一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，以整个工业水系统为研究对象，根据不同的用水功能将工业水系统划分为若干个特定的用水子系统，通过构建基于各个用水子系统的供需水关系的水系统优化模型，以用水成本最小为目标进行优化配置，运用沃格尔法确定最优水量分配方案，实现了工业用水在经济、社会及生态效益上的最大化；针对工业系统中用新鲜水驱稀释单元用水及单元间配水成本消耗的问题，以及基于杂质负荷优化得到的用水网络难以实现等问题，构建了简化的水网络用水运输模型，按照各单元间的配水成本进行水量的分配，从而简化水系统优化过程的同时可以得到与当下用水系统更加贴合的水网结构。

【技术实现步骤摘要】
一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法
本专利技术属于节水优化
，具体涉及一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法。
技术介绍
2019年，全国工业用水量为1217.6亿m3，占到全国用水总量的20.2％，万元工业增加值用水量为38.4m3，超过了发达国家的两倍，与当前国际先进工业水平仍有较大的差距，废水零排放是通过工业水的循环使用、串级使用、处理再用，来实现工业污水的不外排，其根本目的是要提高工业用水的效率，进一步降低工业用水量，同时也是为了响应国家日益束紧的环保政策。目前常规的用水网络的研究，主要集中在新鲜水用量优化方法上，包括水夹点法和数学规划法，在1980年国外学者就首次将数学规划方法用于工业用水系统的用水优化配置，以实现工业水的串级使用，之后WangYP和SmithR对传质型用水网络提出了一种利用杂质负荷曲线和供水负荷曲线的夹点来确定最小新鲜水用量的办法——水夹点法(waterpink)。2002年，冯霄等首次将水夹点技术用于国内工业用水系统的分析中。针对水夹点方法在处理超结构水网络以及多杂质水系统优化问题中的不足，国内学者开展了多角度多层次的研究，不断地对水系统集成理论及方法进行完善。刘永健等针对单组分杂质用水和废水处理网络同步集成优化问题，以最小总操作费用为目标，建立了非线性规划模型进行求解。刘永忠等针对水系统集成优化中的新鲜水用量、用水系统的柔性和用水网络结构复杂程度三方面的目标，提出利用博弈理论对水网络优化方案分析的方法。丁力等为了解决优化后的水网结构复杂的问题，建立了冷却塔循环水量最小、流股数最少的多目标水系统优化模型，能够得到结构相对简单的用水网络。韩政针对循环冷却系统中回水重用问题，构建了最大回用冷却水为目标的水网优化模型。李爱红针对水网络中的多杂质问题，提出了具有再生单元的多杂质间歇过程用水水网络集成方法。工业用水系统优化研究方面，前人主要围绕水质指标进行节水优化研究，弱化了各个用水单元的需水量以及排水量因素，单纯的从化工专业的角度去对水系统进行优化，得到的复杂水网络模型难于指导实践。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的基于废水零排放的工业水系统节水优化方法解决了现有的工业用水优化过程中，没有考虑各个用水单元的排水量及需水量因素，得到的复杂模型难以指导于实践的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，包括以下步骤：S1、构建基于废水零排放理念的工业用水系统优化模型；S2、确定工业用水系统优化模型的约束条件；S3、基于约束条件，采用沃格尔法对工业用水系统优化模型进行优化求解，获得优化结果；S4、根据优化结果对工业水系统中的用水路径进行调节，实现工业水系统节水优化。进一步地，所述步骤S1中，构建的工业用水优化系统模型的目标函数为：式中，xij为第i个水源Ai分配到第j个用水子系统Bj的水量，单位为m3/h；Cij为水源Ai给用水子系统Bj单方水的配水成本单价，单位为元/m3；下标i为水源序号，j为用水子系统序号，且i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n。