石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的研究

馮超

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710065）

石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的研究

馮超

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710065）

該文主要分析了當(dāng)前石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的問題以及國內(nèi)外節(jié)水優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了水夾點-數(shù)學(xué)規(guī)劃法對石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化的過程，闡明了該水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)以后的主要研究方向。

石化企業(yè)；用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；優(yōu)化技術(shù)

石化企業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱，也是用水大戶和排水大戶。石化企業(yè)涉水單元普遍采用的統(tǒng)一凈化、集中統(tǒng)一處理、回用和外排的傳統(tǒng)利用過程，忽略了相依共存的水網(wǎng)絡(luò)中不同水流間的動量、能量和物質(zhì)傳遞，割裂了不同水流間的聯(lián)系，未充分考慮不同用水單元對水質(zhì)的不同要求以及不同水處理單元外排水的組成特點，僅考慮中水回用，除了消耗過多新鮮水和外排水外，還引起水處理費(fèi)用增加，與節(jié)能、降耗、減排、增效的工業(yè)發(fā)展方向格格不入。因此，以全局、系統(tǒng)的觀點對用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方可實現(xiàn)減少水資源消耗的目標(biāo)[1-2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Eckenfelder等提出分布式廢水處理比集中式處理有更大的優(yōu)勢的設(shè)計思路[3]。如果2個廢水流股含有的污染物濃度不同，采用分布式廢水處理比集中式廢水處理更有效，但如果2個廢水流股含有的污染物濃度相同，則采用集中式處理更合理。所以廢水處理系統(tǒng)設(shè)計的首要問題是找一個通用的方法解決如何將各種過程所產(chǎn)生的多種不同類型污染物和不同濃度廢水流股分開與合并。在此研究領(lǐng)域，Wang和Kuo等用夾點法設(shè)計分布式廢水處理網(wǎng)絡(luò)，這一方法在處理小規(guī)模單雜質(zhì)問題時比較有效，對大規(guī)模多雜質(zhì)問題處理過程過于繁瑣[4-5]。針對上述缺陷，Olesen和Polley提出新型水夾點技術(shù)，以水的最大重復(fù)利用率為目標(biāo)，用水單元不多于4～5個的單一雜質(zhì)用水系統(tǒng)設(shè)計方法，但該設(shè)計方法在解決多雜質(zhì)問題上存在局限[6]。尹芳等將新型水夾點技術(shù)應(yīng)用到工程實例中[7]。

隨后，對廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的改進(jìn)主要集中在以下3個方面：一種是設(shè)計方法的改進(jìn)，如李保紅等基于1個原則和3個規(guī)則進(jìn)行廢水處理網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和調(diào)優(yōu)[8]。一種是優(yōu)化方法的改進(jìn)，如Savelski等提出單雜質(zhì)用水系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計算法，依據(jù)最優(yōu)性的必要條件將原來的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為通過一系列確定的步驟來獲得最優(yōu)解的問題，非常遺憾的是目前針對多雜質(zhì)水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的計算方法還在研究之中[9]。劉永健等提出基于粒子群優(yōu)化算法的分散式廢水處理網(wǎng)絡(luò)的綜合，該法過程簡便但并未涉及全局最優(yōu)化等問題[10]。一種是設(shè)計方法和優(yōu)化方法的同時改進(jìn)，如李英等將水夾點法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法結(jié)合進(jìn)行用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[11]。

目前國內(nèi)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化方法中的源-阱法受到雜質(zhì)數(shù)量和水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)模的限制，在處理大規(guī)模的多雜質(zhì)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，處理困難；中間水道法不能保證得到問題的最優(yōu)解；數(shù)學(xué)規(guī)劃法的計算結(jié)果并不一定是全局最優(yōu)解；水質(zhì)分析-數(shù)學(xué)規(guī)劃法對于多雜質(zhì)的用水網(wǎng)絡(luò)存在難以比較水質(zhì)優(yōu)劣的問題；水夾點-數(shù)學(xué)規(guī)劃法利用水夾點法實用性的特點，簡化用水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保得到全局最優(yōu)解，是一種實用、有效的水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)[12]。

2 水夾點-數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化技術(shù)概述

2.1 水夾點法簡介

水夾點法：將用水操作簡化為一個從富含雜質(zhì)的過程流股到水流股之間的質(zhì)量傳遞過程。這里雜質(zhì)包括懸浮固體顆粒、化學(xué)需氧量以及其他約束水回用的水質(zhì)因子。在傳質(zhì)過程中，兩流股從相反的方向逆流接觸，使得富雜質(zhì)物流雜質(zhì)濃度降低，貧雜質(zhì)物流濃度升高。通過構(gòu)造濃度-負(fù)荷曲線水夾點分析圖（見圖1和圖2）來確定水夾點的位置，判斷用水過程位于夾點上方、下方還是穿越夾點，從而判斷各用水過程的新鮮水消耗和廢水排放情況[13]。

圖2 夾點圖M

其中，縱坐標(biāo)C表示雜質(zhì)濃度，橫坐標(biāo)M表示雜質(zhì)負(fù)荷；CIn表示水的進(jìn)口濃度，COut表示水的出口濃度；CIn,Max表示本單元允許最大進(jìn)口濃度，COut,Max表示本單元允許最大出口濃度。

極限進(jìn)口濃度：為了確定別的單元來的廢水能被本單元再利用的可能性，需要指定本單元最大允許進(jìn)口濃度；極限出口濃度：為了確定所需水的最小流率，需要指定本單元最大出口濃度。

