一种工业用水网络系统优化方法

专利名称：一种工业用水网络系统优化方法
技术领域：
本发明涉及一种工业用水的循环再利用技术，属于水资源利用技术领域
背景技术：
面对目前世界范围内的水资源匮乏问题，提高水的重复利用率是一项最有效、最简单的途径，因此，污水回用技术、工业用水网络优化的研究和推广具有重要意义。水夹点技术(WaterPinch Technology，WPT)就是一种典型的工业系统内水的循环再利用技术，该技术自提出以来，已在工业用水系统节水等改造中得到了成功的应用。水夹点技术是过程集成工程设计领域在环境保护方面的突破。从概念上讲，水夹点技术将过程集成技术应用于废水水量最小化和废水处理系统设计，是质量交换集成技术在用水操作上的典型应用。但是水夹点技术与实际生产之间尚存在一定的差距，且国内外有关水夹点技术的具体应用的报道也十分少见，无法为我国工业节水和用水网络优化提供可靠的理论依据和实践经验，因此水夹点技术在实际工程应用方面还有必要作进一步的研究与探讨。
水夹点技术提供了一种方法首先判别水回用流量的目标，然后找出关键的水回用机会，以便在设计用水网络时尽可能的接近最小流量目标。水夹点技术的核心思想是使水的回用量和出水中污染物的浓度达到最大，并找出设计问题中的瓶颈，预测出设计中的最小用水水量。水夹点技术将用水操作简化为一个从富含污染物的过程流股到水流股之间的质量传递过程。这里污染物包括悬浮固体颗粒、化学需氧量，以及其它约束水回用的水质因子。如同换热网络设计一样，水回用过程集成确定一个水夹点，但二者的不同之处在于水夹点是基于某关键污染物的浓度，而非温度；所含污染物浓度在夹点浓度之上的流股不需新鲜水，而利用现有水流。
水夹点技术将用水操作简化为一个从富含污染物的过程流股到水流的传质过程，如图1所示，Ci，inw和Ci，outw代表水流股中污染物的进出口浓度，Ci，outlim和Ci，inlim代表过程流股中污染物的进出口浓度。用水操作污染物传质模型见图2，图中y轴代表污染物浓度(ppm)，x轴代表污染物传质负荷(kg/h)，传质发生于富污染物过程流股和水流之间，垂直浓度差代表用水操作的推动力。显然，污染物浓度的传质过程发生在流股的污染物浓度大于水流股中污染物浓度的情况。
对于第i个用水操作，其基本约束为 (1)进口污染物浓度Ci，inlim； (2)出口污染物浓度Ci，outlim； (3)污染物传质负荷Δmi，tot。
若用水网络的优化过程在满足上述约束条件的前提下，通过增加操作间的水回用，实现新鲜水用量最小化的过程。则废水流股在入流限制和出流限制为Ci，inlim和Ci，outlim条件下，为达到污染物传质负荷□mi，tot所需的水流量。操作i的极限流量filim的模型函数如下式所示。
在满足基本约束条件的情况下，将所有用水操作同时处理并最大限度的进行水回用，可使新鲜水的用量和产生废水水量大大减少，但杂质的传质质量负荷并不改变。采用这种方式的关键步骤是在一个图表上分别表达每个用水操作，并确定总系统的最小废水流量。常采用的方法为图形法(即浓度组合曲线)和表格法(即浓度间隔图)，以下以表1所示的极限过程数据为例说明两种方法。
表1极限过程数据 1.图形法 (1)在同一个杂质浓度与质量负荷图上画出所有的用水操作。每个操作首尾相连，如图3所示。
(2)在每个用水操作的极限进出口浓度处将浓度轴划分为不同的浓度间隔。
(3)对每个浓度间隔内的所有用水操作的质量负荷进行叠加，根据加和的总量在浓度间隔内重做一条曲线，即浓度组合曲线。
当确定了浓度组合曲线后，即可做出相应的供水线求出最小新鲜水流量对于新鲜水，杂质的起始浓度为零，则供水线必通过坐标原点；根据水夹点技术理论，供水线斜率越大，水流量越小，但为了保证一定的传质推动力，供水线必须处于浓度组合曲线的下方或与其重叠。以原点为中心旋转供水线，当其与浓度组合曲线相切时即为最优供水线，切点即为水夹点，如图4所示。最小新鲜水流量fmin的模型函数如式(2)所示，其中Δmpinch和Cpinch分别代表夹点处的累积质量负荷和夹点浓度。

