一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗装置及方法

1.本发明属于化工生产过程控制技术领域，尤其涉及一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗装置及方法。


背景技术：

2.多级闪蒸是海水淡化工业中最成熟，运行安全性最高，弹性大，适合于大型和超大型淡化装置的一项技术。在未来的海水淡化领域中仍将继续发挥重要的作用。
3.msf海水淡化装置有两种经典结构，分别为直通式多级闪蒸(one through multistage flash,ot
‑
msf)海水淡化装置和盐水循环式多级闪蒸(brine recirculation multistage flash,br
‑
msf)海水淡化装置。其中ot
‑
msf装置结构较简单，而br
‑
msf因为其具有更好的综合效果而得到更加普遍的应用。br
‑
msf装置由盐水加热器、热回收段、热排放段以及混合分离模块四大部分组成。多级闪蒸海水淡化系统经典结构流程如图1所示。原海水首先进入热排放段，自身被预热的同时冷凝闪蒸室中产生的蒸汽。进料海水经过热排放段的预热后，被分流为两部分，一部分返回大海，一部分与循环盐水混合在一起，然后被泵入热回收段的末端，当它从右到左流过一系列的热交换器时，自身被逐渐加热，同时闪蒸室中闪蒸出来的蒸汽得到冷凝。最后，海水从热回收段的第一级闪蒸室内的换热器内出来，流入盐水加热器被进一步加热，并以热盐水的形式流入第一级闪蒸室。由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸气压，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分气化，所产生的蒸汽遇到冷凝管，被冷凝后滴入淡水托盘。如此重复，直到最后一级，浓盐水被排放，淡水被抽出。
4.多级闪蒸过程中的循环盐水经过预热器加热，由于海水中的盐度、硬度、总固溶物及其他杂质的含量均较高,某些组分的溶解度可能达到过饱和，导致在多级闪蒸海水淡化装置的换热面上易结垢，这已成为热法海水淡化面临的主要问题之一。污垢的存在不仅增大流体阻力，增加能量消耗，降低传热效率，严重时还会堵塞管路，使设备瘫痪。但多级闪蒸海水淡化系统性能在运行过程中不仅受到污垢参数影响，还受到进料海水流量、盐度、循环浓盐水量、盐水最高温度、盐水加热器参数等影响，导致产水性能多变。系统在运行过程中，其结垢特性无法直接测量，其清洗保养一般都是基于经验而进行操作，缺乏科学依据。
5.本发明可根据系统实时运行的输入输出运行数据，通过模型计算出当前系统的结垢系数的大小，从而得出系统结垢程度，并给出相应的系统维护和结垢处理方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是通过在线估测结垢特征的结垢系数，给出清洗操作指导。
7.传统的多级闪蒸海水淡化装置的除垢依据，是产水量和造水比远低于标准值或系统性能出现严重问题，其对装置寿命周期可能会产生不可逆的危害，对设备再次投入生产也会产生考验。本发明对热法海水淡化系统结垢特性参数的估计和维保决策，涉及在数理结合建模下通过对传热系数和产水性能的计算，对结垢参数进行软测量并指导系统清洗操
作。进行实时数据采集，并由模型进行计算，得出系统结垢系数从而判断系统的结垢情况，指导工厂能够及时进行相应的结垢处理，保持系统的优良性能。
8.一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗装置包括传感器模块、数据采集模块、人机交互模块、模拟计算模块、a/d和d/a转换模块、中央处理模块、参数决策模块、显示模块；传感器模块包括五路流量传感器、四路温度传感器、两路海水含盐量传感器；数据采集模块用于采集传感器模块获得的进料海水温度和含盐量、淡水流量、循环盐水和热排放海水流量，以及加热蒸汽流量和温度；人机交互模块用于设定多级闪蒸海水淡化系统的各级闪蒸室结构参数、盐水加热器参数、设定数据采集周期；a/d和d/a转换模块用于将接收到的模拟量转换为相应的数字量或将接收到的数字量转换为相应的模拟量；中央处理模块用于存储多级闪蒸海水淡化系统结垢系数处理问题模型和所需的物性参数，通过a/d和d/a转换模块接收并存储数据采集模块采集的数据以及接收并存储模拟计算模块和参数决策模块处理得到的数据，然后将数据传输到显示模块；模拟计算模块根据当前采集到的数据，调用系统程序进行计算，得出当前盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室的结垢系数f
j
((j＝1,2,
…
,n)；n为系统闪蒸室级数)、造水比gor、日运行成本toc，并将上述参数传至显示模块；参数决策模块根据模拟计算模块的之前所存储的数据进行分析，估计出系统结垢程度，和下次系统清洗时间，并将上述参数传至显示模块；显示模块显示模拟计算模块和参数决策模块的计算结果。
