 个 单 元的 总 输 入 华泵或压缩机的实际效率 x j 第j 个单元的输入 耗 功系数 下 标 水蒸气 干空气 饱和状态空气进口参数 空气出口参数第i 个单元或!ij 点 第j 个 单元或节点 第k个单元或 i 点 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 帝绪论 第一章绪 论 1 . ，引 言 根据当代科学技术的调查研究结果获悉，我们人类生存的这颗星球， 淡水仅 占 水资 源总量的2 . 5 % 。即 约 。 . 3 5 亿立方千米。而全球淡水资 源总量中6 9 . 5 % 的 诸如冰川、永久积雪、 永冻地层冰 等以固 态形式存在即约 0 . 2 4 亿立方千米的 水 资源是人类难以利用的。 另据统计全球有五分之一的 人面临中 高度的缺水。 在非 洲以 及阿拉伯国家每年因缺水导 致死亡的 人占有很高的比 例。 随 着市场经济的 发 展和人口的增加， 我国的水资源问题也凸现出来， 虽然节约用水是缓解日益紧张 的水危机的一 条途径， 但它不能 从根本上 解决问题。 因此， 依靠 现代科学技 术手 段， 充分开发海水资源， 是人类克 服全球淡 水资源短缺危机的必由之路和希 望所 在。 海水淡化技术就是将高 盐度的 海水通过一系列的过程转变为低盐度的淡水。 目 前国内外普遍采用的海水淡化方法有蒸 馏法、反渗透法 ( r o ) 和电渗析法等。 这些方法理论比较成熟、 技术方面各具优点， 但在实际中， 我们需要一种使用方 便而精度较高的海水淡化仿真模型来满足工 程上的需要。 在国际海水淡化与水科学会议 “d a )上专家认为在当前世界海水淡化技术 的发展动态中，有以 下几点 值得引 起重 视 5 ( 1 ) 随着全球水资源紧缺矛盾的日 益突出，海水淡化作为 解决水资源紧缺 的主要途径之一，受到各国尤其是缺水国家和地区的重视。 ( 2 ) 在现有的海水淡化各种技术和方法中以闪蒸-m s f为代表的蒸馏方法 仍占 主导地位， 反渗透分离法一r o 具有良 好的发展前景， 其他新方法 值得进一步探索和研究。 ( 3 ) 在海水淡化配套和相关技术的研究和开发中，注重海水淡化的系统工 程和优化运行等问 题。 对材料的 腐蚀以 及水垢和微生物粘泥等相关问 题也列出了相应的专题。 海水淡化是一个复杂的 系统工程， 在海水淡化装置上 有诸多的优化问题， 例 如: 如何在能 耗较低的 基础上 最大限度地提高产水等。 有关问 题多年来成为海水 淡化领域科研工作者研究的重点， 提出了很多新的结构和优化方案。 如屈卫东文 献 7 在模糊推理基础上研究新型海水淡化装置的满意得水率:温格知文献 9 中对船舶海水淡化装置的产水影响因素进行分析， 提出了在控制腐蚀的前提下得 到满意的产水结果。 庞虹等人文献 l 川从流体力学的角度， 采用数值方法模拟闪 发式海水淡化装置内的水流特性， 通过改变闪发式内流动情况来提高效率， 得到 满意产水量。 本文是在对西北工业大学空ilk 制冷与太p i i 能应用研究所研制的高效 西北工业大学硕 卜 学位论文 第 一 帝绪论 第一章绪 论 1 . ，引 言 根据当代科学技术的调查研究结果获悉，我们人类生存的这颗星球， 淡水仅 占 水资 源总量的2 . 5 % 。即 约 。 . 3 5 亿立方千米。而全球淡水资 源总量中6 9 . 5 % 的 诸如冰川、永久积雪、 永冻地层冰 等以固 态形式存在即约 0 . 2 4 亿立方千米的 水 资源是人类难以利用的。 另据统计全球有五分之一的 人面临中 高度的缺水。 在非 洲以 及阿拉伯国家每年因缺水导 致死亡的 人占有很高的比 例。 随 着市场经济的 发 展和人口的增加， 我国的水资源问题也凸现出来， 虽然节约用水是缓解日益紧张 的水危机的一 条途径， 但它不能 从根本上 解决问题。 因此， 依靠 现代科学技 术手 段， 充分开发海水资源， 是人类克 服全球淡 水资源短缺危机的必由之路和希 望所 在。 