新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计.pdf

第4 4卷 第4期2 0 2 3年8月 青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 4 N o.4A u g.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 2-6 9 8 7(2 0 2 3)0 4-0 0 5 7-0 9;D O I:1 0.1 6 3 5 1/j.1 6 7 2-6 9 8 7.2 0 2 3.0 4.0 0 7新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计刘政含,王 芳,贾小平*(青岛科技大学 环境与安全工程学院,山东 青岛 2 6 6 0 4 2)摘 要:化工园区水资源消耗大。在新鲜水供应限制条件下,开展化工园区尺度的水资源节约集约利用研究有重要的现实意义。分解园区水网络系统成若干单元,建立用水单元、中间水道、再生水处理和废水接收超结构模型以及对应的数学模型;在此基础上,建立园区水网络系统超结构物理模型及其混合整数非线性规划(M I N L P)数学模型。以最小年均总成本为优化目标,探究了在新鲜水供应条件下的多种水资源高效利用情景及对应的水网络系统结构变化情形。当新鲜水供应量在1 2 0 0 th-1以下时,园区年均总成本减少2 2.5 9%,新鲜水用量减少2 2.8 8%;当新鲜水供应量在8 0 0 th-1以下时,园区年均总成本增加2 4.9 7%,新鲜水用量减少5 3.4 4%。关键词:化工园区;混合整数非线性规划;集成优化;新鲜水供应限制;水网络中图分类号:T Q 0 2 1.8 文献标志码:A引用格式:刘政含,王芳,贾小平.新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计J.青岛科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 4(4):5 7-6 5.L I U Z h e n g h a n,WANG F a n g,J I A X i a o p i n g.I n t e g r a t e d o p t i m i z a t i o n f o r p a r k-w i d e w a t e r s y s t e m u n d e r f r e s h w a t e r s u p p l y c o n s t r a i n t sJ.J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n),2 0 2 3,4 4(4):5 7-6 5.收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 6基金项目:国家重点研发计划“战略性国际科技创新合作”重点专项项目(2 0 2 0 Y F E 0 2 0 1 4 0 0);国家自然科学基金项目(4 1 7 7 1 5 7 5).作者简介:刘政含(1 9 9 8),女,硕士研究生.*通信联系人.I n t e g r a t e d O p t i m i z a t i o n f o r P a r k-w i d e W a t e r S y s t e m u n d e r F r e s h w a t e r S u p p l y C o n s t r a i n t sL I U Z h e n g h a n,WA N G F a n g,J I A X i a o p i n g(C o l l e g e o f E n v i r o n m e n t a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,Q i n g d a o 2 6 6 0 4 2,C h i n a)A b s t r a c t:C h e m i c a l i n d u s t r i a l p a r k s c o n s u m e h u g e v o l u m e s o f w a t e r r e s o u r c e s.U n d e r f r e s h-w a t e r s u p p l y c o n s t r a i n t s,i t i s o f g r e a t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t o c a r r y o u t p a r k-w i d e w a t e r r e-s o u r c e c o n s e r v a t i o n a n d i n t e n s i v e u t i l i z a t i o n.T h e p a r k-w i d e w a t e r s y s t e m