9.一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗方法包括如下步骤：首先由工程师通过人机交互模块设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，给定运行周期。此后该装置以给定的周期采集所需数据，并通过a/d和d/a转换模块发给中央处理模块，中央处理模块调用模拟计算模块。模拟计算模块通过计算中央处理模块中的模型问题，得出当前系统盐水加热器的结垢系数f
bh
和闪蒸室的结垢系数f
j
、造水比gor、日运行成本toc。参数决策模块根据模拟计算模块所得参数，进行比较分析，得出当前系统的结垢程度和下次系统清洗时间并将相关结论发送至系统显示模块。该装置在下一个运行周期，重复数据采集、模拟计算、比较分析过程，不断地实时估测系统结垢程度。
10.具体包括如下步骤：
11.步骤a1：操作员或者工程师通过人机交互模块给定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数、物性系数和数据采集周期tc；
12.步骤a2：利用数据采集模块采集当前时间点的进入热排放段的冷却盐水流量w
f
、循环海水流量w
re
、加热蒸汽流量w
steam
、闪蒸盐水流量w
b
、闪蒸淡水流量w
d
、进料海水温度t
sea
、加热蒸汽温度t
steam
、闪蒸盐水温度t
b
、闪蒸淡水温度t
d
、进料盐水浓度c
f
、闪蒸盐水浓度c
b
。记录当前时间，令变量t1等于当前时间，然后通过a/d和d/a转换模块将上述参数发送给中央处理模块；
13.步骤a3：中央处理模块根据内部存储的多级闪蒸海水淡化装置稳态模拟和日运行成本模型，调用模拟计算模块，从而计算出在当前t1时刻盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室的结垢系数f
j
、造水比gor和日运行成本toc，然后将上述参数发送到参数决策模块。
14.步骤a4：参数决策模块将此周期得到的参数集l1(f
bh
,f
j
,gor,toc)与之前各周期得到的参数集l
i
(f
bh
,f
j
,gor,toc)((i＝1,2,
…
,m)；m为当前周期数)进行比较分析，估算得出当前系统的结垢程度以及系统下次清洗时间，并且模拟计算模块和参数决策模块将其计
算数据发送至中央处理模块。
15.步骤a5：中央处理模块将数据进行整理发送至显示模块，显示模块显示出当前时间t1、盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室的结垢系数f
j
、造水比gor、日运行成本toc、系统结垢程度、系统待清洗时间tim。
16.步骤a6：记录当前时间为t2，如果t2
‑
t1<tc，则继续等待；否则转步骤a2，重新进行数据采集。
17.所述的中央处理模块中的多级闪蒸海水淡化装置稳态模拟和日运行成本的模型由式(1)～(38)组成；
18.多级闪蒸海水淡化装置的稳态模型由闪蒸室方程、盐水加热器方程、混合分离方程、物性参数方程组成。对于第j级闪蒸室，闪蒸室模块模型由下列式(1)～(8)组成：
19.w
bj
‑1+w
dj
‑1＝w
bj
+w
dj
ꢀꢀꢀ
(1)；
20.w
bj
‑1c
bj
‑1＝w
bj
c
bj
ꢀꢀꢀ
(2)；
21.w
bj
‑1h
bj
‑1＝w
bj
h
bj
+v
bj
h
vj
ꢀꢀꢀ
(3)；
22.w
bj
‑1‑
w
bj
＝v
bj
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0023][0024][0025]
其中，w
bj
表示第j级的闪蒸盐水质量流量，w
bj
‑1表示第j
‑
1级的闪蒸盐水质量流量，w
dj
表示第j级产出的淡水质量流量，w
dj
‑1表示第j
‑
1级的闪蒸盐水质量流量。c
bj
表示第j级的闪蒸盐水浓度，c
bj
‑1表示第j
‑
1级的闪蒸盐水浓度。h
bj
表示第j级闪蒸盐水的比焓，h
bj
‑1表示第j
‑
1级闪蒸盐水的比焓，h
vj
表示第j级闪蒸蒸汽的比焓，v
bj
表示第j级闪蒸室中盐水蒸发量。w
f
表示进入热排放段的冷却盐水的质量流量，cp
rj
表示离开第j级闪蒸室的冷却盐水热容，cp
dj
表示离开第j级闪蒸室的淡水比热容，cp
dj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的淡水比热容，cp
bj
表示离开第j级闪蒸室的闪蒸盐水比热容，cp
bj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的闪蒸盐水比热容，t
fj
表示离开第j级闪蒸室的冷却盐水温度，t
fj+1
表示进入第j级闪蒸室的冷却盐水温度，t
bj
表示离开第j级闪蒸室的盐水温度，t
bj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的盐水温度，t
dj
表示离开第j级闪蒸室的淡水温度，t
