（化学工程专业论文）水分配网络同步设计与优化研究.pdf

摘要 随着经济和社会的发展，我国的水资源逐年减少而环境日趋恶化。化工行 业是水资源消耗的大户同时也是产生废水的主要来源，其水分配网络设计的合 理与否直接决定着企业用水成本和对环境污染程度的高低。因此，化工过程水 分配网络的优化与设计具有十分重要的意义和价值。本文在分析水分配网络研 究现状和发展趋势的基础上，对用水网络和废水处理网络以及二者同步优化设 计进行了研究，以期对化工行业的节水减排提供一些帮助。本文主要作了如下 几个方面的工作： 首先，本文以水源水阱匹配关系作为约束条件，建立用水网络的混合整数 线性规划模型。通过逐步调整水源水阱匹配关系矩阵眩】，把混合整数规划问 题转化成多步的线性规划问题。在最小新鲜水用量相同的条件下，设计出水源 水阱匹配关系数少，流程结构简单、投资成本少的用水网络。应用两个实例说 明了本文方法的有效性。 再次，水分配网络的分步设计不能全面考虑用水网络和废水处理网络之间 的相互作用，而同步设计能够更多地减少新鲜水用量、废水排放量和处理费用。 本文在研究水分配网络分步设计的基础上，对同步设计方法进行了探讨。先确 立一个包括所有可能方案的水分配网络同步设计超结构，然后以总费用最小为 优化目标建立数学优化模型，再利用列队竞争算法进行求解。最后，与分步设 计的结果比较说明所用方法的有效性。 最后，对于水分配网络同步设计中所形成的非凸非线性规划问题，本文提 出了利用列队竞争算法求解的策略。它克服了常规算法找不到可行解而收敛困 难或容易陷入局部解的局限性，在进化过程中始终保持着独立并行进化的家族， 通过家族内部的生存竞争和家族间的地位竞争这两种不同的竞争方式，使群体 快速进化到最优或接近最优的区域。非凸非线性规划测试函数和实例结果表明 列队竞争算法算法具有很好的收敛速度和以更大概率找到全局最优解的能力。 关键词：水分配网络，数学规划法，超结构建模，列队竞争算法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , w a t e rr e s o u r c e si nc h i n aa r es c a r c e y e a rb yy e a ra n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s c h e m i c a li n d u s t r y i st h em o s ti m p o r t a n tw a t e rr e s o u r c ec o n s u m e ra n dt h ep r i m a r ys o u r c eo fw a s t e w a t e r w h e t h e rt h ew a t e ra l l o c a t i o nn e t w o r ki sr e a s o n a b l eo rn o tw i l ld e c i d et h ew a t e r u t i l i z a t i o nc o s to fe n t e r p r i s e sa n dt h ei n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n t c o n s e q u e n t l y , t h e d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fw a t e ra l l o c a t i o nn e t w o r ki sv e r ys i g n i f i c a n t o nt h eb a s i s o fa n a l y z i n gt h ea c t u a ls t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fw a t e ra l l o c a t i o nn e t w o r k ，t h e p a p e rd i s c u s s e sw a t e r - u s i n gn e t w o r k ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r ka n d s i m u l t a n e o u s d e s i g n i n gi nd e t a i lt o d i r e c tt h ew a t e rs a v i n ga n dp o l l u t i o nr e d u c i n go fc h e m i c a l i n d u s t r i e s t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h em i x e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e li s e s t a b l i s h e dw i t ht h e w a t e rs o u r c e s i n km a t