多级闪蒸海水淡化系统的优化设计

行了模拟 ,并对过程的操作变量和设计变量进行了 分析 。文献 [ 6210 ] 对多级闪蒸淡化的流程结构进行 了综合优化 ,给出了较为合理的流程结构 ; 并对多级 闪蒸和低温多效蒸发淡化系统在技术和经济上进行 了比较 ,给出了对两者进行选择的一些原则和方法 。 另一方面是对多级闪蒸的流程结构进行改进 , 以提 高能量的利用效率 。如 : Mussati 等 [ 11212 ] 提出了一 种混合器形式的多级闪蒸淡化流程 。严峻杰等 [ 13 ] 提出了一种多级闪蒸海水淡化的改进系统 。其改进 方法是利用供热汽轮机低压供热蒸汽作为热源 , 将
3. 1 优化模型
4 算 例
运用提出的混合遗传算法对多级闪蒸过程进行 优化 , 所需操作参数列于表 1 , 优化结果列于表 2 。 由表 2 可以看出 : 本文获得的热回收段级数高 于文献值 , 因而投资费用会相应增大 ; 但是本文的性 能比大大提高 , 即热效率提高 , 蒸汽消耗量降低 , 同 时补给水和循环盐水量也相应降低 , 减少了操作费 用 , 两者综合作用的结果是年度总费用大大降低 。
2. 5 盐水加热器模型
M sλ s = Uh Ah ( L M T D) h M sλ s = M r Cph ( T b0 - Tf1 )
在遗传操作过程中 , 适应度函数为本文的目标 函数 , 选择操作采用轮盘法 。交叉算子 :对整数变量 采用直接交叉法 , 对实数变量采用启发式交叉法产 生新个体 ; 变异算子 : 对整数变量采用随机变异 , 对 实数变量采用非均匀变异方法 。详细的交叉和变异 的实现过程见文献 [ 14 ] 。 求解过程中 , 种群数为 50 , 交叉概率为 0 . 8 , 变 异概率为 0 . 1 , 终止规则为适应度函数的最大值与 平均值的偏差小于 10 - 3 。
( Mf + M cw ) Cpf ( Tf j - Tf j +1 ) = U c j A c ( L M T D ) c j
约束条件包括物料衡算 、 动量衡算和热量衡算 , 见方程 ( 1) ～ ( 14) 。另外 , 流体在管内的流速为 1 ～ 3 m/ s ,浓盐水的排放质量浓度小于 7 000 mg/ L 。 3. 2 优化算法 上述数学模型中既有多级闪蒸级数整数变量 , 又有循环比连续变量 。因此 , 本文在基本遗传算法 的基础上 , 提出了整数与实数相结合的混合编码遗 传算法 , 其中 : 整数变量表示闪蒸级数 ( N R 为热回 收段级数 , N J 为热排放段级数) , 实数变量表示循环 比 R 。即遗传算法中的一个个体可表示为
Dλ Tb j ) j v j = B j - 1 Cpb ( T b j - 1 -
第4期
伍联营 ,等 : 多级闪蒸海水淡化系统的优化设计
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2. 3 排热段预热器模型
j- 1
Dλ Tc j ) j c j + Cpd ( Tc j - 1 -
k =1
∑D
k
= ( 6) ( 7)
( Mf + Mcw ) Cpf ( Tf j - Tf j +1 )
物料平衡
j- 1 j
B j- 1 +
k =1
∑
Dk = B j +
k =1
∑D
k
( 1)
盐平衡
Xbj B j = Xbj- 1 B j- 1 ( 2) ( 3)
图2 第 j 级闪蒸室单元模块示意图
Fig. 2 Scheme of t he stage j of MSF plant
能量平衡
淡水资源缺乏在世界范围内已是不争的事实 , 也是制约社会经济发展的主要瓶颈之一 。海水淡化 是解决淡水资源缺乏的重要途径 。 目前 , 多级闪蒸 海水淡化技术已趋成熟并被广泛应用 , 但能耗高是 制约其进一步推广应用的瓶颈 ,因此 ,如何降低淡化 水的能耗是摆在人们面前的一项重要课题
[ 122 ]
热排放段两部分 。原海水首先进入热排放段用来冷 凝闪蒸室里产生的蒸汽 , 同时海水被加热 。从排放 段出来的海水大部分返回大海 , 剩余部分与热排放 段末级的部分循环盐水混合 ; 再经盐水循环泵送入 热回收段的末级闪蒸室的冷凝管 , 沿着与闪蒸盐水 流动方向相反的方向依次冷凝各闪蒸室里闪蒸出的 蒸汽 ,同时自身也被逐渐加热 。循环盐水从第 1 级 闪蒸室的冷凝管出来后 , 进入盐水加热器被进一步 加热 ,然后进入第 1 级闪蒸室下部 ,循环盐水开始逐 级闪蒸 ,闪蒸出的蒸汽经冷凝 ,后进入下部的淡水槽 成为淡水产品 。
( N Ri , NJ i , R i )
式中 , j = m + 1 , M + 2 , …, N 。
2. 4 混合器和分配器模型
M r = B n + Mf - M b X r = ( B n X bn + Mf Xf - M b X b n ) / M r Mf = M d + M b Xf Mf = X bn M b ( 8) ( 9) ( 10) ( 11) ( 12) ( 13)
( 2) 盐水热容 、 沸点升高 、 汽化潜热等都是温度
式中 j = 1 , 2 , …, N ; N 为闪蒸级数 。 2. 2 回收段预热器模型
j- 1
Dλ Tc j ) j c j + Cpd ( Tc j - 1 -
k =1
∑D
k
= M r Cpf ( Tf j - Tf j +1 ) ( 4)
Optimization and Design of Multi2stage Flash Desalination System
W U L i an2y i n g , X I A O S hen g2nan , S U N S hen g2nan , S U N Ten g , Z H A N G J i an2j un ( Col le ge of Chem ist ry an d Chem ical Technolog y , Ocean U ni versi t y of Chi na , Qi n g d ao 266100 , S han don g , Chi na)
( 14) 定义循环比 R = M r / M d R 表示循环盐水的流率与淡水产率的比值 。该参数