dj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的淡水温度，t*表示理想状态下闪蒸参考温度。a
j
表示第j级闪蒸室的传热面积，表示第j级闪蒸室的传热系数，其中w指的是第j级闪蒸室的进料流量，对于热排放段来说w＝w
f
，表示进料海水流量，而对于热回收段来说w＝w
r
，表示热回收段的进料流量，表示闪各级蒸室外直径，表示各级闪蒸室冷凝管内直径，d
i
表示内直径，其在物性方程部分有具体公式展开。
[0026]
t
bj
＝t
dj
+δbpe
j
+δnetd
j
+δtl
j
ꢀꢀꢀ
(7)；
[0027]
t
vj
＝t
dj
+δtl
j
ꢀꢀꢀ
(8)；
[0028]
其中，δbpe
j
表示第j级盐水沸点升高，δnetd
j
表示非平衡余量，δtl
j
表示经过除雾器和冷凝器的温度损失。t
vj
表示第j级闪蒸室的闪蒸蒸汽温度。
[0029]
盐水加热器模块模型由式(9)～(12)组成：
[0030]
w
b0
＝w
r
ꢀꢀꢀ
(9)；
[0031]
c
b0
＝c
r
ꢀꢀꢀ
(10)；
[0032]
w
r
cp
rh
(t
b0
‑
t
f1
)＝w
steam
λ
s
ꢀꢀꢀ
(11)；
[0033]
其中，
[0034][0035]
其中，w
b0
表示离开盐水加热器的闪蒸盐水质量流量，w
r
表示进入热回收段的冷却盐水质量流量。c
b0
表示进入盐水加热器的闪蒸盐水浓度，c
r
表示进入热回收段的冷却盐水浓度。cp
rh
表示进入盐水加热器的冷却盐水热容，t
b0
表示离开盐水加热器的闪蒸盐水温度，w
steam
表示为加热蒸汽质量流量，λ
s
表示蒸汽潜热，t
steam
表示为盐水加热器蒸汽温度。a
h
表示盐水加热器的传热面积，表示盐水加热器的传热系数，其中w指的是盐水加热器的进料流量w
r
，表示盐水加热器外直径，表示盐水加热器冷凝管内直径，其在物性方程部分有具体公式展开。
[0036]
混合分离模块模型由式(13)～(20)组成：
[0037]
w
bd
＝w
bn
‑
w
re
ꢀꢀꢀ
(13)；
[0038]
w
m
＝w
f
‑
w
r
ꢀꢀꢀ
(14)；
[0039]
s＝w
r
‑
c
w
ꢀꢀꢀ
(15)；
[0040]
w
r
＝w
re
+w
m
ꢀꢀꢀ
(16)；
[0041]
w
r
·
c
r
＝w
re
·
c
re
+w
m
·
c
m
ꢀꢀꢀ
(17)；
[0042]
w
r
·
h
r
＝w
re
·
h
re
+w
m
·
h
m
ꢀꢀꢀ
(18)；
[0043]
w
f
＝s+w
s
ꢀꢀꢀ
(19)；
[0044][0045]
其中w
bd
表示废弃海水质量流量，w
bn
表示离开最后一级闪蒸室的盐水质量流量，w
re
表示循环盐水质量流量。w
m
表示补充盐水质量流量，w
r
表示热排放海水质量流量。s表示热排放段回流流量，c
w
表示热排放段排出盐水的质量流量。c
re
表示循环盐水浓度，c
m
表示补充盐水浓度。h
r
表示进入热回收段的盐水比焓，h
re
表示循环盐水比焓，h
m
表示补充盐水比焓。w
s
表示进料海水质量流量。表示热排放段入口盐水比焓，h
s
表示热排放段回流盐水比焓，表示进料海水比焓。
[0046]
物性参数方程模型由式(21)～(31)组成：
[0047][0048]
cp
b
＝[1
‑
c
b
(0.011311
‑
1.146
×
10
‑5t
b
)]
×
cp
d
ꢀꢀꢀ
(22)；
[0049]
h
v
＝596.912+0.46694t
s
‑
0.000460256t
s2
ꢀꢀꢀ
(23)；
[0050]
h
b
＝cp
b
·
t
b
ꢀꢀꢀ
(24)；
[0051]
h
d
＝cp
d
·
t
d
ꢀꢀꢀ
(25)；
[0052][0053]
其中，cc＝(19.819c
b
)/(1
‑
c
b
)，cc表示浓度转换，c
b
表示闪蒸盐水浓度。
[0054][0055]
其中，ω
j
＝w
f
/w
j
，ω
j
表示第j级进入热排放段的冷却盐水单位长度上的质量流量，w
j
表示第j级闪蒸室冷凝管的宽度。
[0056]
tl＝exp(1.885
‑
0.02063t
d
)/1.8
ꢀꢀꢀ
(28)；
[0057]
u＝4.8857/(y+z+4.8857f)
ꢀꢀꢀ
(29)；
[0058]
y＝[0.0013(v
×
d
i
)
0.2
]/[(0.2018+0.0031
×
t)v]
ꢀꢀꢀ
(30)；
[0059][0060]
gor＝w
dn
/w
steam
ꢀꢀꢀ
(32)；
[0061]
其中cp
d
表示闪蒸室的淡水比热容。cp
b
表示闪蒸室的盐水比热容，c
b
表示闪蒸盐水浓度，t
b
表示闪蒸盐水温度。h
v
表示蒸汽焓值，t
s
为蒸汽温度。h
b
表示盐水焓值。h
d
表示淡水焓值，t
d
表示淡水温度。bpe表示盐水沸点升高，其中，t表示处于闪蒸室或者盐水加热器的盐水温度。netd表示非平衡温差，h
j
表示闪蒸盐水液位，w
