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多效蒸发海水淡化系统可行域时变分析与全周期操作优化

作者:   文章来源:   点击数:   更新日期: 2021-11-08

论文标题:Time-varying analysis of feasible region and full-cycle operating optimization in multi-effect seawater desalination system

发表期刊:化工学报(EI收录中文核心期刊)

原文链接:http://doi.org/10.11949/0438-1157.20210787

作者列表:

(1) 陈春波 信息科学与工程学院 自动化系博17级

(2) 罗雄麟 信息科学与工程学院 自动化系

(3) 孙    琳 信息科学与工程学院 自动化系(通讯作者)

文章简介:

带蒸汽压缩机的低温多效蒸发(MED-TVC)海水淡化系统是一类典型的慢时变系统,一般的稳态操作优化方法无法使该系统获得长期的良好运行效益。为此提出了MED-TVC系统操作条件可行域的概念,能根据操作点的位置判断系统运行状况,并从可行域的角度分析了稳态优化方法存在的问题。随后提出了时变约束的全周期操作优化方法。该方法根据可行域的时变特性建立了时变约束不等式,保证优化结果能够满足淡水生产任务。同时将MED-TVC系统的全周期蒸汽消耗总量作为目标函数,实现整个生产周期的能耗最低目标。

摘要:

能耗过高制约了多效蒸发(MED)海水淡化技术的大规模应用,稳态操作优化虽然能够有效减少MED系统的短期蒸汽消耗速率,但污垢累积导致该系统在长周期运行时蒸汽消耗量升高和装置减产。为此,首先针对带蒸汽压缩机(TVC)的MED系统(MED-TVC)提出可行域的概念,分析表明操作点在可行域中的位置决定了系统的运行效益。随后通过可行域的时变分析发现操作点超出可行域是稳态优化中系统性能逐渐衰减的原因。最后利用可行域的性质,提出了时变约束的全周期操作优化方法。该方法通过调整MED-TVC系统在运行周期内的操作条件,获得全周期最低的蒸汽消耗量,同时利用时变的可行域约束保证优化结果在全周期内均满足淡水产量要求。结果表明,时变约束的全周期操作优化在维持MED-TVC系统的设计淡水产量的同时,全周期蒸汽消耗量相比于设计值减少了19.6%,能够很好地解决MED-TVC系统的操作优化问题。

1.问题描述

图1是一个典型的多效MED-TVC海水淡化系统,由多个串联起来的单元(被称为效)组成。该系统通过蒸发原料海水产生二次蒸汽,新产生的二次蒸汽用于下一效的海水蒸发,最终被冷凝成淡水产品。效间蒸汽的逐级利用是该装置高效生产淡水的关键。



图1 多效MED-TVC海水淡化系统示意图

该装置在生产淡水的过程中存在海水的浓缩,因此容易产生析晶结垢现象,使污垢附着在蒸发器换热管的表面,影响系统的正常传热。为此在MED-TVC系统的模型中增加了污垢热阻增长模型,模拟结垢过程对系统的影响,如式(1)所示。


   (1)

污垢热阻的累积使多效蒸发海水淡化系统需要周期性地停工清垢,一般其停机周期为1.5~2年。长周期的运行方式使该系统中污垢累积这一慢时变特性对系统性能产生较大影响,也为该系统的操作优化带来了困难。一般的稳态操作优化只能得到系统在当前状态下的最佳运行效益,当系统状态随污垢热阻的增加而变化时,稳态优化结果不再能维持系统的高效运行,甚至出现装置减产和被迫提前停机。

2.可行域分析

为了解决MED-TVC系统稳态优化的问题,本文首先通过操作变量分析发现了该系统的操作条件可行域。对于MED-TVC系统的每一效,都存在进料海水流量和蒸发压力的可行范围,一旦进料流量过高或蒸发压力过低,该效都无法再完成正常的生产任务。

为了便于研究,本文考虑各种影响因素,以大量基于MED-TVC系统模型的仿真为基础,建立了各效可行域边界的数学模型,如公式(2)所示。


(2)

其中



需要注意的是,除了加热蒸汽温度Th和二次蒸汽产量Fs,可行域的范围还与该效污垢热阻值Rf有关,因此即使MED-TVC系统的操作条件固定,其可行域也会随着污垢的累积发生变化,即可行域存在时变特性。

我们分析了一般稳态优化结果在实际运行时的可行域变化,如图2所示,其中每条曲线代表了不同时刻的可行域边界曲线,曲线右下部分为相应的可行域。由此可见,尽管稳态优化后的操作点在初始时在可行域内,能够满足生产要求,但随着装置的运行,污垢热阻逐渐升高,可行域出现收缩,导致半年后操作点超出可行域的范围,系统无法再正常工作。



图2 稳态优化的可行域全周期变化

由此可见,可行域的收缩导致的操作点超出可行域是系统稳态优化结果应用于长周期运行时的最大困难。

3.结果及分析

针对可行域收缩导致的MED-TVC长周期运行问题,本文提出了一种基于可行域时变约束的全周期操作优化方法,该方法利用控制向量参数化(CVP)方法将整个运行周期划分成多个时间段,并利用优化求解方法给出系统在每个时间段的操作条件,通过变化的操作条件适应系统的状态变化。同时,为了保证优化结果的可行性,将变化的可行域加入约束条件中,确保优化后的操作条件在整个周期内都能维持在可行域内。优化问题如下式所示。


(3)

其中,表示优化过程中根据进料流量计算得到的压力可行域边界值。

利用上述方法求解得到的MED-TVC系统全周期可行域与操作点变化如图3所示,表明可行域约束的全周期优化能够在全周期内维持系统操作条件在可行域内。此外,对比优化前的全周期运行性能发现,时变约束的全周期操作优化方法在满足淡水生产任务的前提下,总能耗降低了19.6%,证明了该方法的有效性。



图3全周期优化的MED-TVC系统可行域及操作点变化

作者简介

孙琳,硕士研究生导师。中国石油大学(北京),信息科学与工程学院自动化系,硕士研究生导师。主要研究方向为:化工过程控制,化工过程系统工程。主持及参与国家、省部级以及横向项目5项,获国家发明专利授权3件,发表学术论文30余篇,其中被SCI、EI检索20余篇。联系方式:sunlin@cup.edu.cn