（化学工程专业论文）具有能量集成的用水网络优化设计方法研究.pdf

摘要 水和能量在过程工业的发展中占有极其重要的地位。水是可持续发展的关键因素， 并将成为2 1 世纪全球资源和环境的首要问题。目前能量集成技术相对比较成熟，已经 在实际过程工业中得到了较为广泛的应用。质量集成技术起步较晚，但在理论研究上 也取得了一定的进展。而水网络是种特殊的质量交换网络，由于水资源的逐年匮乏 和环境污染的日趋严重，水网络的研究引起了普遍关注。但在水网络设计中同时考虑 能量集成却很少见报道，并且现有的研究方法仅限于单杂质系统，能量集成仅局限于 水网络内，同时并没有实现真正意义上的用水与用能同时最小化。在这种背景下，本 论文对多杂质系统具有能量集成的用水网络的优化设计进行了大胆的尝试。在全面分 析水网络集成和能量集成的研究现状和发展趋势基础上，对其过程集成方法进行了详 细、深入的研究，以期对过程工业的节水、节能提供一定的理论指导。本论文的主要 研究内容有： ( 1 ) 对于过程工业中用水和用能同时最小化的多目标优化问题，本文采用目标分层法 的思想进行优化，即分步优化法。首先把用水量最小化看作重要的目标，用夹点 分析法或数学规划法求解优化的水网络结构；然后在这一目标的最优解下进行全 过程系统的能量集成，最后求得具有能量集成的优化的用水网络结构。该方法不 仅可以应用于单杂质系统，也可以应用于多杂质系统；且能量集成不局限于水网 络内，可以在整个过程系统中进行，使能量的综合利用更加合理。采用文献上的 实例进行验证，所得到的用水与用能结果与文献一致。 ( 2 ) 以上用水与用能分步优化的设计方法，不能保证实现真正意义上的用水与用能同 时最小化。数学规划因具有同步优化和同时处理多目标权衡的优点成为同步设计 的有效方法。作为水网络设计中用水与用能同时最小化研究的难点和热点，本文 在以上分步优化方法的基础上，利用数学规划，将水网络集成和能量集成采用序 贯模块法，以用水与用能的总费用为目标函数，将多目标优化问题转化为单目标 优化问题，利用随机算法一模拟退火和遗传算法的混合算法在较大的一个范围内 搜索，实现用水与用能的同步优化设计。该方法同样可以用于多杂质系统，且能 量集成可以在全过程系统内进行，但与分步设计法的优化结果比较说明同步优化 设计法是更为准确和有效的。 ( 3 ) 为了求解用水网络优化设计所形成的非凸n l p 问题或混合整数n l p 问题，本文 开发了自适应模拟退火遗传算法，并对该算法的评价函数进行了改进。它克服了 确定性算法由于数值奇异找不到可行解而收敛困难或容易陷入局部最优的局限 性，自适应调整步长和温降的策略提高了算法的运算速度和搜索到解的质量，并 且遗传算法的加入弥补了其内层由于具有历史遗忘性难以实现全局优化的不足。 经过对非凸n l p 问题的测试，表明该算法在收敛速度、以更大概率获得全局最 优解方面具有良好的性能。该算法与用于能量集成的遗传模拟退火算法的结合应 用，使过程工业用水与用能实现同步优化设计成为可能。 关键词：用水；用能；最小化：分步设计；同步设计；自适应模拟退火遗传算法 一一一一 些! ! 坠! ! a b s t r a c t e f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi st h ek e yf a c t o ro fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti n p r o c e s si n d u s t r i e s ，i ti sa l s oa l li m p o r t a n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o b l e mn e e d e dt ob es o l v e d i ns y s t e m se n g i n e e r i n ga c a d e m i cr e s e a r c h i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ea s f o l l o w s ： 1 a st ot h em u l t i p l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi np r o c e s si n d u s t r y , t h i sa r t i c l eu s e st h es t e p w i s ed e s i g nm e t h o dw h i c hd e p a r t st h e o p t i m a lp r o b l e mi n t ot w o s t a g e s i ns t a g eo n e ，t h ew a t e rp i n c hm e t h o do rm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o di su s e dt o m i n i m i z et h ef r e s h w a t e rf i o w r a t e i ns t a g et w o ，t h ee n e r g yi n t e g r