膜法反渗透海水淡化的动态优化控制
发布时间：2020-07-22 08:21
【摘要】：随着全球经济以及人口的快速增长,水资源短缺问题日益显现。为缓解日益增长的水资源短缺问题,膜法反渗透技术凭借其成本和工艺优势已成为当前发展前景最好的淡水资源获取技术。但是基于高压驱动的膜法海水淡化系统运行成本仍然偏高,限制了膜法反渗透海水淡化技术的进一步大规模应用。因此,在理解反渗透系统的工作原理基础上进行反渗透过程的操作优化研究,将有助于反渗透海水淡化厂节能运行。本文在分析反渗透系统的工作原理和建立模型的基础上,进行了以下三个方面的工作:1、全面介绍了反渗透海水淡化问题的背景概况,并根据质量守恒、溶解扩散理论,建立了反渗透过程的数学机理模型。考虑到模型方程中含有非线性微分方程组导致的求解困难问题,本文采用有限元正交配置的联立法进行求解。然后将本模型求解得到的各参数情况与实际工厂数据作对比,验证了模型的准确性和有效性,为后续的优化和计算奠定了基础。2、为了确保膜法反渗透海水淡化系统优化求解的快速性和准确性,研究了全联立离散动态优化问题的离散精度和网格划分问题,提出了一种基于非配置点误差估计的移动有限元网格划分方法。该改进算法采用自适应迭代优化求解思想,在保证求解精度的同时能够尽可能减少有限元个数,并且计算时间也大幅度减少。为验证算法有效性,采用了多个动态优化控制实例进行了验证,在此基础上将该方法用于本海水淡化系统操作优化,有效减少了有限元网格数量,使得优化计算时间明显降低。3、将海水淡化系统反渗透制水和产水过程联合起来开展操作优化研究以降低运行费用,提出了一种基于用水负荷滚动预测的实时操作优化控制策略。该策略利用分时电价和中间蓄水环节提高系统节能降费潜力,采用一种新的时间序列用水负荷预测方法以提高预测精度,并通过滚动预测和校正的策略修正负荷预测,在此基础上通过滚动地求解优化操作命题以得到最优操作压力和最优操作流量曲线。计算结果表明采用该方法能够很好的解决负荷大范围变化的情况,与常规预测方法相比不仅能耗费用更低,而且更加实用和安全。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P747
【图文】：
场合下得到应用。通过原-对偶内点原理，将变量中的对数障碍函数相关的边界约束转换成可以在模型方程中求解的等式，这样可以使起作用约束集的 SQP 算法得到避免，同时使用滤网线性搜索方法来保证全局收敛性。当前 IPOPT 求解器有全空间方法和简约空间方法的两种分类[75]，且 IPOPT 求解器还提供自动参数整定算法(PAT)和收敛深度控制算法(CDC)[76]等功能，这使得该求解器具有更多的可扩展性。综合上述优点，因 IPOPT 针对大规模非线性问题的求解性能优于其它求解器，故本文采用 IPOPT 作为求解文章内所有算例的求解器。1.4 本文研究内容及结构本文主要研究的是膜法反渗透海水淡化的动态优化问题，目的使动态优化命题的求解精度和效率更高。本文首先全面介绍了海水淡化问题的背景和基本概念，研究了基于有限元正交配置的联立法求解动态优化问题。接着建立了膜法反渗透海水淡化的数学机理模型，为解决有限元给数学模型带来的离散和求解精度问题，本文通过研究学习前人的成果，提出了一种改进的移动有限元算法。最后对时均用户用水量进行了预测，通过本文所提出的预测方法，大大提高了每个时段的用水量预测值，操作费用也大幅度降低。本文的研究框架如图 1.1 所示。
第2章 反渗透海水淡化系统的建模仿真2.1 引言在过去的几年中，随着对淡水需求的快速增长，使用海水淡化技术已成为解决水资源短缺的重要手段。就目前而言，反渗透(Reverse Osmosis, RO)技术是最为广泛使用的脱盐工艺。反渗透技术的进步已经使得溶质和溶剂能够更有效的分离，并且已经成为当下成本较低的操作方法。反渗透过程的性能取决于供水压力、溶解固体浓度、膜承受系统压力、膜脱盐率，膜污染特性和所需的渗透物溶质浓度。然而出于对经济效益的考虑，在构建整个海水淡化系统之前需要做大量的仿真研究。其中如何降低系统的制水成本已经成为海水淡化领域重要的研究方向之一[77,78]。因此需要建立精确的数学模型来描述整个 RO 系统运行状况。通过模型来选择合适的操作变量，最终来降低制水成本。根据以上分析，下文将结合 SWRO(Seawater ReverseOsmosis)工艺流程与机理对整个卷式反渗透过程进行建模和求解。2.2 反渗透海水淡化系统的工艺流程