海水淡化技术就是将高 盐度的 海水通过一系列的过程转变为低盐度的淡水。 目 前国内外普遍采用的海水淡化方法有蒸 馏法、反渗透法 ( r o ) 和电渗析法等。 这些方法理论比较成熟、 技术方面各具优点， 但在实际中， 我们需要一种使用方 便而精度较高的海水淡化仿真模型来满足工 程上的需要。 在国际海水淡化与水科学会议 “d a )上专家认为在当前世界海水淡化技术 的发展动态中，有以 下几点 值得引 起重 视 5 ( 1 ) 随着全球水资源紧缺矛盾的日 益突出，海水淡化作为 解决水资源紧缺 的主要途径之一，受到各国尤其是缺水国家和地区的重视。 ( 2 ) 在现有的海水淡化各种技术和方法中以闪蒸-m s f为代表的蒸馏方法 仍占 主导地位， 反渗透分离法一r o 具有良 好的发展前景， 其他新方法 值得进一步探索和研究。 ( 3 ) 在海水淡化配套和相关技术的研究和开发中，注重海水淡化的系统工 程和优化运行等问 题。 对材料的 腐蚀以 及水垢和微生物粘泥等相关问 题也列出了相应的专题。 海水淡化是一个复杂的 系统工程， 在海水淡化装置上 有诸多的优化问题， 例 如: 如何在能 耗较低的 基础上 最大限度地提高产水等。 有关问 题多年来成为海水 淡化领域科研工作者研究的重点， 提出了很多新的结构和优化方案。 如屈卫东文 献 7 在模糊推理基础上研究新型海水淡化装置的满意得水率:温格知文献 9 中对船舶海水淡化装置的产水影响因素进行分析， 提出了在控制腐蚀的前提下得 到满意的产水结果。 庞虹等人文献 l 川从流体力学的角度， 采用数值方法模拟闪 发式海水淡化装置内的水流特性， 通过改变闪发式内流动情况来提高效率， 得到 满意产水量。 本文是在对西北工业大学空ilk 制冷与太p i i 能应用研究所研制的高效 西北 业大学硕 学位论文 第 一 帝绪论 热泵式海水淡化装置进行全面的结构和热力学传热学分析的t t 础上， 应用神经网 络技术提出能够实际反映出这套海水淡化装置高效运行的万案， 以获得在不同条 件下的满意产水结果。 目 前 ， 在 能 源、 化工 和 控 制 领 域 都 厂 泛 应 用的 人 工 智能 技 术得 到了 前 所未 有 的重视。 而人工智能中的神经网络技术是模拟生理学上的真实人脑神经网络的结 构和功能， 以 及若干基本特性的 某种理论抽象、 简化和模拟而 构成的一种信息处 理系统。 从系统观点看， 人工神经网 络是由 大量的 神经元通过极其丰富 和完善的 连接而构成的自 适应非 线性动态系统。 并且在仿真预测、 优化计算、 复杂系统分 析、 模式识别和智能控制等诸多 领域的 应用研究中都 取得了令 人满意的结 果。 在 利用传统数学方法在模拟海水淡化系统时， 由 于忽略了 一些相关因素或者对某些 环节进行了理想化处理。 这些都给模型的精确性和有效性带来了一定的影响。 本 文利用人工神经网 络 ( a n n )避开了这些建模上的不足， 在m a t l a b 6 . 1 平台上建 立了海水淡化装置的产水模型。 仿真模拟对象为西北工业大学空调制冷与太阳能 应用研究所的高效热泵式海水淡化装置。 对建立的模型经训练学习后可以用来对 原装置进行预测仿真， 更加方便地得到 其产水 特性。 从而在一定的条件下得到系 统运行的优化方案。 1 . 2海水淡化技术的 研究现状 目 前在海水淡化领域中主 要采用的方法主要有: 蒸馏法、 反渗 透法 ( r o ) 和 电渗析法等。 一 蒸馏法 蒸馏法是利用蒸馏的原理， 即先把水转化为蒸汽而与溶解于溶液中的盐分分 离，通过其他冷凝装置把蒸汽冷凝后得到淡水。 在实际工程应用中， 广泛应用的 是热电联产多效闪蒸法 m s f . 这一方法在阿拉伯国家得到普遍应用。 多极闪蒸制备淡水主要包括两个过程， 首先利用电 厂的热量在蒸发室加热海 水，使其闪化蒸发。蒸发后的水蒸气上升，遇冷凝盘管冷凝成淡水。闪蒸室的低 压一般靠蒸汽喷射器抽真空来维持。 