i s d e c o m p o s e d i n-t o f o u r u n i t s,i.e.,w a t e r u s i n g u n i t,w a t e r m a i n,r e g e n e r a t i o n t r e a t m e n t u n i t,a n d w a s t e w a t e r r e c e i v i n g u n i t.B o t h t h e i r c o r r e p o n g d i n g s u p e r s t r u c t u r e m o d e l s a n d m a t h e m a t i c a l m o d e l s a r e e s t a b l i s h e d.O n t h i s b a s i s,t h e p a r k-w i d e s u p e r s t r u c t u r e m o d e l a n d m i x e d i n t e g e r n o n l i n e a r p r o g r a mm i n g(M I N L P)a r e p r e s e n t e d.T a k i n g t h e m i n i m u m t o t a l a n n u a l c o s t a s t h e o p t i m i z a t i o n o b j e c t i v e,f o u r s c e n a r i o s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g s t r u c t u r a l c h a n g e s o f w a t e r n e t w o r k s y s t e m s u n d e r f r e s h w a t e r s u p p l y c o n s t r a i n t s a r e i n v e s t i g a t e d.Wh e n t h e v o l u m e o f f r e s h w a t e r s u p p l y i s b e l o w 1 2 0 0 th-1,i t s t o t a l a n n u a l c o s t w a s d e c r e a s e d b y 2 2.5 9%,a n d t h e c o r r e s p o n d i n g u s e o f f r e s h w a t e r i s r e d u c e d b y 2 2.8 8%.Wh e n t h e v o l u m e o f f r e s h w a t e r 青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第4 4卷s u p p l y i s b e l o w 8 0 0 th-1,i t s t o t a l a n n u a l c o s t i n c r e a s e s b y 2 4.9 7%,a n d t h e c o r r e s p o n d-i n g u s e o f f r e s h w a t e r i s r e d u c e d b y 5 3.4 4%.K e y w o r d s:c h e m i c a l i n d u s t r i a l p a r k;m i x e d i n t e g e r n o n l i n e a r p r o g r a mm i n g;i n t e g r a t e d o p t i-m i z a t i o n;f r e s h w a t e r s u p p l y c o n s t r a i n t s;w a t e r s y s t e m s 目前,我国重点化工园区或以石油和化工为主导的产业园区数量超过6 0 0家,贡献了中国化工经济产出的6 0%以上,是化学工业发展的重要载体1。该类化工园区既是耗水大户,也是废水排放大 户。“十四五”节 水型社会建 设规划中 指出,开展节水型工业园区建设,推动企业间串联、分质用水,实现一水多用和梯级利用2。在化工产品的生产过程中,只有少部分水包含在产品中,其余大量水都通过蒸发、泄露或以废水排放等方式排出,造成大量水资源的浪费。因此,为了防止未来可能出现的水资源短缺及水环境问题给工业发展带来的阻碍,减轻区域水资源和水环境压力,有必要从过程系统工程的角度开展化工园区水资源节约集约利用研究。目前水系统集成优化研究主要采用水夹点方法与数学规划方法。贾小平等3对近年的园区集成优化研究做了系统的研究进展综述。在解决单杂质和小规模的水网络优化问题时,水夹点方法简单直观的特点极具优势,但无法解决复杂、大规模、多杂质的水系统优化问题,通常使用数学规划法来解决这一难题。