2.表格方法 图形方法比较直观，易于理解，而表格法适用于计算机编程。首先，将极限进出口浓度按升序排列以形成浓度间隔边界。计算步骤为 (1)对一个给定的浓度间隔k，其内部每个用水操作i的传质负荷mi，k的模型函数如式(3)所示。
式中，Ck+1*和Ck*分别为间隔的上下边界。在间隔k内总的传质负荷mk即为在此间隔内各操作i的传质负荷mi，k的总和，其模型函数如式(4)所示 (2)按间隔升序，依次计算每个间隔结束时的累积质量负荷Δmk的模型函数如式(5)所示 (3)根据上述所求得的数据列表，即为浓度间隔图表。如表2所示。
表2浓度间隔图表
(4)根据累积质量负荷和间隔边界浓度计算每个间隔边界处的流量fk，其模型函数如式(6)所示，流量最大处即为新鲜水夹点之所在。可见，最小新鲜水用量为56.67t/h。
使用计算机实现浓度间隔图表绘制的程序流程图如图5所示。
描述一个用水网络有三种方法方框图、格子图和质含图。对有水回用系统而言，用水网络的设计过程比较复杂，可以借助格子图、质含图等有效工具，运用浓度间隔设计法，设计能实现最小新鲜水用量的初始用水网络。
引入了回路断开方法，可以简化初始设计用水网络和减少用水单元数目。回路断开方法的两个规则是为合并用水单元，将杂质负荷在同一回路中进行转移和仅且只要计算结果不违背所给定的极限过程数据即可转移负荷。
废水量最小化通常有以下四种方法 (1)过程改变，过程改变可以减少对水的内在需求。
(2)水回用，在使用废水不影响操作效果的情况下，一个操作产生的废水直接应用于另外的操作中，可减少新鲜水用量和废水产生量。
(3)再生回用，废水可以通过部分或全部处理，除去阻碍回用的杂质而再生，然后用于其它用水操作中。
(4)再生循环，废水可以通过脱除杂质再生后循环使用。
前面所述的水夹点方法只考虑了水的回用，如进一步考虑再生回用和再生循环等实际情况，则新鲜水的用量将进一步减少。
回用、再生回用和再生循环过程分别如图6、图7和图8所示。
水夹点技术用于计算单污染物系统时，能够方便准确的找到新鲜水夹点并确定最小新鲜水流量。但在设计相应的用水网络时，需借助格子图、质含图等工具并运用回路断开方法简化网络，整个过程相当复杂。同时，随着用水操作数目的增加，其计算量成倍增加。当涉及到通过水再生、回用和循环实现废水量最小化，以及流量、过程改变等问题时，新鲜水夹点和再生水夹点更是难以确定。
水夹点技术用于计算多污染物系统时，需要进行入口浓度转移和出口浓度转移来探讨水回用的可行性，然后基于转移浓度坐标，通过浓度组合曲线和供水线确定表观最小新鲜水流量。同时，通过构造浓度组合曲线或浓度间隔图表可能得不到真正的最小新鲜水流量，原因是在某些场合，达到夹点浓度的水可回用于夹点边界下方的其他操作。通常，仅某一污染物将达到其夹点浓度，这样，此水流股可回用于受另一污染物制约的其他操作。最小新鲜水流量的设计方程及其求解极其繁琐，有时还要考虑夹点间隔水回用，但仍不能保证可以求解出真正的最小新鲜水流量。