j
表示第j级闪蒸室冷凝管的宽度，δt
b
表示两级间的盐水温差。tl表示经过除雾器和冷凝管的温度损失。u表示盐水加热器或者各级闪蒸室的传热系数。y为有关管内流速、盐水温度和冷凝管内直径的中间表达式，z为有关闪蒸室淡水温度的中间表达式，y和z仅为简化计算，f为盐水加热器或者闪蒸室的结垢系数。v表示管内流速，d
i
表示冷凝管内直径，t表示在换热器出口处的盐水温度。w
dn
表示闪蒸室总淡水的质量流量，gor表示造水比(gained output ratio)是反应系统性能的一个关键指标。
[0062]
日运行成本模块模型由式(33)～(38)组成：
[0063]
c1＝22
×
w
steam
×
[(t
steam
‑
40)/85]
×
0.00415
ꢀꢀꢀ
(33)；
[0064]
c2＝22
×
(d
n
/ρ
w
)
×
0.109
ꢀꢀꢀ
(34)；
[0065]
c3＝22
×
(d
n
/ρ
w
)
×
0.082
ꢀꢀꢀ
(35)；
[0066]
c4＝22
×
(d
n
/ρ
b
)
×
0.024
ꢀꢀꢀ
(36)；
[0067]
c5＝22
×
(d
n
/ρ
w
)
×
0.1
ꢀꢀꢀ
(37)；
[0068]
toc＝c1+c2+c3+c4+c5
ꢀꢀꢀ
(38)；
[0069]
其中，c1表示加热蒸汽费用，c2表示装置消耗的电能费用，c3表示维护与空闲费用，c4表示为预处理费用，c5表示为人工费用，toc表示系统日运行费用。d
n
表示总淡水产量，ρ
w
表示纯水密度，ρ
b
表示浓盐水密度。
[0070]
模拟计算模块将计算式(1)～(38)构成的稳态模拟问题运用拟牛顿法进行求解，确定当前系统盐水加热器结垢系数f
bh
、热回收段和热排放段闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor
和日运行成本toc，其具体步骤如下所示：
[0071]
步骤b1：将上式(1)～(38)中有待求未知量的方程整理为非线性方程组，其具体表现形式如式(39)所示：
[0072][0073]
向量的表示形式为：
[0074]
g(x)＝0
ꢀꢀꢀ
(40)；
[0075]
这里，x＝(x1,x2,
…
,x
p
)
t
，g＝(g1,g2,
…
,g
q
)
t
，g
i
(i＝1,2,
…
,q):r
n
→
r。
[0076]
其中，x1,x2,
…
,x
p
表示非线性方程组的p个未知数，x表示方程组的未知数构成的p
×
1维的矩阵。g1,g2,
…
,g
q
表示构成非线性方程组的q个等式，g表示非线性方程组的等式构成的q
×
p维的矩阵。
[0077]
步骤b2：令初始迭代次数k＝0，设置初始值x0∈r
n
，初始拟牛顿矩阵b
k
为p
×
p维单位矩阵，函数值计算精度为ε，最小步长精度为δ。
[0078]
步骤b3：计算迭代次数k下搜索方向向量d
k
，以得到下一个点的值：
[0079]
x
k+1
＝x
k
+d
k
ꢀꢀꢀ
(41)；
[0080]
d
k
＝
‑
b
k
δg(x
k
)
ꢀꢀꢀ
(42)；
[0081]
步骤b4：计算g(x
k
)和g(x
k+1
)，若||g(x
k+1
)||＜ε或者||x
k+1
‑
x
k
||＜δ，则终止迭代，得出非线性方程组的解及盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor、日运行成本toc；否则，转至步骤b5。
[0082]
步骤b5：通过修正b
k
得到b
k+1
：
[0083][0084]
其中，s
k
＝x
k+1
‑
x
k
，y
k
＝δg(x
k+1
)
‑
δg(x
k
)。x
k
表示第k次迭代所求值，x
k+1
表示第k+1次迭代所求值，s
k
表示两次所求值之差。δg(x
k+1
)表示g(x
k+1
)的梯度向量，δg(x
k
)表示g(x
k
)的梯度向量，y
k
表达第k+1次迭代和k次迭代的梯度向量差。
[0085]
步骤b6：令k:＝k+1，转至步骤b3进行计算。
[0086]
参数决策模块根据模拟计算模块所得出的所有时间点的盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor和日运行费用toc，采用最小二乘法进行拟合并进行分析，对系统结垢程度进行合理的判断，具体步骤如下所示：
[0087]
步骤c1：继承模拟计算模块从开始进行数据采集时的所有数据，并且针对于盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor和日运行费用toc，对盐水加热器结垢系数f
bh
设定上限h1，闪蒸室结垢系数f
j
设定上限h2、造水比gor设定下限x1、日运行费用toc设定上限x2。
[0088]
步骤c2：将上述数据分成四部分分别进行拟合，首先对盐水加热器结垢系数f
bh
采用最小二乘法进行曲线拟合。假设给定采集的数据点(xx
i
,yy
i
)(i＝0,1,
…
,m)，xx
i
表示数据采集时间点t
