1、文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行摘要：研究、建立了水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型,提出了最優(yōu)沉淀出水濁度的概念和各流程間流量最優(yōu)分配的觀點(diǎn)，探討了系統(tǒng)局部最優(yōu)和整體最優(yōu)的關(guān)系。此外，還研制了優(yōu)化運(yùn)行軟件包，并成功地運(yùn)用于小型試驗(yàn)系統(tǒng)。結(jié)果表明，優(yōu)化運(yùn)行能節(jié)省10%30%的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)水處理系統(tǒng)運(yùn)行與優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的目的在于：通過提高水廠的技術(shù)管理水平，合理使用水廠現(xiàn)有處理設(shè)施，提高供水水質(zhì)，降低供水成本，使系統(tǒng)在不斷變化的運(yùn)行工況中，經(jīng)常處于良好的運(yùn)行狀態(tài)1。水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行主要包括兩部

2、分內(nèi)容：系統(tǒng)狀態(tài)模擬仿真與系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化。前一部分，筆者已撰文作了較詳細(xì)的論述2,本文將主要討論系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的問題。1優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型一般大型水廠采用分期建設(shè)，每期建設(shè)由于考慮到場(chǎng)地條件、當(dāng)時(shí)的工藝技術(shù)以及原水水質(zhì)、處理效率、投資與經(jīng)營(yíng)費(fèi)用等因素而選擇了不同凈水工藝及處理設(shè)備；而在一些老廠的擴(kuò)建、改造中，又不斷采用新工藝、新技術(shù)以增加產(chǎn)量，提高質(zhì)量，因此形成了水廠處理系統(tǒng)多流程、多工藝、多池型的特點(diǎn)。由于不同流程、不同凈水工藝、不同處理構(gòu)筑物型式的處理能力、處理效率及運(yùn)行費(fèi)用不同，而且各種構(gòu)筑物的運(yùn)行參數(shù)又都互相聯(lián)系、互相制約，因此就存在著整個(gè)處理系統(tǒng)在一定的運(yùn)行條件下，各流程在處理能力上的相互

3、協(xié)調(diào)、各處理構(gòu)筑物在處理效率上的相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的處理費(fèi)用最小、能源消耗最低，即系統(tǒng)處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。1.1 目標(biāo)函數(shù)水處理系統(tǒng)日常運(yùn)行費(fèi)用主要包括：藥費(fèi)、沉淀池（包括澄清池，下同）排泥費(fèi)和濾池反沖洗費(fèi)，一泵站的提升費(fèi)用暫不計(jì)算在內(nèi)。式中F-運(yùn)行費(fèi)用，元/dmi-第i流程的混凝劑投加量，mg/Ln-處理工藝流程數(shù)eni-第i流程沉淀池單位排泥耗電量，kW-h/m3pi-第i流程沉淀池排泥耗水率Wi-第i流程沉淀池一次排泥量，m3Tni-第i流程沉淀池排泥周期，hNi-第i濾站濾池個(gè)數(shù)Ti-第i濾站濾池過濾周期，hewi-第i濾站反沖洗單位用水耗電量，kWh/m3egi-第i濾站反沖洗

4、單位用氣耗電量，kW-h/m3QCi-第i流程的混凝沉淀進(jìn)水流量，m3/dqwi、qgi-第i濾站單個(gè)濾池一次反沖洗用水量、用氣量，m3k1、k2、k3、k4-藥價(jià)（元/t）、電價(jià)（元/kWh）>排泥耗水價(jià)（元/m3）、反洗水價(jià)（元/m3）1.2 約束條件淀池：C1min<Cliwcimax濾池：C2iwC2max（2）式中C1i、C2i-第i流程沉淀池、濾池出水濁度，NTUC1min-經(jīng)沉淀池處理后能達(dá)到的最小出水濁度，NTUC1max-允許的沉淀池最大出水濁度，NTUC2max-要求的濾后出水濁度的上限，該值要小于或等于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的合格濁度，NTU此外，由于水廠各流程之間相互連通

5、，而且優(yōu)化運(yùn)行要求合理調(diào)配各流程的水量負(fù)荷，各流程的沉淀出水濁度與濾池進(jìn)水濁度也不一定相同，故有下述約束：C1i，=C1i+ACi（3）式中C1i第i流程濾池進(jìn)水濁度，NTUCi第i流程沉淀池與濾池之間的水質(zhì)波動(dòng)，NTU1.3 各種構(gòu)筑物處理規(guī)模的要求沉淀池：QCiminwQCHQCimax濾池：QLiminwQLiwQLimax(4)式中QCi、QLi-第i流程混凝沉淀及濾站處理的水量，m3/dQCimax、QCimin、QLimax、QLimin-相應(yīng)構(gòu)筑物處理規(guī)模的上下限，m3/d可將過濾水量約束轉(zhuǎn)化為濾速約束，即：vimin<vi<vimax(5)式中vi、vimax、vi