a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rt h e m i n i m u mf r e s h w a t e rf l o w r a t e t h em e t h o di ss u i t a b l eb o t hf o r s i n g l e c o n t a m i n a n ta n d m u l t i p l ec o n t a m i n a n t ss y s t e m s t h ei n t e g r a t i o no fe n e r g y c a r lb ec a r r i e dt h r o u g ht o t a lp r o c e s s s y s t e mb e y o n d t h ew a t e ru t i l i z a t i o nn e t w o r k 2 s t e p w i s ed e s i g n m e t h o do fm i n i m u mw a t e ra n d e n e r g y d o e sn o tr e a c ht h e s i m u l t a n e o u sm i n i m i z a t i o no fw a t e ra n d e n e r g yi nr e a l i t y m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g m e t h o d i sap o w e r f u lt o o lt o p e r f o r m s i m u l t a n e o u s d e s i g n b e c a u s ei th a st h e a d v a n t a g e o f s i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o na n dd e a l i n g 、i t lm u l t i p l eo b j e c t i v et o g e t h e r a st h er e s e a r c hh o t s p o ta n d d i f f i c u l tp o i n t , s i m u l t a n e o u sd e s i g no f o p t i m i z a t i o no f w a t e ra n de n e r g yi ss t u d i e do n t h eb a s i so f s t e p w i s ed e s i g nm e t h o d s e q u e n t i a lm o d e lm e t h o d i su s e do nt h eo p t i m i z a t i o no f w a t e ra n de n e r g y t h es i m u l t a n e o u sm i n i m u mo fw a t e ra n de n e r g yi sr e a c h e da st h ea d a p t i v e s i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h ms e a r c h e sd u r i n gal a r g er e g i o n t h ec o n t r a s to fc a s e s t u d y w i t hs t e p w i s ed e s i g nm e t h o di n d i c a t e st h es i m u l t a n e o u sd e s i g nm e t h o di se f f i c i e n t 3 f o rt h el a r g en o n c o n v e xn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ( n l p ) o rm i x e di n t e g e rn o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ( m i n l p ) c a u s e db yo p t i m i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g y , a na d a p t i v es i m u l a t e d a n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( a s a g a ) i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es t r a t e g yo fa d j 【u s t i n g s t e ps i z ea n dt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n ga d a p t i v e l yr a i s e st h es p e e da n d t h ea b i l i t yt of i n dg l