在圖1中濃度最高的為物料線（過程流股線），較低的虛線為供水線。物料線斜率的倒數(shù)表示物流量，供水線斜率的倒數(shù)表示供水量。供水線斜率越大，流率越小。在富雜質(zhì)流股模型的傳質(zhì)過程中，雜質(zhì)從用水操作流股傳遞到水流股中的質(zhì)量負(fù)荷等價于在一定時間間隔內(nèi)過程流股中的雜質(zhì)從高濃度降至低濃度的質(zhì)量負(fù)荷。

由圖2可知，夾點上方用水單元的極限進(jìn)口濃度高于夾點處的濃度不需使用新鮮水，可利用過程產(chǎn)生的水進(jìn)行回用；水夾點下方用水單元的極限出口濃度低于夾點處的濃度不需排放廢水，可使用新鮮水進(jìn)行再生重復(fù)后方可回用。

位于極限復(fù)合曲線下方的供水線均可滿足供水要求。假定供水線入口濃度為零，增大供水線斜率（即增大了新鮮水出口濃度），可使新鮮水用量達(dá)到最小。當(dāng)供水線的斜率增大到與極限復(fù)合曲線開始重合時（此時供水線位置達(dá)到最優(yōu)），傳質(zhì)推動力最小，出口濃度達(dá)到最大，新鮮水用量達(dá)到最小[14]。

水夾點技術(shù)的核心是通過對各個用水單元的進(jìn)出口濃度分析，判斷其他用水單元排放的廢水在雜質(zhì)濃度、腐蝕性等方面能否滿足某一個用水單元的進(jìn)口要求，若滿足則可以對其回用。在這個過程中，應(yīng)盡量使回用廢水的濃度達(dá)到最大，最大程度回用廢水。

2.2 水夾點法優(yōu)化的途徑

以水夾點技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法主要有最大傳質(zhì)推動力法和最小匹配數(shù)法。最大傳質(zhì)推動力法是以極限負(fù)荷曲線與供水線之間的濃度差為約束條件，在水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中確保傳質(zhì)推動力達(dá)到最大。最小匹配數(shù)法是在確保新鮮水用量最少的前提下盡可能使各個用水單元與水的匹配數(shù)最少。然而，在進(jìn)行水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，常常將一個傳質(zhì)過程用幾股不同的水源依次處理，造成用水單元與水的匹配數(shù)過多，可以通過混合或旁流等方式盡可能減少匹配數(shù)。采用這2種方法以使用新鮮水量最少為設(shè)計基礎(chǔ)，分析出各級水流合理分配方式和每級用水管線的分配水量，并做出網(wǎng)絡(luò)分配圖，求出最小新鮮水用量，以進(jìn)一步簡化用水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)立水處理網(wǎng)絡(luò)基本規(guī)則。

2.3 水夾點-數(shù)學(xué)規(guī)劃法在石化企業(yè)中的應(yīng)用

結(jié)合石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)中具有節(jié)水潛力的水系統(tǒng)用水水況，綜合考慮水流量、溫度和雜質(zhì)濃度等約束條件，規(guī)定某幾個約束條件固定不變，通過水夾點法設(shè)立水處理網(wǎng)絡(luò)基本規(guī)則；在此基礎(chǔ)上建立廢水混合、合并、處理和排放各種可能匹配方案的廢水處理網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)，依據(jù)用水、排水和廢水回用關(guān)系滿足的線性質(zhì)量平衡方程建立線性規(guī)劃法模型，結(jié)合數(shù)學(xué)軟件設(shè)計算法，計算出新鮮水用量和雜質(zhì)濃度；將不同濃度的廢水進(jìn)行排序，確定各級水流分配方式，實現(xiàn)不同濃度廢水的梯級利用，對該石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化和改造；并進(jìn)一步比較優(yōu)化前后的用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提出改進(jìn)廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，提高水資源重復(fù)利用率，達(dá)到節(jié)水減排的目的[15]。

3 石化企業(yè)節(jié)水優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用前景及展望

水夾點-數(shù)學(xué)規(guī)劃法是一種較好的水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。采用水夾點技術(shù)分析水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，清楚地了解各個過程廢水的回用過程，簡化水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免水質(zhì)、水量問題將水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜等問題；同時結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃法建立模型，并利用數(shù)學(xué)軟件計算數(shù)據(jù)，大大簡化了數(shù)據(jù)計算和分析的過程，從而使得該優(yōu)化方法更加簡便、實用和高效。

雖然國內(nèi)有關(guān)石化企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，但已經(jīng)有研究者做過一些水夾點法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法相結(jié)合的優(yōu)化技術(shù)?？偟膩碚f，關(guān)于這方面的研究還很有限，人們還不能完全解決水質(zhì)、水量影響水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)學(xué)規(guī)劃法模型建立的復(fù)雜程度問題，并且仍然存在得不到全局最優(yōu)解、設(shè)計優(yōu)化研究工作不夠、真正實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用不夠成熟等一些亟待解決的問題。

今后將進(jìn)一步推進(jìn)在水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究，以及如何將水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)學(xué)規(guī)劃法建立的模型更好的結(jié)合，使其在水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化過程中發(fā)揮最大程度的節(jié)水作用，將是研究用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化的主要方向及關(guān)鍵所在。

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.01.009

2017-01-06