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(diǎn)-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(diǎn)，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(diǎn)對用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方可實(shí)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(jì)思路[3]。如果2個(gè)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(gè)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(jì)的首要問題是找一個(gè)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(diǎn)法設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(gè)的單一雜質(zhì)用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，但該設(shè)計(jì)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(diǎn)技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)例中[7]。

隨后，對廢水處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的改進(jìn)主要集中在以下3個(gè)方面：一種是設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，如李保紅等基于1個(gè)原則和3個(gè)規(guī)則進(jìn)行廢水處理網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的計(jì)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(jì)方法和優(yōu)化方法的同時(shí)改進(jìn)，如李英等將水夾點(diǎn)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(shí)，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(jì)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(diǎn)-數(shù)學(xué)規(guī)劃法利用水夾點(diǎn)法實(shí)用性的特點(diǎn)，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(shí)用、有效的水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)[12]。

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

2.1 水夾點(diǎn)法簡介

水夾點(diǎn)法：將用水操作簡化為一個(gè)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(diǎn)分析圖（見圖1和圖2）來確定水夾點(diǎn)的位置，判斷用水過程位于夾點(diǎn)上方、下方還是穿越夾點(diǎn)，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(diǎn)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(jià)于在一定時(shí)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(diǎn)上方用水單元的極限進(jìn)口濃度高于夾點(diǎn)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(diǎn)下方用水單元的極限出口濃度低于夾點(diǎn)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(shí)（此時(shí)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(diǎn)技術(shù)的核心是通過對各個(gè)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(gè)用水單元的進(jìn)口要求，若滿足則可以對其回用。在這個(gè)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(diǎn)法優(yōu)化的途徑

以水夾點(diǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)時(shí)，常常將一個(gè)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(jì)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(diǎn)-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(gè)約束條件固定不變，通過水夾點(diǎn)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(jì)算法，計(jì)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(shí)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(jì)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(diǎn)-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(diǎn)技術(shù)分析水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，清楚地了解各個(gè)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(shí)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(jì)算數(shù)據(jù)，大大簡化了數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的過程，從而使得該優(yōu)化方法更加簡便、實(shí)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(diǎn)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(jì)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(jì)優(yōu)化研究工作不夠、真正實(shí)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(jì)方面的研究，以及如何將水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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