发明内容
本发明鉴于水夹点方法的局限性，提供一种简便的工业用水网络系统优化方法，可以避免画图列表的繁琐步骤，又可以最大程度地利用所有的可回用水。
本发明的工业用水网络系统优化方法是 将所有用水操作按照污染物浓度高低进行排序，依次为每个用水操作选取适当的水源，水源包括回用水和新鲜水，根据选取的水源确定该操作进水的污染物浓度和流量，再根据操作的质量传递过程确定其出水的参数，最后将其出水作为一股水源以供给后续操作，对于每个操作，其进水都首先从已知的操作出水中寻求，若回用水源污染物浓度大于操作的入口极限浓度，则采用污染物浓度低的回用水源甚至是新鲜水与其配合的方式，使污染物浓度降低到可供操作使用的水平，这样依次进行，直到所有的用水操作都已经得到足够的水源，便根据每个用水操作的水源情况画出水回用网络系统并统计新鲜水的用量。
本发明采用各个水源以污染物浓度为依据互相配合、依次回用的方式设计水回用网络系统，不仅避开了先计算最小新鲜水量，再进行用水网络初始设计和简化的繁琐过程，而且同样可以实现水夹点方法的目标。同时，对于某一操作出水的再生回用可以在计算过程中直接将该操作出水的浓度更改为再生出水的浓度。而再生循环可以在计算开始前添加一股流量等于所有水极限流量之和，浓度为再生浓度的水源。在处理带有再生回用和再生循环的水网络优化时显得十分方便。



图1是以富污染物过程流股模型来描述用水操作的示意图。
图2是污染物浓度与污染物传质负荷示意图。
图3是图形方法构造示意图。
图4是浓度组合曲线和最佳供水线示意图。
图5是浓度间隔表确定新鲜水夹点程序流程图。
图6是回用过程示意图。
图7是再生回用过程示意图。
图8是再生循环过程示意图。
图9是极限水侧形图和供水线的关系示意图。
图10是新鲜水用量Fi与流量比θi的关系示意图。
图11本发明水系统优化方法计算回用水配给方式的程序流程图。

具体实施例方式 为了系统说明本发明水系统优化方法设计用水网络的过程及可行性，同时为了具体操作过程中的计算需要，建立该方法的数学模型 对于操作i，按照水夹点技术的基本假设将其视为富杂质流股和贫杂质流股之间的质量传递过程。其极限入口浓度记为Ci，inlim，极限出口浓度记为Ci，outlim，极限流量记为filim。同时设新鲜水用量为Fi、实际流量为fi、进水实际浓度为Ci，inw、出水实际浓度为Ci，outw。根据这个假设的水回用约束条件作出的污染物浓度与质量负荷的关系如图9所示。在图中，上面一条直线是用水操作i的供水限制曲线，在限制曲线下方直到供水浓度为0(新鲜水)的各条供水线都可以满足操作i的进水要求。图中供水线的起始点纵坐标表示进口浓度和出口浓度(均为极限浓度)，供水线斜率的倒数表示操作的供水流量。
在未经过优化的水系统网络中，每个操作都直接使用新鲜水，其入口浓度为0，而根据模型的假设条件，其出口浓度为出口极限浓度Ci，outlim。在这里实际流量fi等于新鲜水使用量Fi。
首先引入操作i的实际流量与入口极限流量的流量比θi，其模型函数如式(7)所示 根据模型假设图9可推出 式(7)～式(10)显示优化前操作i进水和出水的各项参数的运算过程，即为优化的目标函数。
根据操作各项方程的作用和目标，其模型方程中参数的边界条件如式(11)～式(13)所示 0＜θ≤1 (11) 为达到用水和排水操作优化的目的。若操作l回用给操作i的水量记为qli，其浓度表示为Wl。则操作i的进水浓度、流量的模型函数如式(14)～式(16)所示 对于操作i，若已知其进水参数，其出水浓度的模型函数如式(17)所示 式(14)～式(17)显示优化后操作i进水和出水的各项参数的运算过程，即为优化后的模型函数。
该数学模型的判断准则主要有以下4个方面 (1)θi与Wl的选取 新鲜水用量Fi与θi的关系可表示为Fi＝F(θi)。
若操作i的水源为新鲜水和操作l出水，操作l出水污染物浓度为Wl。
由式(14)～式(16)得 当Wl＝Ci，out时，式(18)简化为 式(18)显示，