i
，yy
i
表示每个时间点采集的盐水加热器结垢系数f
bh
(i)。拟合多项式为
为了保证模块计算速度令多项式阶数nn＝3，使得
[0089][0090]
其中i为a0,a1,a2,a3的四元函数，因此上述问题即为求i＝i(a0,a1,a2,a3)的极值问题。
[0091]
步骤c3：由多元函数求极值的必要条件，得
[0092][0093]
即
[0094][0095]
步骤c4：将式(46)改写成正规方程组形式
[0096][0097]
可以证明正规方程组(47)的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。从式(47)中解得a
kk
(kk＝0,1,
…
,3)，从而可得多项式
[0098][0099]
步骤c5：重复步骤c2至c4分别得出盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor和日运行费用toc关于系统运行时间的拟合曲线，为p1(t)、p2(t)、p3(t)和p4(t)，其中t代表时间。
[0100]
步骤c6：根据参数所设上下限，和所求得的四条拟合曲线，判断当前系统是否需要清洗，并根据拟合方程推出上述4个指标下的系统待清洗时间点tim1、tim2、tim3、tim4。
[0101]
步骤c7：将tim1、tim2、tim3、tim4进行比较得出最近的时间节点记为tim，该时间点为系统下次待清洗时间点。
[0102]
步骤c8：对盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
的大小进行划分，分别对应不同等级的结垢程度，依据当前数据采集点的数值大小可得出系统结垢程度。
附图说明
[0103]
图1为本发明针对的多级闪蒸海水淡化系统结构图；
[0104]
图2本发明的整体结构示意图；
[0105]
图3为本发明的运行流程图；
[0106]
图4为模拟计算模块流程图；
[0107]
图5为参数决策模块流程图。
具体实施方式
[0108]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的分析。
[0109]
如图2所示，多级闪蒸海水淡化系统结垢处理装置，包括传感器模块、数据采集模块、人机交互模块、模拟计算模块、a/d和d/a转换模块、中央处理模块、参数决策模块、显示模块；传感器模块包括五路流量传感器、四路温度传感器、两路海水含盐量传感器；数据采集模块用于采集传感器模块获得的进料海水温度和含盐量、淡水流量、循环盐水和热排放海水流量，以及加热蒸汽流量和温度；人机交互模块用于设定多级闪蒸海水淡化系统的各级闪蒸室结构参数、盐水加热器参数、设定数据采集周期；a/d和d/a转换模块用于将接收到的模拟量转换为相应的数字量或将接收到的数字量转换为相应的模拟量；中央处理模块用于存储多级闪蒸海水淡化系统结垢系数处理问题模型和所需的物性参数，通过a/d和d/a转换模块接收并存储数据采集模块采集的数据以及接收并存储模拟计算模块和参数决策模块处理得到的数据，然后将数据传输到显示模块；模拟计算模块根据当前采集到的数据，调用系统程序进行计算，得出当前盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室的结垢系数f
j
((j＝1,2,
…
,n)；n为系统闪蒸室级数)、造水比gor、日运行成本toc，并将上述参数传至显示模块；参数决策模块根据模拟计算模块的之前所存储的数据进行分析，估计出系统结垢程度，和下次系统清洗时间，并将上述参数传至显示模块；显示模块显示模拟计算模块和参数决策模块的计算结果。
[0110]
如图3所示，对于采用本发明的某多级闪蒸海水淡化系统，为了在线估测系统的结垢程度并做出相应处理，需要执行以下步骤：
[0111]
步骤a1:用户或者工程师通过人机交互模块给定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，包括热回收段级数nr＝16，热排放段级数nj＝3；盐水加热器、闪蒸室尺寸等重要系数；设定数据采集周期tc＝2小时；
[0112]
步骤a2：利用数据采集模块采集当前时间点的进入热排放段的冷却盐水流量w
f
、循环海水流量w
re
、加热蒸汽流量w
steam
、闪蒸盐水流量w
b
、闪蒸淡水流量w
d
、进料海水温度t
sea
、加热蒸汽温度t
steam
、闪蒸盐水温度t
b
、闪蒸淡水温度t
d
、进料盐水浓度c
f
、闪蒸盐水浓度c
b
。记录当前时间，令变量t1等于当前时间，然后通过a/d和d/a转换模块将上述参数发送给中央处理模块；
[0113]
步骤a3：中央处理模块根据内部存储的多级闪蒸海水淡化装置稳态模拟和日运行成本模型，调用模拟计算模块，从而计算出在当前t1时刻盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室的结垢系数f
j
、造水比gor和日运行成本toc，然后将上述参数发送到参数决策模块。