c h i n ga st h ec o n s t r a i n t s t os o l v et h i sm o d e l ，t h em a t r i x 阮月o f t h es o u r c ea n ds i n km a t c h i n gi sg r a d u a l l ya d j u s t e d ，a n dt h em i x e d - i n t e g e r p r o g r a m m i n gp r o b l e m i st r a n s f o r m e di n t oam u l t i s t e pl i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e m t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o dd i s c u s s e di n t h i sp a p e r , u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n so ft h e m i n i m u ma m o u n to ff r e s hw a t e r , i sa b l et oo b t a i nab e t t e rw a t e r u s i n gn e t w o r kw i t h f e w e rm a t c h e s ，s i m p l e rs t r u c t u r ea n dl e s si n v e s t m e n tc o s t s t w oe x a m p l e sa r eg i v e n t ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d s e c o n d l y , a ss t e p w i s ed e s i g no ft h ew a t e r a l l o c a t i o nn e t w o r ki sd i f f i c u l tt ot a k e f u l la c c o u n to fw a t e r - u s i n gn e t w o r ka n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r k ，d e s i g no f w a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r ka n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r ks i m u l t a n e o u s l yc a n r e d u c et h ef r e s hw a t e rc o n s u m p t i o na n dw a s t e w a t e rg e n e r a t i o nc a p a c i t y o nt h eb a s i s o fr e s e a r c ho fw a t e r - u s i n gn e t w o r ka n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e t w o r k , t h e s i m u l t a n e o u sd e s i g nm e t h o di sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h es i m u l t a n e o u sd e s i g n s u p e r s t r u c t u r eo fw a t e r a l l o c a t i o nn e t w o r ki n c l u d i n ga l lp o s s i b l eo p t i o n si sb u i l t t h e m a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dw i t h t h ec o s ta so p t i m i z a t i o n g o a l t h em o d e li ss o l v e du s i n gt h el c a t h ec o n t r a s to f c a s es t u d yw i t hs t e p w i s e d e s i g ni n d i c a t e st h ep r o p o s e ds i m u l t a n e o u sd e s i g na p p r o a c hi se f f i c i e n t e v e n t u a l l y , f o rt h en 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 gc a u s e