时，操作i新鲜水用量Fi随θi增大而减小，当θi取最大值1时，Fi取最小值


时，操作i新鲜水用量Fi随θi减小而减小，当θi取最小值，即qli为零时，Fi取最小值

此时θi与

成正比，当qli＝0时，θi最小。
式(19)显示，

时，操作i新鲜水用量不随θi变化，即不随qli变化，而是定值。此时，操作i新鲜水用量与θi大小无关，故取qli＝0。
图10表示了在Wl与Ci，outlim的不同关系下，新鲜水用量Fi与流量比θi的关系。
对操作i而言，

时，操作i新鲜水用量Fi随着θi的增大而减小，当θi＝1时，Fi取最小值，其最小值由式(18)计算。可见，操作i进水采用新鲜水和

的回用水时，θi＝1为最佳。而当

时，回用水的加入反而会增加Fi，因此，对操作i来说，污染物浓度大于或等于其出口极限浓度的回用水不宜采用。
(2)qli的选取 在优化设计过程中，为操作i选取水源的步骤为 首先，找出所有污染物浓度与操作i入口极限浓度Ci，inlim相等的水源，直接将其作为操作i的回用水，并记录其流量。如果不能满足操作i的极限流量，即

则qli＝fl；如果

说明操作l可以满足操作i的全部用水，则
其次，将剩余水源分为污染物浓度小于Ci，inlim的和污染物浓度大于Ci，inlim的两种水源。并将二者进行配比以满足θi＝1。设污染物浓度小于Ci，inlim的水源为操作m提供，其污染物浓度为Wm，水量fm；污染物浓度大于Ci，inlim的水源为操作n提供，其污染物浓度为Wn，水量fn。解方程组 解得的fmreq和fnreq是根据Wm和Wn算出的需水量。若操作m和n提供的水源可以满足此需水量，则


若水源m的可供水量不足，则qmi＝fm，将其水量和污染物量记入已有水源中，并结合由操作m+1提供的下一水源进行计算。方程组(20)～(21)也相应地变为 其中

表示了所有已确定回用给操作i的水源的水量总和。将方程组(22)～(23)的解同上处理。并在操作i的用水要求未得到满足时，依次将各水源纳入计算过程中，直到某一类水源告罄。若此时操作i的用水要求仍未得到满足，则分两种情况进行后续计算 情况一，污染物浓度小于Ci，inlim的水源全部用完，尚剩余污染物浓度大于Ci，inlim的水源若干根据判断准则1，将剩余水源分为污染物浓度