多级闪蒸法与其他海水淡化方法相比具有以 下优点: 1产量大，技术成熟，适合于大规模产水; 2由于是通过在低压下来沸腾，降低了能耗，并且山于不产生真正的沸腾 ， 因而可以改善一般蒸馏法存在的积垢现象。 多极闪蒸法与其他海水淡化方法相比具有以下缺点: 1 . 传热系数较低，与多效蒸馏法相比，需要较多的传热面积; 2 . 设备初投资大，设备庞大，调节复杂。 西北 业大学硕 学位论文 第 一 帝绪论 热泵式海水淡化装置进行全面的结构和热力学传热学分析的t t 础上， 应用神经网 络技术提出能够实际反映出这套海水淡化装置高效运行的万案， 以获得在不同条 件下的满意产水结果。 目 前 ， 在 能 源、 化工 和 控 制 领 域 都 厂 泛 应 用的 人 工 智能 技 术得 到了 前 所未 有 的重视。 而人工智能中的神经网络技术是模拟生理学上的真实人脑神经网络的结 构和功能， 以 及若干基本特性的 某种理论抽象、 简化和模拟而 构成的一种信息处 理系统。 从系统观点看， 人工神经网 络是由 大量的 神经元通过极其丰富 和完善的 连接而构成的自 适应非 线性动态系统。 并且在仿真预测、 优化计算、 复杂系统分 析、 模式识别和智能控制等诸多 领域的 应用研究中都 取得了令 人满意的结 果。 在 利用传统数学方法在模拟海水淡化系统时， 由 于忽略了 一些相关因素或者对某些 环节进行了理想化处理。 这些都给模型的精确性和有效性带来了一定的影响。 本 文利用人工神经网 络 ( a n n )避开了这些建模上的不足， 在m a t l a b 6 . 1 平台上建 立了海水淡化装置的产水模型。 仿真模拟对象为西北工业大学空调制冷与太阳能 应用研究所的高效热泵式海水淡化装置。 对建立的模型经训练学习后可以用来对 原装置进行预测仿真， 更加方便地得到 其产水 特性。 从而在一定的条件下得到系 统运行的优化方案。 1 . 2海水淡化技术的 研究现状 目 前在海水淡化领域中主 要采用的方法主要有: 蒸馏法、 反渗 透法 ( r o ) 和 电渗析法等。 一 蒸馏法 蒸馏法是利用蒸馏的原理， 即先把水转化为蒸汽而与溶解于溶液中的盐分分 离，通过其他冷凝装置把蒸汽冷凝后得到淡水。 在实际工程应用中， 广泛应用的 是热电联产多效闪蒸法 m s f . 这一方法在阿拉伯国家得到普遍应用。 多极闪蒸制备淡水主要包括两个过程， 首先利用电 厂的热量在蒸发室加热海 水，使其闪化蒸发。蒸发后的水蒸气上升，遇冷凝盘管冷凝成淡水。闪蒸室的低 压一般靠蒸汽喷射器抽真空来维持。 多级闪蒸法与其他海水淡化方法相比具有以 下优点: 1产量大，技术成熟，适合于大规模产水; 2由于是通过在低压下来沸腾，降低了能耗，并且山于不产生真正的沸腾 ， 因而可以改善一般蒸馏法存在的积垢现象。 多极闪蒸法与其他海水淡化方法相比具有以下缺点: 1 . 传热系数较低，与多效蒸馏法相比，需要较多的传热面积; 2 . 设备初投资大，设备庞大，调节复杂。 西北工业人学硕 十 学位论文 第-帝 绪论 3 . 最高温度控制 在 1 2 0 0 c左右。 二.反渗透法 ( r 0 )和电渗析法 反渗透 ( r o ) 技术是借鉴生物细 胞膜的半渗透性一即 让水分子通过， 而把组 成盐分的 钠离子与氯离子等阻止在一 边。 . 反渗透膜的技术关 键在于开发出 具有这 种微小孔的分离膜。 7 0年代以 来，随着材料科学的发展，反渗透膜终于研制 成 功。海水中的 水分子 在 6 7 个大气作用下通过分离膜， 水分中的盐分被阻止在外 面。 渗透到另一 侧的便是淡水。 反渗透膜能过滤海水， 也能过滤其他液沐、 空气 等。海水在经过 r o 膜之前必须经过预处理，其目 的是除去可能阻 塞薄膜的物质 或者是破坏其结构的成分，如氧化物等。其处理方法包括凝集沉降、过滤及添加 抑制结构的药剂等。 处理后的海水被高压泵送至 薄膜分离室， 借助半透 膜可以 除 去 海水中9 0 yo - 9 9 %的盐分、 9 5 % -9 9 %的 有机 物、 1 0 0 %的 胶体如细菌硅 胶等。 