o b a l o p t i m u mw i t hah i g h e rp r o b a b i l i t yo f t h eh y b r i da l g o r i t h m a n dg e n e t i ca l g o r i t h me m b e di n t h ei n n e ro fa d a p t i v es i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h mc o m p e n s a t e s t h e d e f i c i e n c y t h a t s i m u l a t e da n n e a l i n gi sd i f f i c u l tt op e r f o r mg l o b a lo p t i m i z a t i o nb e c a u s eo fi t sm i s s i n gf o ra g o i n f o r m a t i o n t e s tf u n c t i o n so fn o n c o n v e xn l ps h o wt h e h y b r i da l g o r i t h m h a s g o o d c a p a b i l i t yi nc o n v e r g e n c es p e e da n df i n d i n g t h eg l o b a lo p t i m u m t h ec o m b i n a t i o no f a s a g a a n dg a s ao f e n e r g yi n t e g r a t i o nm a k e s t h es i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o no fw a t e ra n de n e r g yi n 些! ! 坠! ! 一 p r o c e s si n d u s t r i e sc o m e s t or e a l i t y k e yw o r d sw a t e r ；e n e r g y ；m i n i m i z a t i o n ；s t e p w i s e d e s i g n s i m u l t a n e o u sd e s i g n ；a s a g a 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 1 引言 有预言说：未来世界危机很可能是争夺淡水。 4 月2 2 日是地球日。2 0 0 3 年地球日的主题是“生命之水，未来之水”。设在美国华 盛顿的“地球日工作网”最新公布了世界水现状的1 0 个事实：地球上所有的水中，只 有2 5 是淡水。 全球4 0 的人口得不到安全的饮用水。 全球8 0 的疾病和劣质饮用水有关。 全球l 3 的家庭必须到家外去打水。现在，东非的女孩和女人们从家到打水的地方 平均要走2 1 分钟。 地球上的可饮用水正在面临枯竭。到2 0 2 5 年，最贫困的国家中有半数将面临严重 的水资源短缺。 农业污染、工业污染和矿业废物导致全球范围内的蓄水层( 含水土层) 遭到累积污 染。 全球8 0 的森林遭到破坏，导致世界水储备总量急剧下降。 水资源管理不善，已经导致环境退化、自然资源不可恢复性损害，这使得边远地区 民生更加艰难。 水资源浪费，尤其是农业综合企业的水资源浪费，已经明显耗尽了全球的水资源。 一次马桶冲水冲掉的水，是一个发展中国家的人一整天饮用水、做饭用水、洗涤用水和 清洁卫生用水的总量。浪费导致了水资源危机，呼吁良好的淡水管理措施出台。 全球变暖带来的海平面提高和季节模式变更，正在加剧着淡水资源危机。 摘自北京青年报2 0 0 3 4 1 1 人类社会面临水资源和能源的双重危机 水资源和能源在过程工业的发展中占有极为重要的地位，是人类赖以生存和发展的 重要资源。水资源和能源的能否可持续利用直接关系到我国可持续发展战略的实施，也 是系统工程学的发展所面临的新的重大科技问题。 我国的水资源短缺由来已久。从历史上来看，我国是干旱发生频繁的国家，素有“十 年九旱”之说。在2 2 0 0 多年的历史文献记载中，发生大的旱灾就达1 3 0 0 次之多。我国 水资源人均占有量只有2 3 0 0 立方米左右，约为世界人均水量的四分之一。建国以来， 随着人口增加和经济的发展，社会各部门用水量不断增加。据水利部9 4 年统计农村用 水从1 9 5 0 年的1 2 0 0 亿m 3 增长到1 9 9 3 年的4 0 0 0 多亿m 3 ，工业用水从5 0 亿m 3 左右增 加到5 0 0 0 0 多亿m 3 左右。国民经济各部门对水的需求不断增长，水资源供需矛盾日趋 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 突出，缺水问题越来越严重。我国水资源不仅人均占有量少，而且水资源分布极不均匀， 长江以北水系流域面积占国土面积的6 3 5 ，水资源却占全国的1 9 。随着我国社会和 经济的发展，水的缺口也越来越大。目前我国农业灌溉每年平均缺水3 0 0 多亿立方米， 全国农村还有3 0 0 0 多万人饮水困难。