db ys i m u l t a n e o u s i i d e s i g no fw a t e ra l l o c a t i o nn e t w o r k ，l c ai su s e di nt h ep a p e r i tc o m p e n s a t e st h e d e f i c i e n c y t h a tc o n v e n t i o n a lm e t h o di sd i f f i c u l tt o p e r f o r mg l o b a lo p t i m i z a t i o n b e c a u s eo fi t sm i s s i n gf o rf o r m e ri n f o r m a t i o n i nl c a a l g o r i t h m ，t h e r ea l w a y se x i s t i n d e p e n d e n ta n dp a r a l l e le v o l u t i o n a r yf a m i l i e s b yt w o d i f f e r e n tc o m p e t i t i o nf a s h i o n s w h i c ha r et h ec o m p e t i t i o nf o re x i s t e n c ei n s i d ef a m i l ya n dt h ep o s i t i o nc o m p e t i t i o n b e t w e e nt h ef a m i l i e s ，p o p u l a t i o ni sm a d et oe v o l v er a p i d l yt o w a r do p t i m a lo rn e a r o p t i m a lr e g i o n t e s tr e s u l t so fn o n c o n v e xn i pa n de x a m p l es h o wl c ah a sg o o d c 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 i n d i n gt h eg l o b a lo p t i m u mw i t hah i g h p r o b a b i l i t y k e y w o r d s ：w a t e ra l l o c a t i o nn e t w o r k ； m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ； s u p e r s t r u c t u r em o d e l i n g ；l i n e a r - u pc o m p e t i t i o na l g o r i t h m 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垂2 墟 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：速导师签名： 日期：纠，f 讲 武汉理t 大学硕+ 学位论文 1 1 选题的目的和意义 第1 章绪论 1 1 1 世界和我国的水资源概况 水资源是人类赖以生存和发展的重要资源之一，是不可缺少的特殊资源。 联合国曾经指出：2 1 世纪淡水将成为世界最紧张的自然资源，水将是2 1 世纪的 “石油 。 地球表面约有2 3 的面积被水覆盖，其中9 7 5 是咸水，在余下的2 5 的淡 水中又有8 7 是人类难以利用的两极冰盖、冰川、冰雪。目前，海水、深层地 下水、冰雪固态淡水等难以被直接利用，比较容易开发利用的湖泊、河流和浅 层地下淡水资源只占水总储量0 2 6 ，还不足全球水总量的万分之一【。近年来 全球性的干旱问题日趋严重，这给一些干旱、半干旱的国家和地区带来了严重 的缺水危机。 上世纪的世界人口增长了近3 倍，淡水消耗量增加了约6 倍，其中工业用 水增加了2 6 倍，而世界淡水总量基本不变，到2 1 世纪初人均淡水量仅为上世 纪初的1 1 8 。目前全球约有2 4 亿人生活在严重缺水地区1 2 】。随着工业的迅速发 展，目前全世界每年排放工业废水约4 2 6 0x1 0 8 m 3 ，这使本来就稀少的淡水资源 更加紧张。据联合国统计，全球每天至少有6 0 0 0 人死于饮用被污染的水而引起 的疾病，其中很大部分是5 岁以下的儿童1 3 1 。 1 9 9 6 年联合国在对世界水资源的全面评估的报告中指出：缺水问题将 严重制约2 1 世纪经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。1 9 9 7 年联合国大 会再次呼吁：目前地区性的水危机可能预示着全球性危机的到来。联合国全球 变暖问题研究小组主席约翰爵士指出：随着全球变暖，导致一些对立国家为争 夺日益减少的水资源发生冲突，甚至战争。 我国是一个水资源短缺的国家。