【摘要】：隨著全球經(jīng)濟(jì)以及人口的快速增長(zhǎng),水資源短缺問(wèn)題日益顯現(xiàn)。為緩解日益增長(zhǎng)的水資源短缺問(wèn)題,膜法反滲透技術(shù)憑借其成本和工藝優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)前發(fā)展前景最好的淡水資源獲取技術(shù)。但是基于高壓驅(qū)動(dòng)的膜法海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行成本仍然偏高,限制了膜法反滲透海水淡化技術(shù)的進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。因此,在理解反滲透系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上進(jìn)行反滲透過(guò)程的操作優(yōu)化研究,將有助于反滲透海水淡化廠節(jié)能運(yùn)行。本文在分析反滲透系統(tǒng)的工作原理和建立模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了以下三個(gè)方面的工作:1、全面介紹了反滲透海水淡化問(wèn)題的背景概況,并根據(jù)質(zhì)量守恒、溶解擴(kuò)散理論,建立了反滲透過(guò)程的數(shù)學(xué)機(jī)理模型。考慮到模型方程中含有非線性微分方程組導(dǎo)致的求解困難問(wèn)題,本文采用有限元正交配置的聯(lián)立法進(jìn)行求解。然后將本模型求解得到的各參數(shù)情況與實(shí)際工廠數(shù)據(jù)作對(duì)比,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性,為后續(xù)的優(yōu)化和計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。2、為了確保膜法反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化求解的快速性和準(zhǔn)確性,研究了全聯(lián)立離散動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題的離散精度和網(wǎng)格劃分問(wèn)題,提出了一種基于非配置點(diǎn)誤差估計(jì)的移動(dòng)有限元網(wǎng)格劃分方法。該改進(jìn)算法采用自適應(yīng)迭代優(yōu)化求解思想,在保證求解精度的同時(shí)能夠盡可能減少有限元個(gè)數(shù),并且計(jì)算時(shí)間也大幅度減少。為驗(yàn)證算法有效性,采用了多個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上將該方法用于本海水淡化系統(tǒng)操作優(yōu)化,有效減少了有限元網(wǎng)格數(shù)量,使得優(yōu)化計(jì)算時(shí)間明顯降低。3、將海水淡化系統(tǒng)反滲透制水和產(chǎn)水過(guò)程聯(lián)合起來(lái)開(kāi)展操作優(yōu)化研究以降低運(yùn)行費(fèi)用,提出了一種基于用水負(fù)荷滾動(dòng)預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)操作優(yōu)化控制策略。該策略利用分時(shí)電價(jià)和中間蓄水環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)節(jié)能降費(fèi)潛力,采用一種新的時(shí)間序列用水負(fù)荷預(yù)測(cè)方法以提高預(yù)測(cè)精度,并通過(guò)滾動(dòng)預(yù)測(cè)和校正的策略修正負(fù)荷預(yù)測(cè),在此基礎(chǔ)上通過(guò)滾動(dòng)地求解優(yōu)化操作命題以得到最優(yōu)操作壓力和最優(yōu)操作流量曲線。計(jì)算結(jié)果表明采用該方法能夠很好的解決負(fù)荷大范圍變化的情況,與常規(guī)預(yù)測(cè)方法相比不僅能耗費(fèi)用更低,而且更加實(shí)用和安全。
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P747
【圖文】：