薄膜的组成通常包括两部分:一部分为海绵状的多孔物质，可让盐类及水通过， 并支持半透膜， 另一部分为厚度只 有千分之一的半透膜， 只让水通过。 依据这两 部分的 结合方 式， 可以 分为固定式与活动式薄膜， 固定式就是以 上两部分被永久 的 粘在一起， 活动式就是现场安装时 再将以 上两部分连接在一起。 一般商业应用的半透膜分为 碳酸纤维与聚氨脂 两种，聚氨脂一般使用寿命较 长。 电渗析法是在两 个渗析膜上通电。 一个膜只 通过正离子， 另 一个只通过负离 子，从而得到淡水。 反渗透 ( r o )与 其他海水淡化技术相比 具有以 下优点: 1 不存在相变，只耗电能，不需要蒸汽; 2 . 设备简单， 容易安装，设备占 地面积小。 反渗透 ( r o )及电渗析法的共同缺点是耗电量大、膜的老化以及二次污染 。 舰船上的海水淡化装置也多采用闪蒸法得到淡水。 国内现有的船用海水淡化 装置的效率为 0 . 2 3 .0 . 2 7 ，即每小时得到一公斤海水，加热功率为 2 . 5 2 - 2 . 9 7 k w e 所以 提高海水 淡化系统的 产水效率， 降低能耗， 提高水质称成为当 今海 水淡化领域的研究重点。 1 . 3人工智能的发展现状及应用 神经网络是在研究生物神经系统的启发下发展起来的一种信息处理方法。 这 种思维方式的根本特点在于 信息是通过神经元上的兴奋模式分布存储在网络 上;信息处理是通过神经元之间同时相互作用的动态过程来完成的。从 1 9 3 6 年 a 1 a m t u r i n g 第一次用大脑作为计算机的范例。 1 9 4 3 年神经生理学家w a r r e n n c c u l l o c h与 一 个 1 8岁的数学家 w a l t e r p i t s 写了第 一 篇关于神经细胞如何工作 西北工业人学硕 十 学位论文 第-帝 绪论 3 . 最高温度控制 在 1 2 0 0 c左右。 二.反渗透法 ( r 0 )和电渗析法 反渗透 ( r o ) 技术是借鉴生物细 胞膜的半渗透性一即 让水分子通过， 而把组 成盐分的 钠离子与氯离子等阻止在一 边。 . 反渗透膜的技术关 键在于开发出 具有这 种微小孔的分离膜。 7 0年代以 来，随着材料科学的发展，反渗透膜终于研制 成 功。海水中的 水分子 在 6 7 个大气作用下通过分离膜， 水分中的盐分被阻止在外 面。 渗透到另一 侧的便是淡水。 反渗透膜能过滤海水， 也能过滤其他液沐、 空气 等。海水在经过 r o 膜之前必须经过预处理，其目 的是除去可能阻 塞薄膜的物质 或者是破坏其结构的成分，如氧化物等。其处理方法包括凝集沉降、过滤及添加 抑制结构的药剂等。 处理后的海水被高压泵送至 薄膜分离室， 借助半透 膜可以 除 去 海水中9 0 yo - 9 9 %的盐分、 9 5 % -9 9 %的 有机 物、 1 0 0 %的 胶体如细菌硅 胶等。 薄膜的组成通常包括两部分:一部分为海绵状的多孔物质，可让盐类及水通过， 并支持半透膜， 另一部分为厚度只 有千分之一的半透膜， 只让水通过。 依据这两 部分的 结合方 式， 可以 分为固定式与活动式薄膜， 固定式就是以 上两部分被永久 的 粘在一起， 活动式就是现场安装时 再将以 上两部分连接在一起。 一般商业应用的半透膜分为 碳酸纤维与聚氨脂 两种，聚氨脂一般使用寿命较 长。 电渗析法是在两 个渗析膜上通电。 一个膜只 通过正离子， 另 一个只通过负离 子，从而得到淡水。 反渗透 ( r o )与 其他海水淡化技术相比 具有以 下优点: 1 不存在相变，只耗电能，不需要蒸汽; 2 . 设备简单， 容易安装，设备占 地面积小。 反渗透 ( r o )及电渗析法的共同缺点是耗电量大、膜的老化以及二次污染 。 舰船上的海水淡化装置也多采用闪蒸法得到淡水。 国内现有的船用海水淡化 装置的效率为 0 . 2 3 .0 . 2 7 ，即每小时得到一公斤海水，加热功率为 2 . 5 2 - 2 . 