对多级闪蒸过程的设计有着重要的影响 , 因为它与 闪蒸级数 、 温差等有关 。 计算过程中所用到的物性参数 , 如比热 、 黏度 、 汽化潜热等与温度 、 浓度的关系式详见文献 [ 9 ] 。
3 多级闪蒸系统的优化
表1 操作参数
Table 1 Operation parameters of example
T/ K M d/
目标函数 Min CTA
。
近几十年来 , 围绕如何降低多级闪蒸海水淡化 的能耗开展的大量研究主要有两个方面 : 一方面是 对多级闪蒸过程建立数学模型并采用优化算法进行 求解 。如 : 文献 [ 325 ] 对多级闪蒸系统的稳态操作进
收稿日期 :2008212210 基金项目 : 十一五国家科技支撑计划 (2006BAB03A04)
1 多级闪蒸海水淡化的原理
图 1 所示为现有的 MSF 系统 ,分为热回收段和
图1 多级闪蒸海水淡化流程图
Fig. 1 Scheme of t he MSF plant
2 多级闪蒸过程的数学模型
多级闪蒸过程的每一级都包括盐水蒸发 、 淡水 蒸发 、 海水预热 、 循环盐水流动等环节 。依据能量平 衡、 动量平衡和物料平衡的关系 ,在考虑如下因素的 基础上 ,可以建立多级闪蒸过程的单元模型 。 ( 1) 系统是绝热的 ;
Abstract : A rigo ro us mat hematical model of multi2stage flash system ( MSF ) is p resented based o n a detailed p hysicochemical rep resentatio n of t he p rocess , including all t he f undamental parameters such as temperat ure and co ncent ratio n of brine water. In particular , t hree integer variables , which are t he number of recovery stage , t he number of rejectio n stage , and t he ratio of recirculatio n brine water flow rate to dis2 tillatio n flow rate , are int roduced to t he mo del . The o bjective is to minimize t he total annual co st , which is mainly co mpo sed of t he operating co st s and invest ment co st . Here t he modified genetic algorit hm ( M GA ) characterized as mixing co ding way , is adopted for t he system optimizatio n. A case st udy and a discussio n of t he result s are p resented. Key words : multi2stage flash system ( MSF) ; desalinatio n ; genetic algorit hm ; optimizatio n design
作者简介 : 伍联营 (19712) ,男 ,副教授 ,研究方向 : 化工过程系统工程 。E2mail :wulianying @ouc. edu. cn
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华 东 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 35 卷
各级闪蒸室中闪蒸出的二次蒸汽的一部分引到下一 级闪蒸室中用来加热循环盐水 , 同时以供热机组凝 汽器的循环海水代替原海水作为多级闪蒸系统的补 充水 ,并建立了数学模型 ,分析了参数变化对系统性 能的影响规律 。 本文在考虑海水物性的基础上 , 建立了多级闪 蒸海水淡化系统 ( MSF) 的严格的数学模型 , 并用混 合遗传算法进行求解 , 获得了不同操作条件下的最 优流来自百度文库和工艺条件 。
Vol . 35 No . 4 2009208
华 东 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) Journal of East China Universit y of Science and Technology ( Nat ural Science Edition)
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文章编号 :100623080 ( 2009) 0420535204
多级闪蒸海水淡化系统的优化设计
伍联营 , 肖胜楠 , 孙圣楠 , 孙 腾, 张建军 ( 中国海洋大学化学化工学院 ,山东 青岛 266100) 摘要 : 在考虑盐水温度 、 质量浓度等物性参数的基础上 ,对多级闪蒸海水淡化系统进行了优化 设计 ,建立了严格的数学模型 。引入了热回收段级数 、 热排放段级数和盐水循环比 3 个变量 , 以年 度费用最小为目标函数 ,运用混合遗传算法进行求解 ,并给出了 1 个算例分析 。 关键词 : 多级闪蒸 ( MSF) ; 海水淡化 ; 遗传算法 ; 优化设计 中图分类号 : TQ085. 42 文献标志码 :A
M r Cpr ( Tf j - Tf j +1 ) = U r j A r ( L M T D ) r j
( 5)
式中 j = 1 , 2 , …, m ; m 为热回收段级数 。
和盐度的函数 ; ( 3) 总传热系数是温度 、 流速 、 管径的函数 ;
( 4) 考虑闪蒸过程的非平衡损失 ; ( 5) 各闪蒸室服从等温降分配 。 2. 1 闪蒸室模型