[0114]
步骤a4：参数决策模块将此周期得到的参数集l1(f
bh
,f
j
,gor,toc)与之前各周期得到的参数集l
i
(f
bh
,f
j
,gor,toc)((i＝1,2,
…
,m)；m为当前周期数)进行比较分析，估算得出当前系统的结垢程度以及系统下次清洗时间，并且模拟计算模块和参数决策模块将其计算数据发送至中央处理模块。
[0115]
步骤a5：中央处理模块将数据进行整理发送至显示模块，显示模块显示出当前时间t1、盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室的结垢系数f
j
、造水比gor、日运行成本toc、系统结垢程度、系统待清洗时间tim。
[0116]
步骤a6：记录当前时间为t2，如果t2
‑
t1<tc，则继续等待；否则转步骤a2，重新进行数据采集。
[0117]
所述的中央处理模块中的多级闪蒸海水淡化装置稳态模拟和日运行成本的模型由式(1)～(38)组成：
[0118]
多级闪蒸海水淡化装置的稳态模型由闪蒸室方程、盐水加热器方程、混合分离方程、物性参数方程组成。对于第j级闪蒸室，闪蒸室模块模型由下列式(1)～(8)组成
[0119]
w
bj
‑1+w
dj
‑1＝w
bj
+w
dj
ꢀꢀꢀ
(1)；
[0120]
w
bj
‑1c
bj
‑1＝w
bj
c
bj
ꢀꢀꢀ
(2)；
[0121]
w
bj
‑1h
bj
‑1＝w
bj
h
bj
+v
bj
h
vj
ꢀꢀꢀ
(3)；
[0122]
w
bj
‑1‑
w
bj
＝v
bj
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0123][0124][0125]
其中，w
bj
表示第j级的闪蒸盐水质量流量，w
bj
‑1表示第j
‑
1级的闪蒸盐水质量流量，w
dj
表示第j级产出的淡水质量流量，w
dj
‑1表示第j
‑
1级的闪蒸盐水质量流量。c
bj
表示第j级的闪蒸盐水浓度，c
bj
‑1表示第j
‑
1级的闪蒸盐水浓度。h
bj
表示第j级闪蒸盐水的比焓，h
bj
‑1表示第j
‑
1级闪蒸盐水的比焓，h
vj
表示第j级闪蒸蒸汽的比焓，v
bj
表示第j级闪蒸室中盐水蒸发量。w
f
表示进入热排放段的冷却盐水的质量流量，cp
rj
表示离开第j级闪蒸室的冷却盐水热容，cp
dj
表示离开第j级闪蒸室的淡水比热容，cp
dj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的淡水比热容，cp
bj
表示离开第j级闪蒸室的闪蒸盐水比热容，cp
bj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的闪蒸盐水比热容，t
fj
表示离开第j级闪蒸室的冷却盐水温度，t
fj+1
表示进入第j级闪蒸室的冷却盐水温度，t
bj
表示离开第j级闪蒸室的盐水温度，t
bj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的盐水温度，t
dj
表示离开第j级闪蒸室的淡水温度，t
dj
‑1表示离开第j
‑
1级闪蒸室的淡水温度，t*表示理想状态下闪蒸参考温度。a
j
表示第j级闪蒸室的传热面积，表示第j级闪蒸室的传热系数，其中w指的是第j级闪蒸室的进料流量，对于热排放段来说w＝w
f
，表示进料海水流量，而对于热回收段来说w＝w
r
，表示热回收段的进料流量，表示闪各级蒸室外直径，表示各级闪蒸室冷凝管内直径，d
i
表示内直径，其在物性方程部分有具体公式展开。
[0126]
t
bj
＝t
dj
+δbpe
j
+δnetd
j
+δtl
j
ꢀꢀꢀ
(7)；
[0127]
t
vj
＝t
dj
+δtl
j
ꢀꢀꢀ
(8)；
[0128]
其中，δbpe
j
表示第j级盐水沸点升高，δnetd
j
表示非平衡余量，δtl
j
表示经过除雾器和冷凝器的温度损失。t
vj
表示第j级闪蒸室的闪蒸蒸汽温度。
[0129]
盐水加热器模块模型由式(9)～(12)组成：
[0130]
w
b0
＝w
r
ꢀꢀꢀ
(9)；
[0131]
c
b0
＝c
r
ꢀꢀꢀ
(10)；
[0132]
w
r
cp
rh
(t
b0
‑
t
f1
)＝w
steam
λ
s
ꢀꢀꢀ
(11)；
[0133]
其中，
[0134][0135]
其中w
b0
表示离开盐水加热器的闪蒸盐水质量流量，w
r
表示进入热回收段的冷却盐水质量流量。c
b0
表示进入盐水加热器的闪蒸盐水浓度，c
r
表示进入热回收段的冷却盐水浓度。cp
rh
表示进入盐水加热器的冷却盐水热容，t
b0
表示离开盐水加热器的闪蒸盐水温度，w
steam
表示为加热蒸汽质量流量，λ
s
表示蒸汽潜热，t
steam
表示为盐水加热器蒸汽温度。a
h
表示盐水加热器的传热面积，表示盐水加热器的传热系数，其中w指的是盐水加热器的进料流量w
r
，表示盐水加热器外直径，表示盐水加热器冷凝管内直径，其在物性方程部分有具体公式展开。
[0136]