9 7 k w e 所以 提高海水 淡化系统的 产水效率， 降低能耗， 提高水质称成为当 今海 水淡化领域的研究重点。 1 . 3人工智能的发展现状及应用 神经网络是在研究生物神经系统的启发下发展起来的一种信息处理方法。 这 种思维方式的根本特点在于 信息是通过神经元上的兴奋模式分布存储在网络 上;信息处理是通过神经元之间同时相互作用的动态过程来完成的。从 1 9 3 6 年 a 1 a m t u r i n g 第一次用大脑作为计算机的范例。 1 9 4 3 年神经生理学家w a r r e n n c c u l l o c h与 一 个 1 8岁的数学家 w a l t e r p i t s 写了第 一 篇关于神经细胞如何工作 两r 比 工 业 大 学 硕 上学 位 论 文第 一 帝绪 论 的文章作为开始， 多年来众多研究者的不懈努力积极地推动了这一前沿学科的发 展。 与此同时， 许多公司都推出了各种神经网络软件进一步推动了神经网络在实 际工程中的应用。目 前，美国工程索引 ( e 1 ) 侮年摘录有关神经网络方面的文章 6 0 0 0 篇以上。 日前， . 神经网络得到了越来越广泛的应用，主要用于以下 一些工程实际问题: ( 1 )预测 1 . 股票市场预测 2 . 天气预测 3 工业过程预测 4 . 经济指标预测 ( 2 )分析 1 . 光谱分析与解释 2 . 石油探测 3 . 医学分析 4 . 电 路故障诊断 5 . 化学过程在线传 感分析 ( 3 )分类 1 . 聚合物鉴定 2 . 图 像识别 3 . 产品 分级 ( 4 )优化及控制 1 . 生物实验结果优化 2 . 工业过程优化 3 . 机械手运动控制 目 前， 神经网 络在工程中 正在得到广泛的应用。 例如陈建隆， 周良 等【 1 7 用 b p 神经网络辨识 直燃式浪化铿机组静态模型; 龚哲君【 1 8 等人在 模拟 优化中 应用 人 工神经网络取得了 一些理论成果; 吴良 【 加1 应 用 b p 人工神经网络 在热处理工 艺及材料性能预测模型方面进行了研究， 提高了原有模型的应用范围。总之，神 经网络可以处理模糊的，非线性的、含有噪声的数据，可用于预测、 分类、非线 性回归、 过程控制等工业过程。 同时由于利用神经网络来建模时， 具有简便易行 、 精度 较高的特点。 并且随着全球各种资 源的 越趋紧 张， 各国 都在提倡节约资 源、 降低能耗和走可持续发展的道路。 国际海水淡化与水科学会议也提出对于海水淡 化系统运行的优化是十分必要和重要的。 所以在本文中拟对热泵式海水淡化装置 首先进行热力学分析， 从系统机理方面建模， 从内在机理方面说明系统的运行规 西北 业人学硕 ! 丁 学位论文 第 一 粉 绪论 律; 然后对实验数据进行分析、 整理， 用神经网 络的方 一 法来建立海水淡化装置的 仿真模型， 从外部运行特征力 一 面得到系统运行时的产水特性， 在此基础上得到该 系统运行时的优化调节手段。 1 .4本文的着眼点、工作和意义 从海水淡化系统运行分析中挖潜， 从系 统运行数据分析中 发现问 题， 使 海水 淡 化系统始终处于或接近于最佳状态下运行是本文的 着眼点。 本 文利用人-1 - 神经 网络模拟海水淡化系统，预测其产水量与其他热力参数间的变化关系， 用以寻求 系统运行的高效区。 这一研究对于海水淡化在实际运行中降低能耗、 提高产水率 具有重要的现实意义和实用价值。 本文首先对高效热泵式海水淡化装置进行热力学和传热学分析的基础上， 用 数值方法 模拟得到该装置产水特性方面的一些结果。 然后利用人 工神经网络技术 建立系统的产水模型。 通过把由网络模拟得到的值与由数值模拟得到值跟实验测 定值的分析对比， 说明 利用神经网络来模拟海水淡 化系统是可行的。 通过对海水 淡化系统的 产水特性的预测， 可以 对相应的运行参数做调整， 以降 低能耗， 使系 统高效运行，从而获得较高的产水值。 在这一基础上得到系统运行的 优化方案。 