T AKAMA等4首次提出了水网络超结构模型,最早使用数学规划法对包含用水单元及废水处理单元的水网络进行研究。T AN等5-7从新鲜水成本、废水排放费及水再利用补贴的角度,提出了一种模糊双层规划方法来优化生态工业园区厂间的水网络。CHE N等8提出了综合多家企业的厂间水集成数学模型,根据新鲜水消耗量及年均总成本两个目标进行优化,得到园区水集成方案。Z HANG等9以典型的钢铁化工园区为例,对水系统网络中不同尺度的水系统及其之间的相互作用进行建模优化,探讨了钢铁化工园区水网络的优化潜力,得到了减 少 新 鲜 水 使 用 量 及 年 均 总 成 本 的 优 化 方 案。WANG等1 0提出了一种利用浓度势的概念,基于中间水道设计考虑多污染物的厂际水系统网络集成方 法,通 过 案 例 证 明 这 种 方 法 是 简 单 有 效 的。R AM I N等1 1使用混合整数非线性规划方法,开发了一个多级递增的优化框架,对工业园区水网络进行多目标优化研究,得到了最优的新鲜水节约率及相应 的 成 本。针 对 新 鲜 水 供 应 问 题,A R AU J O等1 2开发了多方法论方法用来模拟管理战略的多种情景,提出了包括水损失控制、废水回用等方法进行水资源管理,J I A等1 3以最小用水量成本为优化目标,对不同水供应量约束下的水系统网络进行优化,确定了最小淡水流量及相应的水系统网络结构。WANG等1 4在供水量及需水量不确定情况下,提出了两阶段随机规划模型确定多水源供水的生产及水分配方案,以满足缺水地区用水需求。化工园区水资源消耗大,且在现有生产模式下未实现园区内水资源的高效利用。新鲜水供应不足会对正常工业操作过程产生巨大的影响,因此有必要对减少新鲜水供应限制下的化工园区水系统集成优化展开研究。在实际的化工园区再生循环过程中,流股需要满足企业及内部用水单元的浓度要求才可进行回用。再生水处理系统往往由多个再生单元组成,研究中将再生水处理系统考虑为黑箱模型对优化过程的准确性及园区的参考决策价值产生了不容忽视的影响。针对存在的问题,本研究建立化工园区中各企业用水及再生水处理系统的详细模型,通过建立其水系统超结构物理模型及混合整数非线性规划数学模型,进而研究新鲜水供应约束下的化工园区水系统集成优化。1 研究方法使用水系统过程集成的方法对化工园区水系统进行优化研究。研究内容包括:(1)定义系统边界;(2)建立化工园区水系统超结构物理模型及混合整数非线性规划数学模型;(3)对新鲜水供应限制情景进行讨论。1.1 定义系统边界对化工园区水系统集成优化过程而言,设定合适的边界尺度是进行水、物料平衡的前提。该阶段可以确定化工园区全水系统网络及化工园区用水系统网络中包括在内的涉水过程系统。化工园区全水系统,如图1所示,包括供水系统、企业用水系统、再生水处理系统;化工园区用水系统,包括供水系统、企业用水系统。85 第4期 刘政含等:新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计图1 化工园区水系统边界F i g.1 W a t e r s y s t e m b o u n d a r i e s i n c h e m i c a l i n d u s t r i a l p a r k1.2 水系统过程集成1.2.1 超结构模型化工园区全水系统集成优化超结构模型见图2。图2显示了其所有潜在的分配可能。用水过程中,用水单元可以直接回用其他用水单元出水,也可间接回用中间水道出水及经再生水处理单元处理后的再生水。化工园区全水系统网络中的涉水单元分为:用水单元、中间水道、再生水处理单元及废水接收单元。各单元超结构模型见图3图6。图2 水系统集成优化超结构模型F i g.2 S u p e r s t r u c t u r e m o d e l f o r w a t e r s y s t e m i n t e g r a t i o n o p t i m i z a t i o n图3 用水单元超结构模型F i g.3 S u p e r s t r u c t u r e m o d e l o f w a t e r u n i t图4 中间水道超结构模型F i g.4 S u p e r s t r u c t u r e m o d e l o f w a t e r m a i n95青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第4 4卷图5 再生水处理单元超结构模型F i g.5 S u p e r s t r u c t u r e m o d e l o f r e c l a i m e d w a t e r t r e a t m e n t u n i t图6 废水接收单元超结构模型 F i g.6 S u p e r s t r u c t u r e m o d e l o f w a s t e w a t e r r e c e i v i n g u n i t1.2.2 数学模型根据各单元超结构模型,建立数学规划模型(1)(1 1)、(1 8)(3 8),相关公式参考文献1 5。