6、min-第i系統(tǒng)濾池濾速及其上下限，m/h1.4 處理流程流量平衡要求式中Q-原水總流量，m3/dQS-分質(zhì)供水時(shí)，經(jīng)沉淀凈化后送用戶使用的水量，m3/dAQC-第i流程沉淀池排泥耗水量，m3/d1.5 濾池運(yùn)行周期的要求確定濾池運(yùn)行周期，要考慮到水頭損失和出水濁度以及最大過濾時(shí)間的要求。Ti=minTiL,TiH,Timax(7)式中TiL、TiH、Timax-第i系統(tǒng)濾池的雜質(zhì)穿透周期、水頭損失周期以及允許的最大過濾周期，h1.6 雜質(zhì)穿透深度的要求為使雜質(zhì)在濾層中合理分布，既充分利用濾層的截污能力，又不允許雜質(zhì)穿透，有下述約束：Limin<Li<Limax(8)式中Li、Li

7、max、Limin-第i系統(tǒng)濾池雜質(zhì)穿透深度及上下限，cm2小型試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行考核為研究水處理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行而制作了小型試驗(yàn)系統(tǒng)，主要流程見圖1,并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)3文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持原理，通過對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)回歸分析，建立了各單元處理過程的數(shù)學(xué)模型，詳見參考文獻(xiàn)2。2.1 目標(biāo)函數(shù)及結(jié)束條件由于試驗(yàn)系統(tǒng)采用了兩種濾池，形成了系統(tǒng)的多流程模式，則系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型式(1)即為：目標(biāo)函數(shù)：F=min10-6k1mQ+24(k2en+k3p),W/Tn+24(k4+k2ew1)qw1+k2egqg/T1,24(k4+k2ew2)qw2/T2(9

8、)約束條件：2.8 WC1W150WC22c0.520WL1W606<v1<128Wv2W14T1=minT1H,T1maxT2=minT2H,T2L,T2maxTimax=48(i=1,2)Q=Q1+Q2+2410-3W/Tn(10)式中2m=28.2CO0.973C1-0.549Q-0.885Tn=6.24109m1.231Q(0.325C0+21.25-0.6C1+4.1m)-1.678T1H=(2.4054-0.0209v1)/(T2H=(2.0729-0.0251v2)/(T2L=(目標(biāo)函數(shù)中，均質(zhì)濾料濾池由T1H決定其運(yùn)行周期，而對(duì)雙層濾料濾池，取T2H和T2L中較小者

9、作為濾池的運(yùn)行周期。顯然只有當(dāng)T2=T2L=T2H時(shí)，濾池才處于最佳工作狀態(tài)，既完全利用了濾池的水力能力，又充分發(fā)揮了濾層的截污能力，同時(shí)說明當(dāng)整個(gè)凈水處理系統(tǒng)處于最佳工況時(shí)，恰好濾池也處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。約束條件中，C22為雙層濾料濾池在濾層深度46cm處的出水濁度；由C1、v1可計(jì)算均質(zhì)濾料雜質(zhì)穿透深度L1，該處出水濁度為1NTU，因此對(duì)穿透深度的約束已包含了對(duì)濾后水質(zhì)的要求。2.9 模型解法上述模型中，變量C1、C22及v1或v2均為連續(xù)變量，模型為有約束非線性規(guī)劃問題，可用多種方法求解。本項(xiàng)目采用一種求解非線性規(guī)劃的組合型算法，此算法功能較強(qiáng)，求解較快，根據(jù)此算法編制了優(yōu)化運(yùn)行軟件。此外

10、，模型中一些經(jīng)濟(jì)參數(shù)如藥價(jià)、電價(jià)、反洗水單價(jià)、排泥耗電量、反沖洗耗電量等均根據(jù)天津某水廠、南京某水廠有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。選取4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。表1多流程優(yōu)化運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行結(jié)果對(duì)比原水流量Q(L/h)原水濁度C0(NTU)運(yùn)行方式濾前濁度C1(NTU)投藥量m(mg/L)濾速(m/h)過濾周期(h)穿透深度(cm)濾后濁度C22(NTU)排泥周期Tn(h)排泥體積W(L)單位費(fèi)用元/(d.m3)節(jié)省率()U1U2T1T2T2HT2LL1L210060優(yōu)化常規(guī)8.01812107.91014.6216.625.724.145.142.40.50.42481.650.0