的水源和

的水源2种。前者全部舍弃，后者加入新鲜水配比使得混合后的操作i进水浓度满足θi＝1。解方程组如下 解出的fnreq与操作n的实际可回用水量fn作比较，具体方法同上。若不能满足操作i的用水需求，则依次计算。
情况二污染物浓度大于Ci，inlim的水源全部用完，尚剩余污染物浓度小于Ci，inlim的水源若干将此类水源依次提供给操作i，并计算是否满足其用水要求。当水源m提供给操作i的时候，解方程组如下 解出的fmreq与操作m的实际可回用水量fm作比较，具体方法同上。若不能满足操作i的用水需求，则依次计算。
如果所有的可回用水源都已告罄，但操作i的用水要求仍未得到满足，则采用新鲜水补齐。新鲜水用量使用以下方程组计算 根据模型函数推出的方程(20)～方程(29)是判断每个操作得到的回用水来源l及用量qli的依据。
(3)运算顺序的判定 由式(14)～式(16)得 当回用流量qli值固定时，操作i新鲜水用量Fi随Wl减小而减小。所以，为了减小新鲜水用量，优先选用污染物浓度低的水回用。这与水夹点技术中为了最大程度的水回用而优先利用污染物浓度低的水是一致的。鉴于此，在确定各操作的计算顺序时，优先计算出口极限浓度低的用水操作，可先得到污染物浓度低的回用水源。对单污染物系统而言，即按各操作出口极限浓度由低到高的顺序计算。式(30)给出了优化时判定计算顺序的理论依据。
(4)判断准则小结 综合考虑上述理论分析，操作i在选用其他操作回用水和新鲜水时，优先采用回用水浓度与操作i进口极限浓度相等的水；其次采用污染物浓度高于操作i进口极限浓度和污染物浓度低于操作i进口极限浓度的水相混配，令θi＝1。同时，将水源分别按照浓度高低进行排序，在使用时，优先采用浓度较低者。污染物浓度低于操作i进口极限浓度的回用水用完后，使用新鲜水和污染物浓度高于操作i进口极限浓度的回用水混配；污染物浓度高于操作i进口极限浓度的回用水用完后，直接采用污染物浓度低于操作i进口极限浓度的回用水或新鲜水满足操作i。以上为本发明水系统优化方法数学模型的判断准则。
相对水夹点技术，本发明的水系统优化方法还有一个突出优点由于不须结合图像或曲线进行操作，完全采用数值计算方式构造水系统网络，可以很方便的使用计算机语言编译程序进行计算。本程序的编译在matlab7.0平台上进行。本发明的水系统优化方法的运算过程框图，同时也是其程序流程图如图11所示。
按照上述数学模型及判断准则，对每一个用水操作进行计算，并记录其使用的回用水源l和回用水量qli以及其使用的新鲜水量Fi，便可得出最终的给水排水及水回用系统网络图及新鲜水的总用量。
权利要求
1.一种工业用水网络系统优化方法，其特征是
将所有用水操作按照污染物浓度高低进行排序，依次为每个用水操作选取适当的水源，水源包括回用水和新鲜水，根据选取的水源确定该操作进水的污染物浓度和流量，再根据操作的质量传递过程确定其出水的参数，最后将其出水作为一股水源以供给后续操作，对于每个操作，其进水都首先从已知的操作出水中寻求，若回用水源污染物浓度大于操作的入口极限浓度，则采用污染物浓度低的回用水源甚至是新鲜水与其配合的方式，使污染物浓度降低到可供操作使用的水平，这样依次进行，直到所有的用水操作都已经得到足够的水源，便根据每个用水操作的水源情况画出水回用网络系统并统计新鲜水的用量。
全文摘要
本发明提供了一种工业用水网络系统优化方法，将所有用水操作按照污染物浓度高低进行排序，依次为每个用水操作选取适当的水源，水源包括回用水和新鲜水，根据选取的水源确定该操作进水的污染物浓度和流量，再根据操作的质量传递过程确定其出水的参数，最后将其出水作为一股水源以供给后续操作，对于每个操作，其进水都首先从已知的操作出水中寻求，若回用水源污染物浓度大于操作的入口极限浓度，则采用污染物浓度低的回用水源甚至是新鲜水与其配合的方式，使污染物浓度降低到可供操作使用的水平，这样依次进行，直到所有的用水操作都已经得到足够的水源。本发明方法简便，避开了先计算最小新鲜水量，再进行设计和简化的繁琐过程。
文档编号C02F1/00GK101717127SQ20091023070
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者王炜亮 申请人:山东师范大学