据调查，我国每年平均降水总量约为6 2 万 亿平方米，可通过水循环更新的地表水和地下水的年平均水资源总量约2 8 万亿 立方米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位， 但人均只有2 2 0 0m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 ，是世界上1 3 个主要缺水围家之 一i 引，是公认的“贫水国”。扣除难以利用的洪水泽流和散布存偏远地区的地下 武汉理_ 亡大学硕士学位论文 水资源后，我国可利用的淡水资源量更少，仅为1 1 万亿立方米，人均可利用水 资源量约为9 0 0 m 3p j 。 我国的淡水资源空间分布又极不平衡，北方水资源贫乏，南方相对丰富。 长江及其以南地区流域面积占全国总面积的3 6 5 ，却拥有占全国8 0 9 淡水资 源总量，长江以北地区流域面积占全国总面积的6 3 5 ，拥有的淡水资源量仅占 全国的1 9 1 。即使在北方地区，淡水资源的空间分布和土地资源也极不平衡。 黄河、海河、淮河三流域的土地面积占全国的1 3 4 ，耕地占3 9 ，人口占3 5 ， g d p 占3 2 ，而淡水资源量仅占7 7 ，人均淡水资源量约5 0 0m 3 ，耕地水资源 少于6 0 0 0 n 1 3 k i n 2 ，是我国淡水资源最为紧张的地区。西北内陆河流域的土地面 积占全国的3 5 ，耕地占5 6 ，人口占2 1 ，g d p 占1 8 ，淡水资源量占4 8 ， 该地区属于旱区，但因人口稀少，人均淡水资源量约5 2 0 0m 3 ，耕地水资源量约 为2 4 0 0m 3 k m 2 。专家预言，2 0 1 0 年我国将进入严重缺水期，2 0 3 0 年我国缺水 将达4 0 0 亿立方米至5 0 0 亿立方米。因此，我国许多地区已经进入严重的淡水 危机状态，水问题到了不得不重视的地步1 6 , 7 1 。 目前我国的工业用水浪费严重，工业生产的用水量相比国外均高出数倍。 据美国世界观察研究所报告，中国生产1 吨乙烯所需的水量相当于美国或日本 的3 6 倍【8 】。同时，我国的水污染问题也日渐加剧，废水排放总量呈逐年上升 的趋势，其中相当大的部分未经处理直接排入江河湖库。在全国七大流域中， 太湖、淮河、黄河水质最差，约7 0 以上的河段受到污染；海河、松辽流域污 染也相当严重，污染河段占6 0 以上。从全国情况来看，污染正从支流向干流 延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩展。全国有6 4 的城市地下水受到污染，3 3 的城市地下水受到轻度污梨9 1 。因此，当前加强水 资源的保护和节水减排是迫在眉睫的大问题。 1 1 。2 节水减排的技术途径 为解决水资源不足问题，许多国家把节约工业用水以及重复利用废水作为 节水的重点。我国的工业用水形势非常严峻，一是用水增长速度加快；二是用 水效率水平较低，我国工业用水效率与国际先进水平相差悬殊，我国每万元增 长值取水量约为美国的2 2 倍，造成大量的水被浪费；三是废水排放量大，对很 多饮用水源造成污染，加剧了水资源的短缺。许多企业在无限度消耗水资源的 武汉理工人学硕十学位论文 同时，还不断排放大量的废水，造成水资源的恶性循环，使环境不断恶化。因 此，节水减排工作已成为我国可持续发展的重要前提，而节水减排是一项综合 性很强的系统工程，其技术途径【4 j 主要有： 1 ) 工艺节水 通过实现清洁生产、改变生产工艺、采用少水的生产工艺和合理进行工业 生产布局，以减少对新鲜水的需求。例如以空气冷代替水冷，用干法洗涤代替 湿法洗涤。 2 ) 设备或器具节水 设备或器具节水是指通过改进过程用水设备或用水器具的结构，提高设备 或器具的用水效率，具有显著的节水功能，达到节水的目的。例如，感应式水 龙头、自动厕所冲洗设备等。 3 ) 循环冷却水的节约 循环冷却水是一种经济合理的用水方式，是工业生产节约用水的重要措施。 提高冷却水的循环效率是减少冷却水补充量的重点。 4 ) 水分配网络技术 水分配网络技术体现了“系统着眼，按质用水，一水多用 的节水原则， 主要可以采用废水直接回用、废水再生回用和废水再生循环三种基本方式及其 组合方式对用水系统进行合理的分配和利用。 a 废水直接回用( r e u s e ) 从某个用水单元出来的废水直接用于其他用水 单元而不影响其操作。 b 废水的再生回用( r e g e n e r a t i o n r e u s e ) 从某个用水单元产生的废水或 多个用水单元产生的废水汇总，经过全部再生或部分再生后，作为其他用水单 元的水源，从而大幅度减少新鲜水消耗量和废水的排放量。 c 废水的再生循环( r e g e n e r a t i o n - r e c y c l i n g ) 从某个用水单元产生的废水 经过全部再生或部分再生后，作为水源重新回到该单元再用，从而大幅度减少 新鲜水消耗量和废水的排放量，并且常常实现产品的回收和零排放，具有可观 的经济效益和社会效益。 水分配网络技术是从系统工程的角度出发，将整个用水过程和废水处理过 程作为一个系统进行考虑，采用过程系统集成的原理和方法对水系统进行优化， 提高水的重复利用率，使整个系统的新鲜水消耗量和废水排放量都减少。