约束条件新鲜水供应量约束:wWFw iGw。(1)Gw表示新鲜水供应量。用水单元数学模型如方程(2)(6)所示。Fi,i n=kKFk i+i IFi i+wWFw i,(2)Fi,o u t=kKFi k+rRFi r+i IFi i,(3)Fi,i nCi c,i n=kKFk jCk c+wWFw iCw c+i IFi iCi c,o u t,(4)Fi,i nCi c,i n+Mi c,l o a d=Fi,o u tCi c,o u t,(5)Ci c,i nCi c,m a x,i n,Ci c,o u tCi c,m a x,o u t。(6)水处理单元数学模型如方程(7)(1 2)所示。Ft,i n=kKFk t+t TFt t,(7)Ft,o u t=kKFt k+rrFt r+t TFt t,(8)Ft,i n=Ft,o u t,(9)Ft,i nCt c,i n=kKFk tCk c+t TFt tCt c,o u t,(1 0)Ft,i nCt c,i n(1-Rt c)=Ft,o u tCt c,o u t,(1 1)Ct c,i nCt c,m a x,i n。(1 2)目前典型的再生水处理方案是采用多重屏障方法,通常使用膜生物反应器(MB R)和反渗透(R O)组合来处理废水1 6。膜生物反应器系统作为反渗透系统的预处理系统,以减少潜在的污染风险,增加反渗透系统的装置寿命。假设两种再生水处理设备均在稳态下运行,数学模型如下1 7-1 8:膜生物反应器(MB R):Qf=Qp+Qw,(1 3)Sp=Sf-XY(X/S),(1 4)AMB R=QpJ。(1 5)X为反应器中微生物浓度,m gL-1;为微生物的比增长速度,h-1;J为膜通量,L(m2h)-1;Y(X/S)为污泥表观产率系数,m gm g-1;为水力停留时间,h;AMB R为MB R膜面积,m2。反渗透系统(R O):Mf=Mp+Mw,(1 6)S R=(1-XpXf)1 0 0%,(1 7)AR O=MPJS。(1 8)AR O为R O膜面积,m2;JS为R O膜通量,L(m2h)-1。中间水道数学模型如方程(1 9)(2 2)所示。Fk,i n=iIFi k+k KFk k+tTFt k,(1 9)Fk,o u t=iIFk i+k KFk k+tTFk t+rRFk r,(2 0)Fk,i n=Fk,o u t,(2 1)Fk,i nCk c=iIFi kCi c,o u t+k KFk kCk c+06 第4期 刘政含等:新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计tTFt kCt c,o u t。(2 2)废水接收单元超结构模型见图6。数学模型如方程(2 3)(2 7)所示。Fr,i n=iIFi r+kKFk r+tTFt r,(2 3)Fr,o u t=eEFr e,(2 4)Fr,i n=Fr,o u t,(2 5)Fr,i nCr c=iIFi rCi c,o u t+kKFk rCk c+tTFt rCt c,o u t。(2 6)二元变量FL*y*F*FU*y*,*i k,i r,k i,k k,k r,k t,r e,t k,t r,t t,w i 。(2 7)目标函数:以最小年均总成本为优化模型的目标函数。年均总成本包含新鲜水成本、水处理单元成本、中间水道成本、废水接收单元成本及管道成本。公式(2 8)中,Vf f为新鲜水成本,Vt r e为再生水处理单元成本,Vm a i n为中间水道成本,Vt a n k为废水接收单元成本,Vp i p e为管道成本。jc o s t=Vf f+Vt r e+Vm a i n+Vt a n k+Vp i p e。(2 8)公式(2 9)中,P为单位新鲜水成本,H为化工园区年工作时间。Vf f=HwWiIWc o s tFw i。(2 9)公式(3 0)中,Zt r e为再生水处理单元建设投资成本,Yt r e为再生水处理单元运行成本,t,i n v、t,o p分别为再生水处理装置的投资系数和运行系数。Vt r e=Zt r e+Yt r e,(3 0)Zt r e=FtTt,i n vFt,i n,(3 1)Yt r e=HtTt,o pFt,i n。(3 2)公式(3 3)中,F表示为时间系数,k,v a r、k,f i x分别为中间水道的可变成本系数和固定成本系数。Vm a i n=FmM(k,v a rFk,i n+k,f i xyk)。(3 3)公式(3 4)中,r,v a r、r,f i x分别为废水接收单元的可变成本系数和固定成本系数。Vt a n k=FrR(r,v a rFr,i n+r,f i xyr)。(3 4)公式(3 5)中,Zp i p e为管道建设投资成本,Yp u m p为管道运行成本。在合理的流量范围内,管道的尺寸取决于连接处的流量。F*为单元连接之间的流量,公式(3 8)表示为单元之间的连接选择合适的管道。n为单位长度的管道成本。