11、30636.312070優(yōu)化常規(guī)7.514.7121111.91314.920.718.229.645.842.40.50.418.681.868050優(yōu)化常規(guī)8.55.359.976.0915.818.43237.544.853.10.53.52481.2310050優(yōu)化常規(guī)7.87.61297.97.914.714.326.13444.943.50.50.62481.192.10 單流程優(yōu)化運(yùn)行為了對(duì)比不同工藝流程的處理能力、耗水、耗能及各項(xiàng)費(fèi)用，將本試驗(yàn)系統(tǒng)分為兩個(gè)單流程運(yùn)行，即混凝沉淀加均質(zhì)濾料濾池為流程1；混凝沉淀加雙層濾料濾池為流程2，并根據(jù)式(8)分別建立兩個(gè)單流程優(yōu)化模型(模型

12、略)。由于單流程沒有各流程間的流量協(xié)調(diào)問題，同時(shí)根據(jù)濾速與濾前濁度的制約關(guān)系，應(yīng)使盡量多的濾池投入運(yùn)行，以降低濾速，這樣有利于提高水質(zhì)或降低混凝劑投量，因而濾速不再作為調(diào)控變量，故單流程運(yùn)行優(yōu)化問題求解比較容易。本文仍采用組合型算法求解，對(duì)流程1、流程2分別選取4組試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算（結(jié)果略）。3優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果分析及討論3.1 沉淀池最優(yōu)出水濁度的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)原水流量、濁度一定時(shí)，沉淀出水濁度C1的大小直接關(guān)系到水處理費(fèi)用的高低。運(yùn)行時(shí)如果允許C1較高，則混凝沉淀的費(fèi)用可相應(yīng)降低，但卻增加了濾池的運(yùn)行費(fèi)用；反之如果要求C1較低，則提高了混凝沉淀的處理費(fèi)用，而降低了濾池的運(yùn)行費(fèi)用。因此，

13、必然存在著一個(gè)使總運(yùn)行費(fèi)用最小的沉淀出水濁度，即系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行意義下的最優(yōu)沉淀出水濁度C*，見圖2。 原水流量、濁度變化時(shí)，C*也隨之變化，其變化幅度與原水有關(guān)參數(shù)變化幅度有關(guān)。表2為流程2的C*與原水濁度C0或原水流量Q之間的變化關(guān)系，即C*8（C0/Q）。此式表明，沉淀池出水濁度是聯(lián)系混凝沉淀與過濾的中間變量，它的大小既受到原水水質(zhì)及混凝沉淀設(shè)備處理效率的影響，同時(shí)也受到濾池水量負(fù)荷的制約，需根據(jù)運(yùn)行條件的變化合理確定。表2流程2中沉淀池最優(yōu)出水濁度與原水濁度或原水流量的關(guān)系Q=100L/hC00C*C0=60NTUQ180C* 比較本試驗(yàn)各流程最優(yōu)運(yùn)算結(jié)果可知，流程不同，各單元運(yùn)行費(fèi)用不同

14、，則最優(yōu)沉淀出水濁度C*不同。如流程1，由于均質(zhì)濾料濾池采用氣水反沖洗，節(jié)省大量的反洗用水，故費(fèi)用比單獨(dú)水反洗要低得多，試驗(yàn)中，均質(zhì)濾料濾池反洗一次的費(fèi)用是雙層濾料濾池的41.32%。故當(dāng)處理相同規(guī)模、相同水質(zhì)的原水時(shí)，由于氣水反洗費(fèi)用低，則優(yōu)化運(yùn)行適當(dāng)提高反洗費(fèi)用、降低投藥費(fèi)，使最優(yōu)沉淀出水濁度得以提高，即圖2中的最優(yōu)點(diǎn)C*向右偏移。 對(duì)某凈水廠來說，處理流程已定，則最優(yōu)沉淀出水濁度C*就取決于水廠采用的藥劑品種、價(jià)格及當(dāng)?shù)氐乃畠r(jià)。若系統(tǒng)采用的藥費(fèi)較高，而水價(jià)相對(duì)較低的話，則系統(tǒng)優(yōu)化必然要減小投藥量，提高沉淀出水濁度，從而減小投藥費(fèi)用；反之，在水資源短缺或長(zhǎng)距離輸水的地方，水價(jià)較高，若藥費(fèi)相