该方 法是研究水系统节水效率最大化的主要方法之一，也是本文的主要研究对象。 武汉理：亡大学硕士学位论文 1 1 3 本文选题的目的及意义 水资源是基础自然资源，是人类社会及其经济活动发展的重要因素之一。 在我国，水浪费和水污染导致的水资源问题已非常严重，它不仅制约社会的发 展和进步，而且直接影响着人们的生存和发展。因此，节水减排已经成为我国 可持续发展的重要前提之一。 对于化工行业，许多企业在消耗大量水资源的同时，还不断排放大量的废 水，造成环境问题不断恶化。从上世纪8 0 年代，人们越来越关注水资源和环境 问题，同时企业用水和废水处理费用不断升高，使得企业不断改进以减少新鲜 水用量和废水排放量，水分配网络的优化设计由此产生。 水分配网络优化设计是指通过对用水过程的合理分配使新鲜水用量和废水 排放量减少，并以处理费用最少为目标对废水进行处理后达标排放。目前研究 较多的是分步设计，即对用水网络和废水处理网络分别进行设计，求出以新鲜 水用量最小为目标的用水网络和以费用或处理流量最小为目标的废水处理网 络。但是这两者的最优之和并不一定是整个水分配网络的最优值，因此我们采 用同步设计，即在满足各种约束条件的情况下，同时考虑两个网络的设计方法， 以达到整个系统的最优。因此，研究水分配网络同步设计的超结构和数学优化 模型，并研究其求解算法，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状及理论进展 1 2 1 水分配网络发展概述 通常水分配网络可分为两部分，一部分是由用水单元和管路构成的用水网 络，另一部分是由废水处理单元和管路构成的废水处理网络【l o l 。水分配网络经 历了以下几个发展过程1 1 1 j ，图中p 代表用水单元，t 代表废水处理单元。 1 ) 传统的工业用水方式时期 上世纪7 0 年代，人们没有意识到节水减排的作用，所有的用水单元都使用 新鲜水，然后所有用水单元产生的废水被序列处理后排放，如图1 - 1 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 用水过程 - - - - - p 1 ： 废水处理过程 i 新鲜水 il ：废水；一厂： 。厂二 厂 ! 排放。 - -ll 7 l k i ： ：厂 ! 三厂 二迎 7 l i ? i l j i 1 p 3 i 图1 1 传统工业水分配网络 2 ) 用水网络水回用时期 到上世纪8 0 年代，人们开始意识到某些用水单元产生的废水可以部分或全 部用于其他的用水单元，从而降低整个用水系统的新鲜水用量，此时就出现了 用水网络的优化设计，如图1 2 所示。 图1 2 用水回用时期水分配网络 3 ) 分布式废水处理时期 ni - 世纪9 0 年代，人们意识到废水集中处理很不划算，把废水分成等级进 行分别处理更合理，这样分布式废水处理逐渐取代了集中式废水处理，此时出 现了用水网络和废水处理网络的分步设计，如图1 3 所示。 武汉理j r ：大学硕+ 学位论文 删一 ： i7 u i i f 鲜水 ：r ： 废水 ： 。【 。! i i 捧放 l 二一一 i l 一1 ： r i i 用水过程 ! r ：。!1 。厂= = i 图1 3 分布式废水处理时期的水分配网络 4 ) 全分布式水分配网络设计时期 2 1 世纪后，废水处理和水回用进一步结合，部分用水单元产生的废水可直 接用于某些用水单元，部分废水处理后也可用于某些用水单元，通过再生回用 和再生循环降低新鲜水的用量和废水的产生量，如图1 4 所示。 _ 二二- j 一一u l - 日i 排放 j 新鲜水 ：。口 一一l 一一 ! 一f r 二= 图1 4 全分布式水分配网络 1 2 2 水分配网络设计的研究方法 水分配网络技术是将化工企业的整个水系统作为一个有机的整体来对待， 考虑如何分配各个用水单元的水量，以使系统水的重复利用率达到最大，废水 6 武汉理t 大学硕十学位论文 的排放量达到最小。水分配网络技术属于过程集成的一种，图1 5 是一个典型的 水分配网络【4 1 。 新鲜水供给 废水排放 图1 5 水分配网络示意图 通常，过程集成策略包括分步设计策略和同步设计策略。分步设计策略是 指化工过程是由反应、分离及再循环系统、热回收和公用工程等子系统组成的 一个复杂系统，这些子系统相互耦合给过程设计带来了许多的困难。同步设计 策略是指同时考虑化工过程所包含的几个组成部分，实现过程子系统、换热网 络和公用工程子系统的同步协调优化，该策略一般借助于数学规划、计算机等 技术实现【1 2 】。 目前，研究水分配网络优化设计的方法主要有水夹点分析法和数学规划法。 1 ) 水夹点分析法【1 3 1 6 1 水夹点分析法是在平面坐标图上描述和分析用水系统，又称为图示法。用 水系统的极限复合曲线与最小供水线的重合点就是所谓的“水夹点”。夹点分析 法是在上世纪7 0 年代由英国l i n n h o f f 教授等人创立的，夹点分析法现已广泛地 应用于目标设定上，成为工艺流程设计和过程设计的通用方法。水夹点分析法 所用的坐标图可以是负荷浓度图，即以水中的杂质浓度为纵坐标，以杂质负荷 为横世标；也可以是流量浓度图，即以水中的杂质浓度为纵 l 垒标，以水的流量 为横坐标。 