Vp i p e=Zp i p e+Yp u m p,(3 5)VL4nND2ny*nF*VU4nND2ny*n,(3 6)y*=nNy*n*i k,i r,k i,k k,k r,k t,r e,t k,t r,t t,w i ,(3 7)Cc o s t,p i p e=FnNn(iI,kK(yi k nDi k+yk i nDi k)+kK,tT(yk t nDk t+yt k nDt k)+kK,k K(yk k nDk k+yk k nDk k)+kK,rRyk r nDk r+tT,rRyt r nDt r+rR,eEyr e nDr e),(3 8)Oc o s t,p u m p=H(iI,kK(Fi kDi k+Fk iDi k)+kK,tT(Fk tDk t+Ft kDt k)+kK,k K(Fk k Dk k+Fk kDk k)+tT,rR Ft rDt r+kK,rR Fk rDk r+rR,eE Fr eDr e)。(3 9)2 案例分析与情景讨论2.1 案例选取某化工园区作为案例。该化工园区由多个化工企业组成,每个企业有多个单元流程。化工园区周边地区面临着严重的新鲜水供应问题,几乎不能满足化工园区日益增长的用水需求。拟对限制新鲜水供应量条件下的化工园区的水系统网络进行优化。每家企业参与46个工业用水过程,每个单元都可作为供水单元或者接收水单元。假设该化工园区年度营业时间为8 0 0 0 h,各企业之间距离设置为1 0 0 m,单位新鲜水费用为3.5元t-1,用水单元所需新鲜水各杂质浓度为零。不考虑两个单元之间交换流量过低及交换流量过高的情况,设厂内交换流量上、下限分别为2和2 0 0 th-1。再生单元入口流量最高限制设置为1 0 0 0 th-1。假设选取文献1 9 中部分企业组合成某化工园区。水污染参数对化工园区系统边界内的用水单元进行水质分析,分别选取表示废水化学性质的污染指标化学需氧量(C O D)与表示废水物理性质的污染指标总悬浮固体(T S S),以简化水质分析。(1)化学需氧量(C O D):废水中各种形式有机污染物总量。(2)总固体悬浮物(T S S):废水中不溶解的固体物质含量。水处理单元表1分 别 表 示 了 两 种 不 同 的 水 处 理 单 元 的C O D、T S S出口浓度,数据来自文献1 7-1 8。16青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第4 4卷表1 再生水处理单元出口浓度T a b l e 1 O u t l e t c o n c e n t r a t i o n o f r e c l a i m e d w a t e r t r e a t m e n t u n i t水处理装置出口浓度/(m gL-1)C O DT S SMB R2 01 5RO5 52.2 新鲜水供应限制供应情景设置情景1:基础情景(B AU);假设化工园区没有任何其他干预情况。化工园区新鲜水需求量与废水排出量不发生变化。情景2:新鲜水供应量减少至1 2 0 0 th-1以下。情景3:新鲜水供应量减少至1 0 0 0 th-1以下。情景4:新鲜水供应量减少至8 0 0 th-1以下。2.3 新鲜水供应量受限问题的情景讨论以最小年均总成本为优化目标进行研究。使用G AM S软件对建立的混合整数非线性规划模型编程,采用G AM S软件中的D I C O P T求解器进行求解。2.3.1 情景1:B AU该情景新鲜水需水量为1 5 1 6 th-1,年均总成本为4 2 4 5万元人民币。该情景下化工园区工业用水由新鲜水提供,园区内无需增加基础设施建设即可满足化工园区工业生产需求。该情景下的水系统网络结构见图7。假设各企业用水单元无用水损耗,供水水源完全来源于新鲜水,进口流量近似等于出口流量。图7 情景1化工园区水系统网络结构F i g.7 W a t e r s y s t e m n e t w o r k o f S c e n a r i o 12.3.2 情景2:新鲜水供应量减少至1 2 0 0 th-1以下情景2条件下,只使用新鲜水作为工业用水水源已无法满足化工园区工业用水需求。在新鲜水供应量减少至1 2 0 0 th-1以下时,优化得到的水系统网络结 构见图8所示。此时总新 鲜水用量为1 1 6 9.2 th-1,通过企业内各单元之间出水直接回用的方式满足用水需求。以企业A为例,单元A 5出水5 0 th-1回用至单元A 6,单元A 6出水9.7、5.3、2 5.3 th-1分别直接回用至A 1、A 4、A 6单元,共排出废水3 0 9.7 th-1。此时与基础情景相比,年均总成本减少约2 2.5 9%,年新鲜水用量减少约2 2.8 8%。图8 情景2化工园区水系统网络结构F i g.8 W a t e r s y s t e m n e t w o r k o f S c e n a r i o 22.3.3 情景3:新鲜水供应量减少至1 0 0 0 th-1以下 图9为经过集成优化满足新鲜水供应量减少至1 0 0 0 th-1的水系统网络结构,图中虚线表示中间水道间接回用至用水单元及其他中间水道,实线表示其他单元之间存在的连接。