全国有4 0 0 多个城市缺水，缺水比较严重的城市 有1 1 0 多个，全国城市日缺水量为1 6 0 0 万立方米。每年因为缺水影响工业产值2 0 0 0 亿 元以上，影响城市人口约4 0 0 0 万人。 除了我国，世界上还有很多国家和地区存在严重缺水问题。联合国水资源大会指出： “我们正进入一个新的水资源紧缺时代”。1 9 7 2 年的联合国人类环境会议和1 9 7 7 年的联 合国水事会议就曾向全世界警告：“水不久将成为一项严重的社会危机，石油危机之后 的下一个危机就是水”。 相对于水资源的缺乏问题，目前能源方面也存在比较严重的问题，主要体现在以下 四个方面：第一，能量消费急剧增长。改革开放以来，经济的高速发展，各种能源消 费急剧增长，呈几十倍，上百倍的速度增长。如1 9 5 3 1 9 9 5 年的4 0 多年时间内，我国 人口、经济总量和能源消费量的增长倍数是：人口增长1 倍：国民经济总量增长2 4 倍； 煤炭增长1 8 倍；石油增长1 4 4 倍，可以看出能源消费增长大于经济增长，经济增长又 大于人口增长。第二，能量利用率大大低于经济发达国家。目前，日本、美国、德国的 能源利用率分别高达5 7 、5 0 和4 0 ，全球平均值也高达3 3 ，而我国只有3 2 ，比 以上三国分别低2 5 、1 8 、8 。我国能源利用率低，意味着产品单耗高。我国的单位 能源所创造的产值是非常低的。日本、法国、韩国、印度和世界平均值分别是我国的1 5 5 、 9 、4 3 、2 和5 1 7 倍。第三，我国的能源人均占有量很低。我国人口众多，故能源资源 相对匮乏。如今已探明的煤炭储量仅占世界总储量的1 1 ，原油仅占1 0 ，而天然气只 占9 左右。人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，其中石油仅占世界平均值 的1 1 0 。第四，我国的能源结构特点是“以煤为主”。在我国的能源消费总量中，煤炭 仍占7 3 左右，而优质能源一石油、天然气、水电只占2 6 左右。从以上我国能源消费 速度、能源利用率、能源资源人均占有量及能源结构等方面，我们可以看出采取各种措 施节约能源是我国现代化建设中的重大问题。 1 2 节水节能是可持续发展的必然选择幢1 水是人类和地球上一切生物生存环境的最重要支撑，也是人类社会及其经济活动发 展中的重要因素。为创造一个可持续发展的人类社会、经济和生存环境，其必要条件之 2 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 一就是寻找一个能使水资源的开发利用得以持续不断的道路。由于过去人们的漫不经 一t s , ，认为水的得来甚易，到处皆是，于是在开发利用水资源中就出现浪费，需水量的增 长十分迅速，并首先在一些水资源条件脆弱地区出现了水危机。发展到现在，供水量常 落后于需水的要求，人们开始探讨水资源可持续利用的途径。1 9 9 2 年在爱尔兰都柏林召 开的国际水与环境会议上发表的都柏林声明，开宗明义的一句话就是：“淡水紧缺和 使用不当，对持续发展和环境保护构成了严重且不断增长的威胁”，并且认为出路只有 “采取根本的、新的途径去评价、开发和管理淡水资源”【3 】。也就是说人类必须要找寻 一条可以持续性地开发、利用水资源的正确途径，才能保证人类社会和人类生存环境的 持续发展。在这种认识基础上，节约用水则是目前必须得以保证的做法。 节约用水就是提高水的利用效率，减少浪费，协调水资源与社会、经济、环境关系 的行动。水资源的节流工作不应只看成是缓和城市供水紧张局面的权宜之计，而应该看 成是今后必须长期坚持的一项合理用水资源和减轻生态环境压力的战略对策。长期以 来，在解决水资源供需矛盾的做法上往往是“重开源，轻节流”，使水资源的浪费十分 严重。对于我国来说，工业产品单位耗水量大大超过国外同类产品的水平；现行农业用 水定额过高，灌溉技术落后，主要仍为漫灌和串灌等。节水并不主要是采取限制用水， 而是应大力提倡合理用水和高效率用水。建立节水型的工农业生产体系，坚持一水多用， 重复用水，充分挖掘节约用水的潜力；开展节水技术的研究，推行“清洁生产”：并根 据用水单元的水质要求，实行分质供水，贯彻居民饮用和生活优先重点保证工业用水和 照顾农业用水的总原则，制定出用水的科学方案，确定不同来水条件下的分配原则，实 现水资源综合利用的经济最优化管理。搞好节流工作还可相应地减少污水排放量，减轻 对水生态环境的压力。 能源是国民经济中非常重要的资源。生产和生活中每时每刻都在消耗着各种能源， 离开了能源的消耗，人们将寸步难行，社会发展将停滞不前。在太阳能、风能、地热能、 核聚变能、海洋能等可再生的新能源成为人类常规能源之前，我们目前消耗的是煤炭、 石油、天然气等三大常规能源资源。这些常规能源在地球上的储量是有限的，用掉一点， 就会少一点。按照目前的消耗速度，这些常规资源只能用六七十年，到2 1 世纪的中、 后期，将消耗殆尽，后果不堪设想。为了延缓这一情景的出现，必须用可持续发展的观 点来对待能源问题，既要满足当代人的基本物质文化需求，又不危害子孙后代的生存和 发展的需要。 一垦童壁墨叁盛塑旦查堕鳖垡些堡盐互鲨堡錾 1 3 我国节水节能存在的问题 一、开发利用缺乏统筹安排，管理机构和体制不完善 长期以来，我国存在着“多龙治水”的现象：水利部门管水量，环保部门管水质： 地质部门管地下水，水电部门管地表水；生产部门管用水，市政部门管排水。