图 2.2 卷式反渗透膜进水通道模型反渗透传输模型化的理论模型来预测RO膜的性能具有重要意义。该模型考虑了浓差极化操作的主要影响是增加传质递系数ck ，这导致相对于进料本体中的浓度散率提高，同时降低了膜壁处的盐浓度mC ，进而提高了渗透通量vJ 。对质传输的各种模型和机理已经由许多研究者讨论和提出[79]。因此，通过义为：( )v wJ A P= π 0 1 2273exp( (P ))273w w f dTA FA MFA A Pα α = 的溶剂通量大小取决于施加在膜上的压力减去膜进料侧和渗透侧溶液的的通量定义为：( )s s m pJ = B c c0 1273exp( )273s sTB FB MFB Bβ =
本文编号：2765558
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P747
【图文】：
场合下得到应用。通过原-对偶内点原理，将变量中的对数障碍函数相关的边界约束转换成可以在模型方程中求解的等式，这样可以使起作用约束集的 SQP 算法得到避免，同时使用滤网线性搜索方法来保证全局收敛性。当前 IPOPT 求解器有全空间方法和简约空间方法的两种分类[75]，且 IPOPT 求解器还提供自动参数整定算法(PAT)和收敛深度控制算法(CDC)[76]等功能，这使得该求解器具有更多的可扩展性。综合上述优点，因 IPOPT 针对大规模非线性问题的求解性能优于其它求解器，故本文采用 IPOPT 作为求解文章内所有算例的求解器。1.4 本文研究内容及结构本文主要研究的是膜法反渗透海水淡化的动态优化问题，目的使动态优化命题的求解精度和效率更高。本文首先全面介绍了海水淡化问题的背景和基本概念，研究了基于有限元正交配置的联立法求解动态优化问题。接着建立了膜法反渗透海水淡化的数学机理模型，为解决有限元给数学模型带来的离散和求解精度问题，本文通过研究学习前人的成果，提出了一种改进的移动有限元算法。最后对时均用户用水量进行了预测，通过本文所提出的预测方法，大大提高了每个时段的用水量预测值，操作费用也大幅度降低。本文的研究框架如图 1.1 所示。
第2章 反渗透海水淡化系统的建模仿真2.1 引言在过去的几年中，随着对淡水需求的快速增长，使用海水淡化技术已成为解决水资源短缺的重要手段。就目前而言，反渗透(Reverse Osmosis, RO)技术是最为广泛使用的脱盐工艺。反渗透技术的进步已经使得溶质和溶剂能够更有效的分离，并且已经成为当下成本较低的操作方法。反渗透过程的性能取决于供水压力、溶解固体浓度、膜承受系统压力、膜脱盐率，膜污染特性和所需的渗透物溶质浓度。然而出于对经济效益的考虑，在构建整个海水淡化系统之前需要做大量的仿真研究。其中如何降低系统的制水成本已经成为海水淡化领域重要的研究方向之一[77,78]。因此需要建立精确的数学模型来描述整个 RO 系统运行状况。通过模型来选择合适的操作变量，最终来降低制水成本。根据以上分析，下文将结合 SWRO(Seawater ReverseOsmosis)工艺流程与机理对整个卷式反渗透过程进行建模和求解。2.2 反渗透海水淡化系统的工艺流程
图 2.2 卷式反渗透膜进水通道模型反渗透传输模型化的理论模型来预测RO膜的性能具有重要意义。该模型考虑了浓差极化操作的主要影响是增加传质递系数ck ，这导致相对于进料本体中的浓度散率提高，同时降低了膜壁处的盐浓度mC ，进而提高了渗透通量vJ 。对质传输的各种模型和机理已经由许多研究者讨论和提出[79]。因此，通过义为：( )v wJ A P= π 0 1 2273exp( (P ))273w w f dTA FA MFA A Pα α = 的溶剂通量大小取决于施加在膜上的压力减去膜进料侧和渗透侧溶液的的通量定义为：( )s s m pJ = B c c0 1273exp( )273s sTB FB MFB Bβ =
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 伍联营;肖胜楠;胡仰栋;高从X&;;热膜耦合海水淡化系统的优化设计[J];化工学报;2012年11期
2 李前兴;刘兴高;吴高辉;;一种自适应变步长迭代动态规划方法研究[J];科技通报;2010年05期
本文编号：2765558
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