如图9所示,企业内用 水 单 元 出 水 至 中 间 水 道,企 业A中 间 水 道KA 1、企业B中间水道K B 1、企业C中间水道K C 1及企业D中间水道K D 1的流股一部分进入再生水处理单元MB R,另一部分回用至各企业内用水单元。经过处理后。流量为1 3 8 th-1的再生流股回用至企业A中间水道KA 2,分配给单元A 1、单元A 2、单元A 6;流量为5 8.6 th-1的再生流股回用至企业B中间水道K B 2,分配给单元B 8、B 9、B 1 0;流量为2 6 4.9 th-1的再生流股回用至企业C中间水道K C 2,分配给单元C 1 3、C 1 4、C 1 5;流量为6 0 th-1的再生流股回用至企业D中间水道K D 2,分配给单元D 1 8、D 1 9。企业A使用新鲜水2 4 9.5 th-1,企业B使用新鲜水9 5.5 th-1,企业C使用新鲜水4 6 0 th-1,企业D使用新鲜水9 5 th-1。使用新鲜水9 0 0 th-1,回用再生水5 2 1.5 th-1,中间水道间接回用9 4.5 th-1。与基础情景相比成本减少2 2.3 3%。情景3与情景2相比,年均成26 第4期 刘政含等:新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计本增加0.4%左右,新鲜水用量减少2 3%左右。新鲜水用量减少,再生水处理单元的建设投资及运行成本高于减少部分新鲜水购买成本,因此年均总成本增加,但增幅较小。图9 情景3化工园区水系统网络结构F i g.9 W a t e r s y s t e m n e t w o r k o f S c e n a r i o 32.3.4 情景4:新鲜水供应量减少至8 0 0 th-1以下图1 0为新鲜水供应量减少至8 0 0 th-1以下的水系统网络结构图。如图1 0所示,企业内用水单元出水混合至中间水道,企业A中间水道KA 1、企业B中间水道K B 1、企业C中间水道K C 1及企业D中间水道K D 1出水进入再生水处理单元MB R,经处理后一部分回用至中间水道KA 2、K C 2,一部分进入再生水处理单元R O继续进行处理。再生水处理单元R O出水回用至企业A中间水道KA 2、企业B中间水道K B 2及企业D中间水道K D 2,间接回用至用水单元。化工园区新鲜水总用量7 0 5.9 th-1,再生水用7 7 2.6 th-1,中间水道间接回用3 7.5 th-1。使用再生水比例高于新鲜水比例,水系统网络用水效率进一步提高。与基础情景相比,图1 0 情景4化工园区水系统网络结构F i g.1 0 W a t e r s y s t e m n e t w o r k o f S c e n a r i o 436青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第4 4卷年均成本增加约2 4.9 7%,增加部分为再生水处理单元R O的建设及运行成本。虽然年均总成本增加,但再生水水质提高,在供水不足的情况下可满足化工园区用水需求,保证园区的正常运转。表2综合了4种情景在最小年均总成本最优条件下的节水率、年均总成本及再生水处理单元建设情况。通过比较发现,随着节水效率的提高,年均总成本先下降后上涨。情景2、3条件下,基础设施建设运行成本可以抵消新鲜水购买成本,这2种情景下的年均总成本低于基础情景。情景4条件下,基础设施建设运行成本超过节省新鲜水部分的购买成本,年均总成本高于基础情景。表2 化工园区水系统集成优化结果T a b l e 2 R e s u l t s o f w a t e r s y s t e m i n t e g r a t i o n o p t i m i z a t i o n情景设置节水率/%年均成本/万元再生水处理单元情景104 2 4 5-情景22 2.8 73 2 8 4-情景34 0.6 33 2 9 7MB R情景45 3.4 45 3 0 5MB R+R O3 结 论1)通过过程集成的方法,并利用GAM S软件求解,在新鲜水供应量约束下确定年均总成本最优的水系统网络结构,为化工园区水系统优化提供最具有经济优势的解决方案。2)以最小年均总成本为优化目标,年均总成本随着新鲜水供应量的缩减先减少后增加。根据实际情况,当园区的新鲜水供应量减少时,通过直接、间接回用及再生循环方法使水网络仍然能满足化工园区的用水需求。