目 前， 对海水淡化系统的 分析通常是建立在热力学模型的基础上， 在其建模 的过程中不可避免要对某些物理过程作一些简化或忽略， 而这些都给所建模型的 精度带来了 影响， 并且在现实世界中非线性模型是普遍存在的。 这样由 某些实验 数据得到的 经验公式并 不一定适合所有的 热力过程， 并且随 着在同一时间内， 众 多热力过程在时间上的 继起， 在空间上的并列工作， 这些都给传统的 建模提出了 挑战。 并且， 对于一个复杂系统的整体来说，很难说通过对单个部件或子系统的 简单偶合就能获得整体系统的 相关特性， 或者说达到的 精度不是很高。 近年来， 神经网络研究的兴起， 为解决过程的非线性和时变问题提供了一个新的思路和解 决途径。 由于神经网络作为一个复杂的非线性系统， 具有良好的学习能力和非线 性逼近能力， 是一种从系 统对象的数据中学习蕴藏在数据中的内 在规律的 信息处 理方法。 因此用神经网络来模拟和预测海水淡化系统的产水， 分析其运行特点从 而得到系统的 满意产水区 进而 达到运行优化的目 的。 在众多神经网络中，b p神经网络是比较成熟的一种。它的优点是具有很强 的 非线性映射能 力和柔性的网 络结构。 本文中研究了 几种改进后的b p 神经网络 算法。 并且利用l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法来训练网络。 在第二章首先进行数值 模拟， 从热力学和传热学的角度对海水淡化系统的产水进行了分析， 初步得到了 一些结论; 在第三章中用神经网络来模拟预测海水淡化系统部件和系统整体的产 水。 并 目 _ 把神经网络模型得到的产水值、以及由第二章中数值模拟得到的产水值 西北 业人学硕 ! 丁 学位论文 第 一 粉 绪论 律; 然后对实验数据进行分析、 整理， 用神经网 络的方 一 法来建立海水淡化装置的 仿真模型， 从外部运行特征力 一 面得到系统运行时的产水特性， 在此基础上得到该 系统运行时的优化调节手段。 1 .4本文的着眼点、工作和意义 从海水淡化系统运行分析中挖潜， 从系 统运行数据分析中 发现问 题， 使 海水 淡 化系统始终处于或接近于最佳状态下运行是本文的 着眼点。 本 文利用人-1 - 神经 网络模拟海水淡化系统，预测其产水量与其他热力参数间的变化关系， 用以寻求 系统运行的高效区。 这一研究对于海水淡化在实际运行中降低能耗、 提高产水率 具有重要的现实意义和实用价值。 本文首先对高效热泵式海水淡化装置进行热力学和传热学分析的基础上， 用 数值方法 模拟得到该装置产水特性方面的一些结果。 然后利用人 工神经网络技术 建立系统的产水模型。 通过把由网络模拟得到的值与由数值模拟得到值跟实验测 定值的分析对比， 说明 利用神经网络来模拟海水淡 化系统是可行的。 通过对海水 淡化系统的 产水特性的预测， 可以 对相应的运行参数做调整， 以降 低能耗， 使系 统高效运行，从而获得较高的产水值。 在这一基础上得到系统运行的 优化方案。 目 前， 对海水淡化系统的 分析通常是建立在热力学模型的基础上， 在其建模 的过程中不可避免要对某些物理过程作一些简化或忽略， 而这些都给所建模型的 精度带来了 影响， 并且在现实世界中非线性模型是普遍存在的。 这样由 某些实验 数据得到的 经验公式并 不一定适合所有的 热力过程， 并且随 着在同一时间内， 众 多热力过程在时间上的 继起， 在空间上的并列工作， 这些都给传统的 建模提出了 挑战。 并且， 对于一个复杂系统的整体来说，很难说通过对单个部件或子系统的 简单偶合就能获得整体系统的 相关特性， 或者说达到的 精度不是很高。 近年来， 神经网络研究的兴起， 为解决过程的非线性和时变问题提供了一个新的思路和解 决途径。 由于神经网络作为一个复杂的非线性系统， 具有良好的学习能力和非线 性逼近能力， 是一种从系 统对象的数据中学习蕴藏在数据中的内 在规律的 信息处 理方法。 因此用神经网络来模拟和预测海水淡化系统的产水， 分析其运行特点从 而得到系统的 满意产水区 进而 达到运行优化的目 的。 