这就割断 了水生产过程的内在经济运行的统一性和连贯性。这种管理体制存在各行其是、各为其 政的弊病，严重影响了水资源的综合开发利用和水资源质量保护工作。而能源的开采和 利用也和水资源一样存在着这一问题。 二、投入不足，缺少经济和技术方面的保证 节水节能工作面广量大、情况复杂多样，需要大量投入和一定的先进技术。如工业 用水，一般可分成冷却用水、锅炉用水、洗涤用水、工艺用水等，节水的关键是将以上 用水过程采用质量集成技术提高水的回用率，以减少用水量，这样就需要更新改造用水 设备，有的甚至要更新改造工艺过程及设备。这就需要大量的投入，而且随着节水量的 加大、用水重复利用率的提高，企业节水投资会愈来愈大，技术要求也愈来愈高。在存 在巨大节能潜力的锅炉、工业炉窑节能改造中，要进行炉型改造、优质能源代替固体能 源、改进对炉窑的控制手段等方案，对企业在经济上、技术上面都提出了比较高的要求， 实施起来存在比较大的困难。而目前我国水费和能源费用标准都偏低也给节能节水工作 造成了一定的障碍。 三、现有工业设备设计和管理带来的障碍 在一些企业特别是建厂较早的企业，在最初设计时对于节能节水方面根本没有系统 地考虑。能源方面主要是使用固体能源以煤为主，而且能源利用率低。而用水方面只考 虑了上水道、下水道，而未考虑中水道，这就给进行改造时考虑中水回用的设计带来了 诸多不便，另外，企业没有按照生产过程中各工艺对水质和水温的要求不一样，把水分 成几个等级，串联起来逐级使用，实现一水多用，这样就造成了大量的水源浪费。 四、缺乏完善节水节能工作的有关法、政策体系 - 目前很多城市往往将节水节能作为解决其水和能量资源的供需矛盾的权宜之计。当 这种供需矛盾稍有缓和，则开始放松，不能做到持之以恒。没有强有力的法令法规保证 节水节能工作的长期性、持续性，势必造成节水节能工作的不彻底。而对于一些目前尚 未出现水和能量资源供需矛盾的城市，很多人还认为这些资源取之不尽、用之不竭，根 本就没有节水节能的意识，没有相关政策的影响，很难做到主动节能节水。 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 1 4 节水节能的措施 节水主要可以从以下几个方面考虑【4 】； 一、加强水资源的统一管理，完善管理体制和管理组织机构： 二、树立水环境有偿使用的观点，运用经济杠杆实行水环境资源的科学管理； 三、加强水资源的评价和估算工作，研究水环境资源管理模式，搞好水资源的划分工作： 四、广泛开展水资源的开源节流工作，坚持一水多用，熏复用水； 五、全面实行排放水污染物总量控制，推行许可证制度，实行水量与水质并重管理。 节能的措施主要有以下几条： 一、优化国民经济中的产业结构，减少耗能多的第一产业，加大第三产业的比重； 二、优化能源结构，提高能源利用率： 三、发展国际贸易，利用外国能源资源； 四、大力开展全国耗能大户的节能工作，主要是冶金行业、机械行业、锅炉、工业炉 窑等。 1 5 论文选题的意义和研究内容 水和能源的危机已经引起了世界的普遍关注。它不仅在很大程度上影响社会经济的 发展，而且直接关系到人类的生存环境和人类自身的发展。如何积极有效地解决这两个 危机成为了刻不容缓的问题。能量集成和质量集成技术在过程工业节水节能中取得了很 大的成就。尤其是能量集成技术的研究相对比较成熟，但质量集成以及水网络的集成技 术还很不成熟，距离实际应用还有很大的差距，从理论和实际上都有待于进一步的发展 与完善。 过程系统集成的总体发展过程是从换热网络集成到质量交换网络集成，水网络是一 种特殊的质量交换网络，水网络中杂质的传递类比于质量交换网络中杂质的传递。目前 国内外基本上是将热交换网络和水网络分别独立地进行研究，水网络的研究方法基本上 类比于热交换网络。以此为出发点，本文在分析水网络和能量网络相互作用的基础上 将用水最小化和用能最小化同时进行综合集成。对多杂质系统，首次采用分步设计法和 同步设计法对具有能量集成的用水网络优化设计进行了研究与比较，对水网络能量与质 量的同时集成进行了大胆尝试：建立了多杂质水网络系统m i n l p 超结构，开发了自适 应模拟退火遗传算法对问题加以求解。 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 本论文组织结构如下： 6 蔓塑墼兰叁堕塑旦垄旦笪垡些丝丝杰鲨翌塞 2 文献综述 2 1 过程集成技术的发展 过程集成( p r o c e s si n t e g r a t i o n ) 是8 0 年代发展起来的过程综合领域中一个最活跃 的分支4 1 ，是从过程综合中发展起来的一个概念。最初的过程集成是指从能量流的角度研 究过程系统的设计优化”1 ，在七十年代初第二次石油危机后得到了迅猛的发展。进入八 十年代后，过程集成的概念得到了扩展，不再仅仅局限于能量流的优化。而是泛指从系 统的角度进行设计优化，因此过程集成可看作是过程设计所采用的系统方法和策略，进 行过程综合、过程分析和过程优化的相互协调。最初系统综合只考虑物料的流程生成， 后来根据节能和减少污染的要求，必须将物料流、能量流及至信息流( 自动控制) 加以 综合集成来找到理想的化工流程，所以过程集成就成了化工系统工程的研究热点。目前， 过程集成技术非常活跃，无论在集成设计策略、集成设计方法及工具，还是在面向工业 的实际应用方面都渐趋成熟，已对工业部门产生了重大影响，这可以从以下几个方面看 出： ( 1 ) 已经促使许多过程工业生产节能降耗，产生了明显的经济效益。