混合分离模块模型由式(13)～(20)组成：
[0137]
w
bd
＝w
bn
‑
w
re
ꢀꢀꢀ
(13)；
[0138]
w
m
＝w
f
‑
w
r
ꢀꢀꢀ
(14)；
[0139]
s＝w
r
‑
c
w
ꢀꢀꢀ
(15)；
[0140]
w
r
＝w
re
+w
m
ꢀꢀꢀ
(16)；
[0141]
w
r
·
c
r
＝w
re
·
c
re
+w
m
·
c
m
ꢀꢀꢀ
(17)；
[0142]
w
r
·
h
r
＝w
re
·
h
re
+w
m
·
h
m
ꢀꢀꢀ
(18)；
[0143]
w
f
＝s+w
s
ꢀꢀꢀ
(19)；
[0144][0145]
其中w
bd
表示废弃海水质量流量，w
bn
表示离开最后一级闪蒸室的盐水质量流量，w
re
表示循环盐水质量流量。w
m
表示补充盐水质量流量，w
r
表示热排放海水质量流量。s表示热排放段回流流量，c
w
表示热排放段排出盐水的质量流量。c
re
表示循环盐水浓度，c
m
表示补充盐水浓度。h
r
表示进入热回收段的盐水比焓，h
re
表示循环盐水比焓，h
m
表示补充盐水比焓。w
s
表示进料海水质量流量。表示热排放段入口盐水比焓，h
s
表示热排放段回流盐水比焓，表示进料海水比焓。
[0146]
物性参数方程模型由式(21)～(31)组成：
[0147][0148]
cp
b
＝[1
‑
c
b
(0.011311
‑
1.146
×
10
‑5t
b
)]
×
cp
d
ꢀꢀꢀ
(22)；
[0149]
h
v
＝596.912+0.46694t
s
‑
0.000460256t
s2
ꢀꢀꢀ
(23)；
[0150]
h
b
＝cp
b
·
t
b
ꢀꢀꢀ
(24)；
[0151]
h
d
＝cp
d
·
t
d
ꢀꢀꢀ
(25)；
[0152][0153]
其中，cc＝(19.819c
b
)/(1
‑
c
b
)，cc表示浓度转换，c
b
表示闪蒸盐水浓度，。
[0154][0155]
其中，ω
j
＝w
f
/w
j
，ω
j
表示第j级进入热排放段的冷却盐水单位长度上的质量流量，w
j
表示第j级闪蒸室冷凝管的宽度。
[0156]
tl＝exp(1.885
‑
0.02063t
d
)/1.8
ꢀꢀꢀ
(28)；
[0157]
u＝4.8857/(y+z+4.8857f)
ꢀꢀꢀ
(29)；
[0158]
y＝[0.0013(v
×
d
i
)
0.2
]/[(0.2018+0.0031
×
t)v]
ꢀꢀꢀ
(30)；
[0159][0160]
gor＝w
dn
/w
steam
ꢀꢀꢀ
(32)；
[0161]
其中cp
d
表示闪蒸室的淡水比热容。cp
b
表示闪蒸室的盐水比热容，c
b
表示闪蒸盐水浓度，t
b
表示闪蒸盐水温度。h
v
表示蒸汽焓值，t
s
为蒸汽温度。h
b
表示盐水焓值。h
d
表示淡水焓值，t
d
表示淡水温度。bpe表示盐水沸点升高，其中，t表示处于闪蒸室或者盐水加热器的盐水温度。netd表示非平衡温差，h
j
表示闪蒸盐水液位，w
j
表示第j级闪蒸室冷凝管的宽度，δt
b
表示两级间的盐水温差。tl表示经过除雾器和冷凝管的温度损失。u表示盐水加热器或者各级闪蒸室的传热系数。y为有关管内流速、盐水温度和冷凝管内直径的中间表达式，z为有关闪蒸室淡水温度的中间表达式，y和z仅为简化计算，f为盐水加热器或者闪蒸室的结垢系数。v表示管内流速，d
i
表示冷凝管内直径，t表示在换热器出口处的盐水温度。w
dn
表示闪蒸室总淡水的质量流量，gor表示造水比(gained output ratio)是反应系统性能的一个关键指标。
[0162]
日运行成本模块模型由式(33)～(38)组成：
[0163]
c1＝22
×
w
steam
×
[(t
steam
‑
40)/85]
×
0.00415
ꢀꢀꢀ
(33)；
[0164]
c2＝22
×
(d
n
/ρ
w
)
×
0.109
ꢀꢀꢀ
(34)；
[0165]
c3＝22
×
(d
n
/ρ
w
)
×
0.082
ꢀꢀꢀ
(35)；
[0166]
c4＝22
×
(d
n
/ρ
b
)
×
0.024
ꢀꢀꢀ
(36)；
[0167]
c5＝22
×
(d
n
/ρ
w
)
×
0.1
ꢀꢀꢀ
(37)；
[0168]
toc＝c1+c2+c3+c4+c5
ꢀꢀꢀ
(38)；
[0169]
其中，c1表示加热蒸汽费用，c2表示装置消耗的电能费用，c3表示维护与空闲费用，c4表示为预处理费用，c5表示为人工费用，toc表示系统日运行费用。d
n
表示总淡水产量，ρ
w
表示纯水密度，ρ
b
表示浓盐水密度。
[0170]
模拟计算模块将计算式(1)～(38)构成的稳态模拟问题运用拟牛顿法进行求解，确定当前系统盐水加热器结垢系数f
bh
、热回收段和热排放段闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor
和日运行成本toc，其具体步骤如下所示：
[0171]