在众多神经网络中，b p神经网络是比较成熟的一种。它的优点是具有很强 的 非线性映射能 力和柔性的网 络结构。 本文中研究了 几种改进后的b p 神经网络 算法。 并且利用l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法来训练网络。 在第二章首先进行数值 模拟， 从热力学和传热学的角度对海水淡化系统的产水进行了分析， 初步得到了 一些结论; 在第三章中用神经网络来模拟预测海水淡化系统部件和系统整体的产 水。 并 目 _ 把神经网络模型得到的产水值、以及由第二章中数值模拟得到的产水值 西北_ 业人学硕 卜 学位论文第一章 绪沦 与实验测定值进行了 对比， 结果表明用神经网络模型来预测海水淡化系统的产 水 是可行的。最后， 为了获得满意的产水率， 用神经网络模型模拟预测稳态时海水 淡化系统的产水， 在不同的 条件下 提出系 统运行时的参数 优化选取方案。 在第四 章中为了能够对海水淡化系统的运行有 一 个数学意义较为明确的判定， 即不是靠 经验，而是用数学语 言来描述， 引入了神经网络对于状态的辨识。 建立了对海水 淡化系统运行状态进行判定辨识的模型， 结果分析表明该 模型能较好地判定系 统 的运行状态 ( 启动和平稳运行状态) 。因为只有系统运行进入稳态，才能够利用 第三章中提出的优化方案。 所以， 这一状态识别模型的 建立和应用是系统优化运 行的必要条件。 西北工业火学硕 卜 学位论文 第二章 海水淡化装置及数值建模 第二章海水淡化装置及数值建模 2 . 1引言 西北工业大学空调制冷与 太阳能应用研究所设计了 新型的热泵式海水淡化 和空调除湿一体机 8 a该装置采用热泵冷凝器作为热源，同时采用热泵蒸发器 作为 冷源进行海水淡化，本装置同 时还具备空调和除湿功能。 由于本文论述的关键在于海水淡化系统， 故在本节中首先对海水淡化系统进 行热力学分析， 然后用传统的 建模方法来建立实验台的各部件的 数学 模型， 为数 值模拟海水淡化系统 作好前期工作。 在第三章中将利用神经网络来研究海水淡化 系统稳态的产水特性， 并与 传统数学建模进行了 一些比较， 提出了系统运行优化 的方案。最后用神经网络技术研究了海水淡化系统的运行状态判别的问题。 2 . 2 海水淡化装置的系统结构 本文中 所研究的热泵式海水淡化装置主要由热泵蒸发器、 预冷器、 热泵空冷 式冷凝器、 热泵水冷式冷凝器、高 效加湿器和两个双向 风机组成。其结构如图1 所示。 1 . 5 双向风机，2 热泵蒸发器， 3 预冷器， 4 高效加湿器，6 热泵空 冷式冷凝器， 7 转换阀，8热泵压缩机， 9加湿器，1 0 热泵水冷式冷凝器， 1 1 海水加热水箱， 1 2 淡 水回收箱， 1 3竹 流阀，1 4 预冷器冷却水入口 ，巧预冷器冷却水出口 图1 海水淡 化装置系 统结构图 高效海水淡化装置具有海水淡化和空调一除湿两种物理过程。 装置在进行海 水淡化操作时， 制冷工质沿着双向箭头的方向运行。空气从右边进入， 首先通过 西北工业火学硕 卜 学位论文 第二章 海水淡化装置及数值建模 第二章海水淡化装置及数值建模 2 . 1引言 西北工业大学空调制冷与 太阳能应用研究所设计了 新型的热泵式海水淡化 和空调除湿一体机 8 a该装置采用热泵冷凝器作为热源，同时采用热泵蒸发器 作为 冷源进行海水淡化，本装置同 时还具备空调和除湿功能。 由于本文论述的关键在于海水淡化系统， 故在本节中首先对海水淡化系统进 行热力学分析， 然后用传统的 建模方法来建立实验台的各部件的 数学 模型， 为数 值模拟海水淡化系统 作好前期工作。 在第三章中将利用神经网络来研究海水淡化 系统稳态的产水特性， 并与 传统数学建模进行了 一些比较， 提出了系统运行优化 的方案。最后用神经网络技术研究了海水淡化系统的运行状态判别的问题。 2 . 