7 武汉理i t 大学硕十学位论文 水夹点分析法主要用于三个方面：一是通过对用水过程进行分析，预测新 鲜水的最小用量；二是通过水回用、再生循环等技术，设计一个以实现新鲜水 用量和废水排放量最小的网络结构：三是通过改变过程，改造现有的用水网络 以使新鲜水量最小化。 水夹点分析法的主要优点是物理概念强，易于理解，简洁直观，特别适合 于单杂质系统的优化求解。但由于二维图形的限制，使其在解决多杂质水系统 集成问题上存在困难，而且无法解决与水量无关的目标和约束，例如以费用最 小为优化目标的问题。 2 ) 数学规划法【1 - 1 9 l 数学规划法是基于对水分配网络系统所建立的超结构模型。超结构是指包 含水分配网络所有可能网络结构的模型。根据水分配网络的超结构模型，通过 确定目标函数和约束条件，建立数学优化模型。通过求解该数学模型，就可以 得到达到目标函数要求并满足约束条件的水分配网络。通常的数学规划模型如 下所示： m i n z = ，o ，y )( 1 - 1 ) 耳， s t h ( x ，y ) = 0 g o ，) ，) 墨0( 1 - 2 ) x e x ，y 0 ，q 其中，舷，纠是目标函数；h ( x ，y ) = 0 是等式约束，g ( x ，y ) s 0 是不等式约束。 工是连续变量，对应设计变量；y 是离散变量，取1 或0 表示是否选择方案。 数学规划法主要包括线性规划法( l p ) 、非线性规划法( n l p ) 、混合整数 线性规划法( m i l p ) 和混合整数非线性规划法( m l p ) 。 数学规划法的主要优点是可用于具有多杂质的复杂系统，而且可以通过设 定不同的目标和约束条件，而使水分配网络具有不同的性质。例如，可以新鲜 水最少为目标得到最经济的网络结构；也可以连接数最小为目标而得到最简的 网络结构。但由于数学规划法的求解过程是一个黑箱模型，不直观，使用者无 法了解模型求解过程。由于数学模型一般为非线性，使得求解结果不能保证全 局最优，即使能求得全局最优解，通常也存在多个最优解。 8 武汉理r t 大学硕十学位论文 1 2 3 水分配网络的研究进展 水分配网络优化设计主要可以采用废水回用、废水再生回用和废水再生循 环三种基本方式及其组合方式来减少新鲜水用量和废水排放量，并且达到环境 排放标准。水分配网络优化设计问题可以把用水网络和废水处理网络分步求解， 也可以二者同步求解找出最优解。 1 2 3 1 用水网络设计 1 9 8 9 年，e 1 h a l w a g i 和m a n o u s i o u t h a k i s 2 0 】引入质量交换网络的概念，采用 图解法标述了富流和贫流的累积质量交换量和组成之间的关系，从而确定了夹 点。 1 9 9 4 年，w a n g 和s m i t l l 2 1 1 将质量交换网络技术运用到废水最小化问题，提 出了直接计算最小新鲜水量的目标值法，并用该法找到最佳回用水方案。他们 还提出了设计用水网络的两种方法，第一种是最大传质推动力法；第二种是最 小水源数法。 1 9 9 6 年，o l e s e n 和p o l l e y 2 2 】提出了一种用于单杂质系统用水网络的设计方 法，但该方法依赖于夹点的确定，只能处理水单元数目比较少的系统。 已 篝 v 性 鼎 隧 谣 0 0 0 新鲜水 0 5 01 0 0 1 5 02 0 0 流量( t h ) 图1 - 6 水央点技术示意图 9 武汉理： 大学硕十学位论文 1 9 9 6 年，p a u lt f i p a t h i l 2 3 j 提出了以水的最大重复利用率为目标的新型水夹点 技术，如图1 - 6 所示。该技术建立一个以杂质浓度为纵轴、流量为横轴的坐标图， 得到了阶梯状的组合曲线。图中各用水单元入口水流形成的阶梯线称为用水组 合曲线，出口水流形成的阶梯线称为水源组合曲线，由入口处水流的杂质浓度 及流量可得到一水平线段。图中两组阶梯线重叠的部分代表水在此可得到再利 用，没有重叠的那部分用水组合曲线使用新鲜水，没有重叠的那部分水源组合 曲线作为废水排放，两组阶梯线相交位置即为水夹点。 2 0 0 0 年，g r a h a mt p o l l e y 和h e l e nl p o l l e y z 4 j 提出了通过改变某些用水过程 来提高水的重复利用率，进一步减少新鲜水的用量。如图1 7 所示，通过混合单 元a 与b ，使水源线上移同时水夹点左移，增加了水的重复利用率。 o 5 0 粤l 越 斑 喀 1 誉l 弋n 流量( t h ) 图1 7 流股混合后的新型水夹点技术示意图 2 0 0 2 年，n h a l l a l e 2 5 j 提出了一种不同的水夹点分析法，通过建立p f 图和 剩余水图求出夹点。n h a l l a l e 还提出了把水源按照再生用途分为夹点上方、跨 越夹点和央点下方三类。 2 0 0 0 年，y a n gl o u 和h u a n g i 2 6 1 提出了利用数学规划法求解w w r n ( w a s t e w a t e rr e u s en e t w o r k ) 网络，首先建立用水网络超结构，然后对每个用水单元建 模求解，但该模型是大型的非线性规划问题，求解比较困难。 