例如：过程集 成中的夹点技术就已在世界范围内应用了2 5 0 0 多个项目，对老厂改造可节省操作费 2 0 5 0 ，投资回收期一年左右：对新厂设计比传统方法节省投资1 0 2 0 ，操作费用 节省3 0 5 吣。 ( 2 ) 促进化工生产更好地满足可持续发展要求。通过过程集成可以使工业用水量显 著下降，因而减少废水处理负荷；可以减少c o ：、s o ：、n o ；的排放，降低温室效应。例如 德国b a s f 公司8 0 年代初开始推广夹点技术，到1 9 8 8 年已使c o 。排放减少2 1 8 t h ，s o 。 减少i 4 t h ，n o 。减少0 7 t h 废水排放减少7 0 t h 。 ( 3 ) 促进过程工业公司将过去分散孤立的工艺装置综合集成为水资源、能源综合利 用的整体，使得资源得到更合理的利用，公司整体效益明显提高。 过程集成策略包括分步设计策略和同步设计策略。1 。分步设计策略基于这样的事实： 化工过程是一个由反应器、分离及循环系统、换热网络和公用工程等单元组成的复杂系 统，这些单元相互耦合、关系错综复杂，给过程设计带来了复杂性。为了克服过程设计 的复杂性，工程师一般采用层次分解的策略。d o u g l a s 。3 及其合作者在积累大量设计经验 的基础上，提出了层次设计法。l i n n h o f ( ”1 将化工过程形象地表示成“洋葱模型”，并在 此模型基础上研究能量随温度的分布，从而创立了夹点技术。这两种方法的共同点都基 于对过程的分解，都要依据前人经验总结的一般规则，二者都要求设计人员的最大参与。 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 随着八十年代初期专家系统等人工智能技术的兴起。前人经验总结的一般规则得以保存 和继承使得这种基于规则的过程设计方法开始向自动化方向发展，从而大大提高了分 步设计茨略的效率。但是该法仍具有过分依赖经验规则和得到局部最优解等缺陷。所以 分步设计策略向同步设计策略转移。 所谓同步设计策略，就是指同时考虑化工过程所包含的几个组成部分，实现过程子 系统、换热网络和公用工程子系统的同步协调综合和联合优化。该策略依赖于对实际 问题的简化和分解，借助于数学规划、计算机和通讯等技术实现，其中以g r o s s m a n n “2 1 为代表的数学规划法占据主流。该法具有同步优化、自动生成、创新设计以及同时处理 多个目标权衡等优点，但是受到所处理问题规模的限制。近年来进化算法的出现为同步 设计策略提供了强有力的工具。 过程集成技术在化工方面的应用主要体现在能量集成技术和质量集成技术两个方 面。这两种技术的发展过程以及技术本身介绍如下。 2 1 1 能量集成 能量集成是从能量流的角度研究过程系统集成的优化设计。化工过程一些工艺物流 需要加热，一些工艺物流需要冷却。如何充分利用这些物流本身的温位差，尽可能地回 收热量，减少公用工程的加热和冷却负荷，就成为能量优化首先要解决的问题。 h o h r n a n n “提出，当给定了冷、热工艺物流数据，即可以确定最小的公用工程量及所需 的最小设备单元数，在系统能量优化上是一个重大的贡献。u m e d a “”等基于热力学原理， 采用有效能图，提出分组综合的方法。而对此有突破性进展的是由以l i n n h o f f 为首的英 国帝国化学公司于1 9 7 8 年提出的能量回收过程系统的热力学综合技术“”“。 能量集成方法主要有三种。”：夹点技术、数学规划法和人工智能技术，以及这三种 方法的交叉和结合。其中在工业生产中应用最广泛、经济效益最突出的当属夹点技术。 该技术出现于七十年代末，经过近二十年的发展，其理论体系不断完备，因思路独特、 方法简单、效果显著而为人瞩目。天点技术自八十年代初便在国外得到日益广泛的应用， 影响巨大，被评价为当今过程能量综合领域中最重大的突破之一。 夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程中能量沿温度分布，从中发现 系统用能的“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。夹点技术主要由两个方面组 成：一、操作型夹点计算；二、设计型夹点计算。操作型夹点计算主要用来确定系统的 夹点温度。夹点具有两个特征“：一是该处热、冷物流的传热温差最小：二是该处过程 系统的热流量为零。从而，我们可以看出，由于夹点处的最小传热温差，会限制进一步 回收过程系统的能量，构成了系统用能的瓶颈所在，要想增大过程系统的能量回收，减 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 小公用工程冷却负荷，就需要改善夹点的位置，以解瓶颈。夹点处过程系统的热流量为 零，从热流量的角度上，夹点把过程系统分为两个子系统，夹点上为热端，它包含了比 夹点温位高的工艺物流及热交换，只需要加热公用工程，称为热阱；夹点下方为冷端( 温 位低) ，它包含了比夹点温位低的工艺物流及其间的热交换，只需要冷却公用工程，称 为热源。当通过夹点的热流量为零时，此时的公用工程加热负荷和冷却负荷均达到最小 值，即该换热网络系统达到最大可能程度的热量回收。