場(chǎng)合下得到應(yīng)用。通過(guò)原-對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)原理，將變量中的對(duì)數(shù)障礙函數(shù)相關(guān)的邊界約束轉(zhuǎn)換成可以在模型方程中求解的等式，這樣可以使起作用約束集的 SQP 算法得到避免，同時(shí)使用濾網(wǎng)線性搜索方法來(lái)保證全局收斂性。當(dāng)前 IPOPT 求解器有全空間方法和簡(jiǎn)約空間方法的兩種分類[75]，且 IPOPT 求解器還提供自動(dòng)參數(shù)整定算法(PAT)和收斂深度控制算法(CDC)[76]等功能，這使得該求解器具有更多的可擴(kuò)展性。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，因 IPOPT 針對(duì)大規(guī)模非線性問(wèn)題的求解性能優(yōu)于其它求解器，故本文采用 IPOPT 作為求解文章內(nèi)所有算例的求解器。1.4 本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)本文主要研究的是膜法反滲透海水淡化的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，目的使動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題的求解精度和效率更高。本文首先全面介紹了海水淡化問(wèn)題的背景和基本概念，研究了基于有限元正交配置的聯(lián)立法求解動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。接著建立了膜法反滲透海水淡化的數(shù)學(xué)機(jī)理模型，為解決有限元給數(shù)學(xué)模型帶來(lái)的離散和求解精度問(wèn)題，本文通過(guò)研究學(xué)習(xí)前人的成果，提出了一種改進(jìn)的移動(dòng)有限元算法。最后對(duì)時(shí)均用戶用水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，通過(guò)本文所提出的預(yù)測(cè)方法，大大提高了每個(gè)時(shí)段的用水量預(yù)測(cè)值，操作費(fèi)用也大幅度降低。本文的研究框架如圖 1.1 所示。

第2章 反滲透海水淡化系統(tǒng)的建模仿真2.1 引言在過(guò)去的幾年中，隨著對(duì)淡水需求的快速增長(zhǎng)，使用海水淡化技術(shù)已成為解決水資源短缺的重要手段。就目前而言，反滲透(Reverse Osmosis, RO)技術(shù)是最為廣泛使用的脫鹽工藝。反滲透技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得溶質(zhì)和溶劑能夠更有效的分離，并且已經(jīng)成為當(dāng)下成本較低的操作方法。反滲透過(guò)程的性能取決于供水壓力、溶解固體濃度、膜承受系統(tǒng)壓力、膜脫鹽率，膜污染特性和所需的滲透物溶質(zhì)濃度。然而出于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的考慮，在構(gòu)建整個(gè)海水淡化系統(tǒng)之前需要做大量的仿真研究。其中如何降低系統(tǒng)的制水成本已經(jīng)成為海水淡化領(lǐng)域重要的研究方向之一[77,78]。因此需要建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述整個(gè) RO 系統(tǒng)運(yùn)行狀況。通過(guò)模型來(lái)選擇合適的操作變量，最終來(lái)降低制水成本。根據(jù)以上分析，下文將結(jié)合 SWRO(Seawater ReverseOsmosis)工藝流程與機(jī)理對(duì)整個(gè)卷式反滲透過(guò)程進(jìn)行建模和求解。2.2 反滲透海水淡化系統(tǒng)的工藝流程

圖 2.2 卷式反滲透膜進(jìn)水通道模型反滲透?jìng)鬏斈Ｐ突睦碚撃Ｐ蛠?lái)預(yù)測(cè)RO膜的性能具有重要意義。該模型考慮了濃差極化操作的主要影響是增加傳質(zhì)遞系數(shù)ck ，這導(dǎo)致相對(duì)于進(jìn)料本體中的濃度散率提高，同時(shí)降低了膜壁處的鹽濃度mC ，進(jìn)而提高了滲透通量vJ 。對(duì)質(zhì)傳輸?shù)母鞣N模型和機(jī)理已經(jīng)由許多研究者討論和提出[79]。因此，通過(guò)義為：( )v wJ A P= π 0 1 2273exp( (P ))273w w f dTA FA MFA A Pα α = 的溶劑通量大小取決于施加在膜上的壓力減去膜進(jìn)料側(cè)和滲透?jìng)?cè)溶液的的通量定義為：( )s s m pJ = B c c0 1273exp( )273s sTB FB MFB Bβ =

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 伍聯(lián)營(yíng);肖勝楠;胡仰棟;高從X&;;熱膜耦合海水淡化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];化工學(xué)報(bào);2012年11期

2 李前興;劉興高;吳高輝;;一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)迭代動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法研究[J];科技通報(bào);2010年05期

本文編號(hào)：2765558