1 0 武汉理： 人学硕士学位论文 2 0 0 0 年，s a v e l s k i 和b a g a j e w i c z l 2 7 提出了单杂质水分配网络最优设计的必要 条件，并提出了最优设计算法，减小了超结构的规模。其设计思想如下： 首先介绍一些有关定义： 新鲜水用户单元( 刚) ：需要新鲜水的单元，也可能是废水的用户。 废水用户单元( w w u ) ：只使用废水的单元。 头单元( h ) ：只能使用新鲜水的特殊单元。 中间废水用户单元( i ) ：使用其它单元废水并供给其他单元废水的单元。 终端废水用户单元( t ) ：使用其它单元废水并将废水排至处理器的单元。 j 单元的前驱单元( p j ) ：将废水输入j 单元的全部单元。 j 单元的接受单元( r j ) ：所有接受j 单元的废水的单元。 部分废水供给者( p w p ) ：一个自身废水被其他单元部分再利用的单元，就 是一个将自身部分废水直接送去处理的单元。 全部废水供给者( t w p ) ：一个自身废水被其他单元全部再利用的单元。 最优性必要条件： 定理1 浓度单调性必要条件 如果对于水分配网络一个解是最优的，那么对每一部分废水供给者( p w p ) 的出口浓度不会比来自所有先驱单元的混合废水流浓度低。 也就是说，给定一个满足p w p 定义的单元j ，当历，耐0 时，c j 棚，c e j ， c e , ，为全部先驱单元混合废水浓度。图其中图1 8 给出了有关的相互连接，并 忽略其他与此无关的部分。 图1 - 8 用水网络的相互连接 武汉理：亡大学硕士学位论文 推论1 如果给定单元j 的一个解是最优的，且c 竹舢，= c d 。，这种解决 方案是次优的，因为任何从其先驱单元输给单元_ 的废水没有改变总进水量。 推论2 如果一个单元是一个t w p ，那么至少存在一个可能的满足单调性 的最优解。 定理2 头单元最大出口浓度必要条件 如果一个水分配网络问题的解是最优的，那么一个部分废水供给者头单元 的出口浓度等于它的最大值。 推论1 如果一个头单元h 是最优的，而且是一个全部废水供给者，那么在 新鲜水进量相同时，任何含有c 咖。，【c 肌细，c 篇，】的解也是最优的。 定理3 最大中间单元浓度的必要条件 如果水分配网络问题的解是最优的，则中间单元的出口浓度达到它的最大。 推论1如果一个中间单元，是一个全部废水供给者，那么在新鲜水进量相 同时，任何还有c ，朋，【却，c 淼】的解也是最优的。 推论2 如果巳，伽，c 胁i n a x ，这也是一个中间单元j 达到它的入口最大浓度 的最优性必要条件。 定理4 终端单元最大浓度的必要条件 如果水分配网络问题的解是最优的，那么一个终端新鲜水用户单元的出口 浓度达到它的最大可能值。 基于最优性必要条件的算法设计： 步骤一：按最低极限出口浓度到最高极限出口浓度将各个单元进行排序； 步骤二：提供新鲜水给序列中第一个单元使之达到可能最高出口浓度。对 所有新鲜水用户重复此程序； 步骤三：使由步骤二所产生的废水能得到最大程度的回用； 如果单元是一个新鲜水用户，尽量多用最低浓度的水，用新鲜水稀释使得 不超越最大入口浓度。如果单元是一个废水用户，尽量多使用浓度接近最大入 口浓度的水。这样，比最大入口浓度高的最接近最大入口浓度的水将被比最大 入口浓度低的最接近最大入口浓度的水稀释。 步骤四：重复步骤三直至完成所有单元。 2 0 0 0 年，b a g a j e w i c z 和r i v a s l 7 8 j 提出了能确保求出多杂质用水网络最优解的 树搜索法。树搜索法基本上采用“枚举法”，它包含所有可能的连接，而且不断 通过更改上界来得到最优结构，其操作步骤如下： 1 2 武汉理：【：大学硕士学位论文 步骤一：首先考虑头单元并且不将它作为一个新的分支节点； 步骤二：每一次使用最大回用原则发展树的分支包括所有的单元，构成现 在的上界； 步骤三：当任何节点上的总体费用大于上界，不再发展从这个节点开始的 子分支； 步骤四：如果一个分支充分发展到包括所用的单元，更新上界。 2 0 0 0 年，李保红【2 9 1 对用水设计最优性必要条件做了补充和系统化，并对基 于多杂质最优性必要条件的设计算法进行了研究。 2 0 0 4 年，徐冬梅【刈对单杂质再生回用的用水系统，提出了基于序贯操作模 型的优化方法。该方法分别针对单组分含再生再利用的用水网络设计可能存在 的三种情况，以新鲜水和再生水用量最少为目标，建立序贯操作模型，把问题 最后归结为非线性规划问题求解。 2 0 0 6 年，郑雪松等【3 1 】提出了用连接数来描述用水网络结构的复杂性，以最 小新鲜水量和网络连接数为目标，建立了多杂质水回用网络的数学优化模型， 该法确定的用水网络具有很好的经济性。 1 2 3 2 废水处理网络设计 上世纪大部分的化工企业采用集中式废水处理方式，即把废水全部集中到 一个废水池中，然后依次经过物理、化学和生物等处理达标后排放。近几年， 人们逐渐采用更有优势的分布式废水处理方式。在集中式废水处理中，即使两 股需要不同的处理操作也被混合后经过每个处理操作，增加了投资和操作费用。 相反，在分布式废水处理中，不同的流股被隔离开分别进行处理。 