为了保证过程系统具有最大的能 量回收，l i n n h o f f 和t u r n e r “”提出了著名的夹点技术三条原则： 1 、夹点处不能有热流穿过； 2 、夹点上方不能引入冷却公用工程； 3 、夹点下方不能引入加热公用工程。 设计型夹点计算是改进各物流间匹配换热的传热温差以及对物流工艺参数进行调 优，以得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布，从而减少公用工程负荷，达到节能的 目的。常用的是通过改变各物流的温差贡献值，改变夹点，从而达到预定的设计目的。 根据操作型夹点计算的三条基本原则，可以将原来的换热网络分解为两个独立的子 网络来进行设计，并且能够保证最大的能量回收。在此基础上l i n n h o f r 于1 9 8 3 年完整 地阐述了夹点设计法。提出夹点设计的两条可行性规则： 规则1对于夹点上方，热工艺物流( 包括其分支物流) 数目n h 不大于冷工艺物 流( 包括分支物流) 数目n c 。即n h n c ，对于夹点下方则n h n c ； 规则2对于夹点上方，每一夹点匹配( 指冷热物流同时有一端直接与夹点相通， 即同端具有夹点处的温度) 中热物流( 或其分支物流) 的热容流率c p h 不大于冷物 流( 或其分支物流) 的热容流率c p c 。即c p h c p c 。对于夹点下方则c p h c p c 。 由于在满足该两个规则约束前提下，还存在多种匹配的选择，在原有的经验规则 ( t i c ko f f ) 基础上又加入新的经验规则，来减少设备费。为了使综合出的换热网络具 有较小的换热面积，l i n n h o f f 和v r e d e r e l d ( 1 9 8 4 ) 。1 提出了个有力的分析工具传热 推动表( d e f ) 。由于最小换热单元数和最小换热面积是相互冲突的，因而在综合过程 中，必须不断地将d e f 和经验规则相比较，对实现面积与单元数进行权衡。d e f 还可 以帮助设计者进行合理的分支，以节省换热面积。 夹点技术从产生到逐步改进、发展都与工业实际紧密联系。从它提出之初，世界上 一些著名的工程公司如赫斯特、拜尔就较早地应用该技术进行新厂设计、旧厂改造。在 降低能耗、减少投资、保护环境等方面取得了显著成效。我国高校设计部门于8 0 年代 初已将夹点分析的方法应用于原油预热系统的改造，以及化工过程的用能分析与调优， 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 取得了满意的成果。 数学规划法是通过对换热网络建立数学模型，然后对其优化求解的一种数学方法。 1 9 6 9 年k e s l e r 和p a r k e r “提出的线性规划( l p ) 分析法它是将每一个物流分成同等大 小的热负荷元素，并提出冷热流股间的匹配规则。后经n i s h i d a “”等通过引入最小总面 积规则，使其适用于有约束和多种公用工程的网络设计。g r o s s m a r m ”3 1 提出了基于 l i n n h o f f 的问题表格法，以最低公用工程为目标的l p 法和在此基础上发展的以单元数 最少为目标的混合整数线性规划( m i l p ) 转运模型。1 9 9 0 年又通过引进垂直度这一松 弛变量建立了改进的m i l p 转运模型，c e r d a 和w e s t e r b e r g 。”提出了根据物流的温度段， 假设热流从热物流“航运”至冷物流，并考虑了所有可能匹配途径的以最小公用工程耗 量为目标的l p 和以最少单元数为目标的m 1 n l p 航运模型。g r o s s m a n “”提出的避开夹 点及温度段划分，包括各种匹配方案的m i n l p 超结构模型，可同步优化公用工程费用、 面积费用和单元设备费用。但模型的等温混合假设，使有分流情况下必须进行二次优化。 尹洪超等”3 所提出的非等温混合m i n l p 模型可消除g r o s s m a n n 的缺陷，但是目标函数和 约束中有菲凸的非线性项，使一些传统的m i n l p 算法失效。1 9 9 6 年，尹洪超等”1 又沿 用分级超结构模转运模型和剩余吸、放热潜力的概念，提出了一个h e n ( h e a te x c h a n g e r n e t w o r k ) 同步最优综合的m i n l p 改进模型，不仅同时考虑网络设计的不同费用目标， 而且在线性约束条件下，消除了等温混合的不合理假设，只需求解一次m 1 n l p 问题， 就可得到包括分流在内的同步优化网络结果。 数学规划法在能量集成方面的研究近几年取得了较大的发展，但是在应用于实际工 业工程问题方面还没有什么大的突破。目前工业应用主要还是以夹点技术为主。 人工智能技术中发展较快的是渐进优化法1 。渐进优化法采用统计学原理，基于生 物进化思想，正如在自然界所见的物种在其发展历史中得以进化一样，当然，要把自然 界为其自身这太复杂的“机器”所“设计”的系统优化方法，用来解决工程系统的优化 问题，还为时过早。只能说是在某种程度上模拟生物的复杂性。其原理基于渐进逼近法， 步骤如下1 ： ( 1 )以换热网络费用最小为目标，从换热网络的一系列任意初始解开始优化； ( 2 ) 产生一系列不同于初始解的变化解； ( 3 ) 检验这些解的目标函数值； ( 4 ) 抛弃不良解，保留优良解，并作为进一步求解的初始解。 ( 5 ) 重复步骤( 2 ) 一( 4 ) ，直到不能再找到系统的改进解为止。 具有能量集成的用水网络优化设计方法研究 2 1 2 质量集成 在过程综合中，质量交换网络综合是非常年轻的一个子问题。为了预防污染，实现 清洁生产，质量交换网络( m a s se x c h a n g en e t w o r k m e n ) 综合应运而生。质量交换网 络( m e n ) 综合问题是指，对于已有的废物流股或污染物流股( 富流股) ，通过各种质 量交换操作，如吸收、解吸、吸附、萃取、沥滤和离子交换等，用能够接受该物质的流 股( 贫流股) 与之逆流直接接触，综合得到一个质量交换器网络，使之能在满足质量平 衡、环境限制、安全和费用最小等约束条件下，有选择性地将废物或污染物从污染物流 股中除去。这里，富流股( r i c hs t r e a m ) 指的是富含特定物质的过程流股，对污染预 防问题，就是指污染物或废物；贫流股( 1 e a ns t r e a m ) 就是接受这些物质的流股。它可 以是过程流股，也可以是# l g l 的质量分离剂( m a s ss e p a r a t i n ga g e n t ，m s a ) ，如吸附剂、 萃取剂等。而质量交换网络的操作成本主要是外加的质量分离剂的费用和相应的设备投 资费用。质量交换网络侧重于过程中的物质流，直接针对过程中的物质流去考虑废物最 小化问题，能够有效地实现过程的废物最小化，为清洁生产提供有力的技术支持，现已 成为人们解决过程污染问题的有力工具之一。对其进行研究，将对工业企业清洁生产的 实现起到重要的作用。近年来，由之演进形成的质量集成( m a s si n t e g r a t i o n ，m i ) 技术 则是从更广泛的视野对更多的目标去进行过程集成优化。 在质量交换网络( m e n ) 基础上形成的质量集成( m i ) 方法是一个系统的方法论。 它注重质量在全局的分配，包括物质的利用循环、过程内物质的截断、化学转化、分割 和混合以及单元操作的变化等，建立与质量相关的经济权衡，同时也确定了过程所需的 热量、冷量和轴功，从而使我们对其他的设计问题有了深入的理解，为我们处理环境和 其它问题提供了更广阔的视野。 为实现过程的质量集成，人们还定义了以下的流股操作和单元操作： 质量交换器( m a s se x c h a n g e r ) 是指使用质量分离剂进行逆流直接接触的质量传递 操作单元。质量交换操作包括吸收、解吸、吸附、萃取、沥滤和离子交换等操作。 截断( i n t e r c e p t i o n ) 就是运用分离技术调节富含目标物质流股的浓度使之能被贫流股 或汇所接受。这一操作主要是通过使用质量分离剂或能量分离剂来实现。 汇发生器的操作( s i n k g e n e r a t o ro p e r a t i o n ) 通过设计或操作上的变化来改变进入或 离开汇流股的流量或浓度。这些变化包括温度或压力的改变、单元替代、催化剂改变、 原料或产品替代、反应变化和溶剂替代等。 具有能量集成的用水弼络优化设计方法研究 循环( r e c y c l e ) 即确定从源回到汇的路线。每一个汇对它能处理的流股都有流量和 浓度上的约束。如果源流股满足这些约束，它就可以直接进入汇；如果源流股不满足这 些约束，那么就需要采用分割、混合或截断等手段来进行预处理，使之适于循环。 最小允许浓度差( m i n i m u ma l l o w a b l ec o m p o s i t i o nd i f f e r e n c e ，m a c d ) 是为了避免 传质中出现无限大的质量交换器，在流股的操作浓度和平衡浓度间设定一个最小值，称 为最小允许浓度差。此概念类似于换热网络中的最小传热温差f ，一般作为优化变量。 质量交换网络综合的目标通常是总年度费用最小( m i n i m u mt o t a la r m u a l i z e dc o s t m t a c ) ，包括操作费用( 主要是质量分离剂的成本) 和固定投资费用( 主要是各种质 量分离单元的设备费用) 。 2 2 水分配网络的研究进展 水分配网络是一种特殊的质量交换网络，它们研究问题的对象都是物质流，这里的贫 流股特指为水流股，质量交换网络中的许多概念和方法都可以应用于水分配网络中，这包 括可以使用一系列可视化工具如：源一阱图。“、路径图。“、物种截断。23 来描述水分配网络， 而且可以使用状态空间( s t a t e s p a c er e p r e s e n t a t i o n ) 。3 3 ”法、超结构( s u p e r s t r u c t u r e ) 。”法、 过程图( p r o c e s sg r a p h ) 。”法等来优化水分配网络。 早在二十年前，由于工业自身发展的需要提出了优化水回用和有效治理废水的要求， 图2 1 形象地说明了整个水分配网络设计的研究过程。由图2 1 可知( d ) 是人们所希望得 到的水分配网络结构设计，并由此给出水分配网络( w a t e r w a s t e w a t e ra l l o c a t i o nn e t w o r k ， w a n ) 设计问题的定义：给定可用水的集合与其单价、用水过程集合、可用的废水过程集 合及其费用、以及环境排放限制，要求设计出一种网络配置，这种配置既能满足各用水过 程的