15、對(duì)較低，則系統(tǒng)優(yōu)化必然是加大投藥量，降低沉淀出水濁度，以節(jié)省反洗費(fèi)用。如本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的藥劑不變，而水價(jià)由原來的0.4元/m3漲到0.8元/m3或1.2元/m3,則C*由原來的8NTU相應(yīng)降到6.0NTU或3.8NTU,且反洗耗水量也隨水價(jià)的提高而減少至原耗水量的90.1%和77.4%。3.2 合理分配水量負(fù)荷7文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持在多流程處理系統(tǒng)中，除了調(diào)節(jié)濾前濁度外，還可通過合理分配各流程水量負(fù)荷，使系統(tǒng)處于最佳工況。從表1看出，在試驗(yàn)系統(tǒng)中，兩濾池的流量分配都是優(yōu)先分配均質(zhì)濾料濾池，該濾池濾速均為滿足各種約束下的最大濾速，其原因就在于均質(zhì)濾料濾池運(yùn)

16、行費(fèi)用低。如兩濾池沖洗一次的時(shí)間均按30min計(jì)算，系統(tǒng)總處理能力為80120L/h,據(jù)此計(jì)算兩濾池10d的處理水量，則均質(zhì)濾料濾池的處理水量是雙層濾料濾池的99.7%194%。3.3 排泥周期的確定在總費(fèi)用中，雖然沉淀池排泥費(fèi)很小，只占總費(fèi)用的1%以下，但系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的意義在于確保沉淀池出水質(zhì)量，并減少排泥耗水量，從而減少水廠污泥系統(tǒng)的負(fù)荷，減少相應(yīng)的處理費(fèi)用。在優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投藥量較少，沉淀出水濁度較高時(shí)，排泥周期較長(zhǎng)，這是由于定量排泥的緣故。在實(shí)際生產(chǎn)中，沉淀池排泥周期過長(zhǎng)，易造成污泥濃度過高，排泥阻力增大，排泥機(jī)械電耗增加，故在優(yōu)化計(jì)算中，確定最大排泥周期為24ho這樣在泥量大

17、時(shí)，采用定量、不定時(shí)排泥；泥量小時(shí)，采用定時(shí)、按實(shí)際泥量排泥，既可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，又可降低排泥耗水率。3.4 系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行與濾池最優(yōu)運(yùn)行的關(guān)系筆者在參考文獻(xiàn)2討論了濾池最優(yōu)運(yùn)行條件，即TH=TL。由表1看出，系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行時(shí)，雙層濾料濾池的TH*TL,由于優(yōu)化運(yùn)行對(duì)濾后水質(zhì)要求較高(C22W0.5NTU),所以運(yùn)行周期多由TL決定。當(dāng)原水流量、濁度一定時(shí)，可以通過調(diào)整濾前濁度C1來調(diào)整TH、TL,見圖3。由圖3可知：當(dāng)C1較低時(shí)，過濾周期由TH決定；而C1較高時(shí)，過濾周期由TL決定。當(dāng)C1=7.6NTU時(shí)，TH=TL=26.7h,濾池處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，但總運(yùn)行費(fèi)用不是最?。欢?dāng)C1=10.

18、8NTU時(shí)，TH=23.06h,TL=20.68h,過濾周期取20.68h,此時(shí)系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用最小。即整體最優(yōu)時(shí)局部不一定最優(yōu)，而局部最優(yōu)時(shí)整體不一定最優(yōu)。在本優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算中，通過調(diào)整各運(yùn)行參數(shù)，使雙層濾料濾池的TH與TL比較接近，在系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行的前提下，盡可能使濾池也處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。3 .5系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益由表1看出，試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行相比，當(dāng)濾后水質(zhì)相同時(shí)，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用19%36%,而第3組優(yōu)化運(yùn)行與常規(guī)運(yùn)行費(fèi)用相差不多，但優(yōu)化運(yùn)行濾后水質(zhì)明顯好。根據(jù)天津某水廠1997年2月藥耗(不包括消毒劑)，排泥電耗及反洗水、電耗等實(shí)際運(yùn)行資料，計(jì)算其費(fèi)用為0.0299元/m3,如水廠日處理能力按50X104t、優(yōu)化運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用按10%20%計(jì)算，則年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用(54.6109.1)萬元。根據(jù)水廠一年實(shí)際運(yùn)行數(shù)