步骤b1：将上式(1)～(38)中有待求未知量的方程整理为非线性方程组，其具体表现形式如式(39)所示：
[0172][0173]
向量的表示形式为：
[0174]
g(x)＝0
ꢀꢀꢀ
(40)；
[0175]
这里，x＝(x1,x2,
…
,x
p
)
t
，g＝(g1,g2,
…
,g
q
)
t
，g
i
(i＝1,2,
…
,q):r
n
→
r。
[0176]
其中，x1,x2,
…
,x
p
表示非线性方程组的p个未知数，x表示方程组的未知数构成的p
×
1维的矩阵。g1,g2,
…
,g
q
表示构成非线性方程组的q个等式，g表示非线性方程组的等式构成的q
×
p维的矩阵。
[0177]
步骤b2：令初始迭代次数k＝0，设置初始值x0∈r
n
，初始拟牛顿矩阵b
k
为p
×
p维单位矩阵，函数值计算精度为ε，最小步长精度为δ。
[0178]
步骤b3：计算迭代次数k下搜索方向向量d
k
，以得到下一个点的值：
[0179]
x
k+1
＝x
k
+d
k
ꢀꢀꢀ
(41)；
[0180]
d
k
＝
‑
b
k
δg(x
k
)
ꢀꢀꢀ
(42)；
[0181]
步骤b4：计算g(x
k
)和g(x
k+1
)，若||g(x
k+1
)||＜ε或者||x
k+1
‑
x
k
||＜δ，则终止迭代，得出非线性方程组的解及盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor、日运行成本toc；否则，转至步骤b5。
[0182]
步骤b5：通过修正b
k
得到b
k+1
：
[0183][0184]
其中，s
k
＝x
k+1
‑
x
k
，y
k
＝δg(x
k+1
)
‑
δg(x
k
)。x
k
表示第k次迭代所求值，x
k+1
表示第k+1次迭代所求值，s
k
表示两次所求值之差。δg(x
k+1
)表示g(x
k+1
)的梯度向量，δg(x
k
)表示g(x
k
)的梯度向量，y
k
表达第k+1次迭代和k次迭代的梯度向量差。
[0185]
步骤b6：令k:＝k+1，转至步骤b3进行计算。
[0186]
参数决策模块根据模拟计算模块所得出的所有时间点的盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor和日运行费用toc，采用最小二乘法进行拟合并进行分析，对系统结垢程度进行合理的判断，具体步骤如下所示：
[0187]
步骤c1：继承模拟计算模块从开始进行数据采集时的所有数据，并且针对于盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor和日运行费用toc，对盐水加热器结垢系数f
bh
设定上限h1，闪蒸室结垢系数f
j
设定上限h2、造水比gor设定下限x1、日运行费用toc设定上限x2。
[0188]
步骤c2：将上述数据分成四部分分别进行拟合，首先对盐水加热器结垢系数f
bh
采用最小二乘法进行曲线拟合。假设给定采集的数据点(xx
i
,yy
i
)(i＝0,1,
…
,m)，xx
i
表示数据采集时间点t
i
，yy
i
表示每个时间点采集的盐水加热器结垢系数f
bh
(i)。拟合多项式为
为了保证模块计算速度令多项式阶数nn＝3，使得
[0189][0190]
其中i为a0,a1,a2,a3的四元函数，因此上述问题即为求i＝i(a0,a1,a2,a3)的极值问题。
[0191]
步骤c3：由多元函数求极值的必要条件，得
[0192][0193]
即
[0194][0195]
步骤c4：将式(46)改写成正规方程组形式
[0196][0197]
可以证明正规方程组(47)的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。从式(47)中解得a
kk
(kk＝0,1,
…
,3)，从而可得多项式
[0198][0199]
步骤c5：重复步骤c2至c4分别得出盐水加热器结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
、造水比gor和日运行费用toc关于系统运行时间的拟合曲线，为p1(t)、p2(t)、p3(t)和p4(t)，其中t代表时间。
[0200]
步骤c6：根据参数所设上下限，和所求得的四条拟合曲线，判断当前系统是否需要清洗，并根据拟合方程推出上述4个指标下的系统待清洗时间点tim1、tim2、tim3、tim4。
[0201]
步骤c7：将tim1、tim2、tim3、tim4进行比较得出最近的时间节点记为tim，该时间点为系统下次待清洗时间点。
[0202]
步骤c8：对盐水加热器的结垢系数f
bh
、闪蒸室结垢系数f
j
的大小进行划分，分别对应不同等级的结垢程度，依据当前数据采集点的数值大小可得出系统结垢程度。
[0203]
以上内容是结合具体的实例给出的实施方式对本发明的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下还可以做出一定程度的简单推演或者替换，都应当视为属于本发明的保护
范围。