2 海水淡化装置的系统结构 本文中 所研究的热泵式海水淡化装置主要由热泵蒸发器、 预冷器、 热泵空冷 式冷凝器、 热泵水冷式冷凝器、高 效加湿器和两个双向 风机组成。其结构如图1 所示。 1 . 5 双向风机，2 热泵蒸发器， 3 预冷器， 4 高效加湿器，6 热泵空 冷式冷凝器， 7 转换阀，8热泵压缩机， 9加湿器，1 0 热泵水冷式冷凝器， 1 1 海水加热水箱， 1 2 淡 水回收箱， 1 3竹 流阀，1 4 预冷器冷却水入口 ，巧预冷器冷却水出口 图1 海水淡 化装置系 统结构图 高效海水淡化装置具有海水淡化和空调一除湿两种物理过程。 装置在进行海 水淡化操作时， 制冷工质沿着双向箭头的方向运行。空气从右边进入， 首先通过 西北工业大学硕 仁 学位论文第_覃 海水淡化装置及数值建模 高效加% . 器， 在这里空气与从上喷淋而下 的 热的 海水发生传热传质， 空气的 温度 提高，湿度增大。接着通过预冷器，空气被冷凝到露点温度，产生淡水。最后通 过热泵蒸发器，湿空气沿着饱和湿空气曲线冷凝产生淡水。 加热水箱中的热泵水冷式冷凝器产生的热量用来加热海水，使其温度提高。 然后热的海水喷淋在高效加湿器表面 上与通过高效加湿器的空 气流发生传热传 质。 而通过高效加湿器未蒸发的海水被重新收集后， 再 通过泵流回到 海水加 热水 箱中完成海水侧的循环。 热 泵空冷式冷凝器 用于空调 一除湿， 在该装置中通过 转 换阀可以 实现热泵空冷式冷凝器与 热泵水冷式冷凝器的切换， 从而实现不同 的物 理过程。进行海水淡化时空气流向如图所示 ( 制冷工质以双向箭头方向运行) ， 使用热泵水冷式冷凝器， 关闭热 泵空冷 式冷凝器。 若空气流向相反时， 使用热泵 空冷式冷凝 器， 关闭 热泵水冷式冷凝器此时可以实现空调一一除 湿的目 的。 由 于 本文主要研究该系统的产水特性，其空调一除湿在这不再赘述。 系统在进行海水淡化操作时， 主要包括三个热力过程: 空气的 加热加 湿 1 - 2 ,湿空气的等湿降温 2 -3 ,湿空气的减湿减温 3 -4等。其湿空气热力过程如 图2 所示。 在海水淡化系统中，空 气的 加热加湿 1 - 2 最理想的情况是加 湿到饱 和湿空气状态， 湿空 气的冷凝过程即产生淡水的过程希望是沿着饱和湿空 气的曲 线凝结产生淡水。 图2湿空气的热力过程示意图 2 .3 湿空气相关状态热力参数及数学表达 含湿量d:是用来描述湿空气含湿状态的物理量，以单位质量干空气所含有 的水蒸气质量来表述 ， 显然， 含湿量在千空气时为零，随着m空气中水蒸气含量 的增加而增大。 d 一 rn , 一 鱼k g 水 蒸 气 /k g 干空 一屯 ( 2 一 1 ) mp,. 西北工业大学硕 仁 学位论文第_覃 海水淡化装置及数值建模 高效加% . 器， 在这里空气与从上喷淋而下 的 热的 海水发生传热传质， 空气的 温度 提高，湿度增大。接着通过预冷器，空气被冷凝到露点温度，产生淡水。最后通 过热泵蒸发器，湿空气沿着饱和湿空气曲线冷凝产生淡水。 加热水箱中的热泵水冷式冷凝器产生的热量用来加热海水，使其温度提高。 然后热的海水喷淋在高效加湿器表面 上与通过高效加湿器的空 气流发生传热传 质。 而通过高效加湿器未蒸发的海水被重新收集后， 再 通过泵流回到 海水加 热水 箱中完成海水侧的循环。 热 泵空冷式冷凝器 用于空调 一除湿， 在该装置中通过 转 换阀可以 实现热泵空冷式冷凝器与 热泵水冷式冷凝器的切换， 从而实现不同 的物 理过程。进行海水淡化时空气流向如图所示 ( 制冷工质以双向箭头方向运行) ， 使用热泵水冷式冷凝器， 关闭热 泵空冷 式冷凝器。 若空气流向相反时， 使用热泵 空冷式冷凝 器， 关闭 热泵水冷式冷凝器此时可以实现空调一一除 湿的目 的。 由 于 本文主要研究该系统的产水特性，其空调一除湿在这不再赘述。 系统在进行海水淡化操作时， 主要包括三个热力过程: 空气的 加热加 湿 1 - 2 ,湿空气的等湿降温 2 -3 ,湿空气的减湿减温 3 -4等。其湿空气热力过程如 图2 所示。 在