1 9 9 2 年，m a l a u g l i n 等f 3 2 1 提出了大多数废水处理单元的设备费与处理流量成 正比，当除去杂质的负荷一定时，处理单元的操作费用随杂质浓度的降低而增 加。 1 9 9 4 年，w a n g 和s m i t h l 3 3 】提出了夹点法用于废水处理网络的设计，通过先 作图确定出水夹点，再得到废水最小处理流量，然后通过夹点设计法得到相应 的网络结构。文中假定： 1 ) 在处理前后废水流量不发生变化，即 矗= 如 1 3 ( 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 处理单元可用杂质去除率r 表示： r ；! 垒鱼二垒壁竺生 f e n c h 由条件1 ) 可简化为： ( 1 - 4 ) 尺! ! ! ：! ! ：2 ( 1 5 ) ch 3 ) 处理费用是正开的函数。 在上述假定条件下，他们还提出了三个设计规n - 1 ) 废水进口杂质浓度大于夹点浓度的流股必须完全通过处理单元； 2 ) 废水进口杂质浓度等于夹点浓度的流股可部分通过处理单元； 3 ) 废水进口杂质浓度小于夹点浓度的流股必须完全不通过处理单元。 1 9 9 8 年，g a l a n 和g r o s s m a n i 矧利用数学规划法对多杂质废水处理网络进行 设计，先建立废水处理网络的超结构模型，再对模型进行求解。但该超结构是 非线性规划问题，一般难以保证所得解的最优性。 2 0 0 3 年，李保红等【3 5 1 提出了一种用于单杂质废水处理网络设计的新方法， 该方法由一个原则和三个规则组成，其指导思想是全局的最优性通过保证每一 步的最优性来实现，这样得到没有流股混合的初始分布式网络结构，再依据四 个规则进行调优。 1 2 3 3 水分配网络同步设计 1 9 8 0 年，t a k a m a 等【3 6 j 对石油炼制厂的水分配网络进行深入研究，提出了 图1 - 9 炼油厂用水和废水处理系统超结构 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 水分配网络优化设计应该包括用水系统和废水处理系统，并建立了包括两者的 超结构模型如图1 - 9 所示，并通过去掉一些不相关的和不经济的连接来简化系统 结构。 1 9 9 7 年，d o l y e 和s m i t h l 3 7 1 考虑了用水过程和废水处理过程之间的相互关系， 他们先利用夹点法对用水网络和废水处理网络分别处理，然后通过反复迭代得 到总体的优化网络结构，其缺陷是用水单元和废水处理单元集成的机会可能被 忽略。 1 9 9 8 年，k u o 和s m i t h 3 8 j 又进一步分析了用水过程与废水处理过程之间的相 互作用，提出了将这两部分作为一个整体来考虑。这种网络结构已分不出用水 过程和废水处理过程。 1 9 9 8 年，a l v a a r g a e z 3 9 1 建立了水分配网络的数学模型，并考虑了其中水的 损失问题。 2 0 0 3 年，李英【1 2 】提出了水夹点分析与数学规划法相结合求解水分配网络同 步设计问题。以处理单元基建费用、操作费用以及新鲜水费用的总费用为优化 目标，利用数学规划法建立超结构及数学优化模型，采用g a m s 和自适应模拟 退火遗传算法得到水分配网络最优结果，在一定程度上克服了超结构规模过大， 求解困难的缺点。 3 本文的研究内容 水分配网络优化设计包括以新鲜水量最少为目标的用水网络的优化设计， 和满足排放标准的处理流量或处理费用最小为目标的废水处理网络的优化设 计。本文主要研究基于水源水阱匹配关系约束的用水网络设计和以处理流量最 小为目标的废水处理网络，然后研究年度总费用最小为目标的水分配网络同步 设计，并利用列队竞争算法求解得出整个系统最优解和最优网络结构，并对分 步设计和同步设计进行比较。具体的内容如下： 第1 章阐述了水资源的概况以及水分配网络优化设计的概念和方法，并着 重介绍了用水网络和废水处理网络和二者同步设计的研究现状和理论进展。 第2 章分别研究用水网络设计和废水处理网络设计。一是研究基于水源水 阱匹配关系约束的用水网络优化设计，该法引入水源水阱匹配关系矩阵阮1 ， 通过对关系矩阵元素的调整，设计出流程结构最简单的用水网络。二是研究废 武汉理工大学硕士学位论文 水处理网络的超结构和数学优化模型，并利用数学规划法和m a t l a b 软件求解。 第3 章对水分配网络的同步设计进行了研究。利用数学规划法对多杂质多 处理单元水分配网络进行设计，对于建立的数学模型利用列队竞争算法进行求 解。同时研究利用列队竞争算法求解非凸n l p 问题，并用测试函数测试其性能。 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章水分配网络的分步设计 目前，水分配网络优化设计的研究主要是通过分步设计来实现，即先对用 水网络进行设计使新鲜水量和废水量最小，再进行废水处理网络设计使废水达 到环境标准排放。解决水分配网络设计的最有效方法是夹点分析法和数学规划 法，二者各有优缺点。对于用水网络设计，本文主要是结合夹点分析法和数学 规划法的优势，建立了基于水源水阱关系约束的数学优化模型，设计出新鲜水