符 号 说 明指数与集合:wW 新鲜水源cC 污染物eE 环境排放点iI 用水单元kK 中间水道nN 管道类型rR 废水接收单元 tT 水处理单元参数:抽水成本系数 抽水成本指数Dn 不同类型管道n的直径n 单位长度管道成本Ci c,m a x,i n 用水单元i中污染物c的最大进口浓度Ci c,m a x,o u t 用水单元i中污染物c的最大出口浓度Ct c,m a x,i n 水处理单元t中污染物c的最大进口浓度Cw c 新鲜水源中污染物c的浓度F*,L 连接管道中的流速下限*i k,i r,k i,k k,k r,k t,r e,t k,t r,t t,w i F*,U 连接管道中的流速上限*i k,i r,k i,k k,k r,k t,r e,t k,t r,t t,w i Mi c,l o a d 用水单元中污染物c的质量负载Rt c 处理装置t对污染物c的去除率VL 管道中的流速下限VU 管道中的流速上限二元变量:y*二进制变量,表示单元之间连接是否存在*i k,i r,k i,k k,k r,k t,r e,t k,t r,t t,w i y*n 二进制变量,表示单元连接选择的管道类型*i k,i r,k i,k k,k r,k t,r e,t k,t r,t t,w i yk 表示中间水道k是否存在yr 表示接受贮水池r是否存在正变量:Ci c,i n 用水单元i中污染物c的进口浓度Ci c,o u t 用水单元i中污染物c的出口浓度Ck c 中间水道k中污染物c的浓度Cr c 废水接收单元r中污染物c的浓度Ct c,i n 水处理单元t中污染物c的进口浓度Ct c,o u t 水处理单元t中污染物c的出口浓度Fi,i n 用水单元i进口流量Fi,o u t 用水单元i出口流量Fk,i n 中间水道k进口流量Fk,o u t 中间水道k出口流量Fr,i n 废水接收单元r进口流量Fr,o u t 废水接收单元r出口流量Ft,i n 水处理单元t进口流量Ft,o u t 水处理单元t出口流量Qf 膜生物反应器进口流量Qp 膜生物反应器膜渗透流量Qw 膜生物反应器废水污泥流量Mf 反渗透系统进口流量Mp 反渗透系统膜渗透流量Mf 反渗透系统废水污泥流量参 考 文 献1 YAN G T,R E N Y N,S H I L,e t a l.T h e c i r c u l a r t r a n s f o r m a t i o n o f c h e m i c a l i n-d u s t r i a l p a r k s:A n i n t e g r a t e d e v a l u a t i o n f r a m e-w o r k a n d 2 0 c a s e s i n C h i n aJ.J o u r n a l o f C l e a n e r P r o d u c t i o n,2 0 1 8,1 9 6:7 6 3-7 7 2.46 第4期 刘政含等:新鲜水供应受限条件下的化工园区水系统集成优化设计2 全国人民代表大会.“十四五”节水型社会建设规划,2 0 2 1;h t-t p:/w w w.n p c.g o v.c n/n p c/k g f b/2 0 2 1 0 3/b f 1 3 0 3 7 b 5 d 2 d 4 a 3 9 8 6 5 2 e d 2 5 3 c e a 8 e b 1.s h t m l.N P C.O u t l i n e o f t h e 1 4t h F i v e-Y e a r P l a n f o r n a t i o n a l e c o n o m i c a a n d s o c i a l d e v e l o p m e n t o f t h e P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a,2 0 2 1;h t t p:/ww w.n p c.g o v.c n/n p c/k g f b/2 0 2 1 0 3/b f 1 3 0 3 7 b 5 d 2 d 4 a 3 9 8 6 5 2 e d 2 5 3 c e a 8 e b 1.s h t m l.3 贾小平,石磊,杨友麒.工业园区生态化发展的挑战与过程系统工程的机遇J.化工学报,2 0 2 1,7 2(5):2 3 7 3-2 3 9 1.J I A X i a o p i n g,S H I L e i,YANG Y o u q i.C h a l l e n g e s o f e c o-i n d u s-t r i a l p a r k s d e v e l o p m e n t a n d o p p o r t u n i t i e s f o r p r o c e s s s y s t e m e n-g i n e e r i n gJ.C I E S C J o u r n a l,2 0 2 1,7 2(5):2 3 7 3-2 3 9 1.4 T AKAMA N,KUR I YAMA T,S H I R OKO K,e t a l.O p t i m a l w a t e r a l l o c a t i o n i n a p e t r o l e u m r e f i n e r yJ.C o m p u t e r s a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g,1 9 8 0,4(4):2 5 1-2 5 8.5 AV I S O K B,TAN R R,C U L A B A B A,e t a l.B i-l e v e l f u z z y o p t i m i