进一步地，所述步骤S2中的约束条件包括供水量约束、需水量约束、供需平衡约束和非负约束。进一步地，所述供水量约束为：所述需水量约束为：所述供需平衡约束为：所述非负约束为：xij≥0式中，ai为水源Ai的可供水量；bj为用水子系统Bj的需水量。进一步地，所述步骤S3具体为：S31、结合企业废水零排放方案，确定工业水系统中待优化的用水子系统；S32、基于待优化的用水子系统，确定工业水系统中各个用水子系统的用水数据；S33、将用水数据代入到工业用水系统优化模型中，并利用沃格尔法对其进行优化求解，获得优化结果；S34、对优化结果进行验证；S35、将验证通过的优化结果与工业水系统中待优化的用水子系统的实际生产过程对应，调整其中的用水路径，实现工业水系统节水优化。进一步地，所述步骤S32中的用水数据包括：各个水源Ai给各用水子系统Bj供水时，对应的水量、单价及排水量之间的对应关系，及各个用水子系统Bj的需水量。进一步地，所述步骤S33中，利用沃格尔法对工业用水系统优化模型进行优化求解的方法为：A1、将工业水子系统中的用水数据按照行依次为各个水源Ai及需水量bj、列依次为各个用水子系统的用水情况xij,Cij及供水量ai进行列表，基于行与列之间的用水数据对应关系，构建出用水数据表；A2、计算用水数据表中，各行及各列中最小配水成本与次小配水成本的差额；A3、在所有行及列对应的差额中，对差额最大者对应的用水子系统按照最小配水成本优先分配水量；A4、调整剩余水源的供水量或用水子系统的需求量；A5、重复步骤A2～A4，直到所有用水子系统的需求量均被满足，即用水数据表中供水量和需水量均为0，将当前各水源的供应量及用水子系统的需求量之间的对应关系作为优化结果。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术针对现有技术的不足，以整个工业水系统为研究对象，根据不同的用水功能将工业水系统划分为若干个特定的用水子系统，通过构建基于各个用水子系统的供需水关系的水系统优化模型，以用水成本最小为目标进行优化配置，运用沃格尔法确定最优水量分配方案，实现了工业用水在经济、社会及生态效益上的最大化；(2)本专利技术基于废水零排放，是对现有技术中工业水系统集成优化理论的简化，针对工业系统中用新鲜水去稀释单元用水及单元间配水成本消耗的问题，以及基于杂质负荷优化得到的用水网络难以实现等问题，构建了简化的水系统用水运输模型，按照各单元间的配水成本进行水量的分配，从而简化水系统优化过程的同时可以得到与当下用水系统更加贴合的水网结构。附图说明图1为本专利技术提供的基于废水零排放的工业水系统节水优化方法流程图。图2为本专利技术提供的实施例中各用水子系统纯补水量占总取水量的比例示意图。图3为本专利技术提供的实施例中汇总优化后的全厂水平衡示意图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。实施例1：在本实施例中，若工业水系统中有m个独立水源分别为Ai(i＝1,2,...,m)，包括一次水源、二次水源和补充水源等，各个水源的可供水量为ai；根据不同的用水功能将工业水系统划分为n个用水子系统Bj(j＝1,2,...,n)，各个用水子系统的需水量为bj，水源Ai将可供水量ai分配给各用水子系统Bj，各用水子系统得到的水量为xij，分配水量的单价为Cij。因此，基于废水零排本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、构建基于废水零排放理念的工业用水系统优化模型；/nS2、确定工业用水系统优化模型的约束条件；/nS3、基于约束条件，采用沃格尔法对工业用水系统优化模型进行优化求解，获得优化结果；/nS4、根据优化结果对工业水系统中的用水路径进行调节，实现工业水系统节水优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建基于废水零排放理念的工业用水系统优化模型；
S2、确定工业用水系统优化模型的约束条件；
S3、基于约束条件，采用沃格尔法对工业用水系统优化模型进行优化求解，获得优化结果；
S4、根据优化结果对工业水系统中的用水路径进行调节，实现工业水系统节水优化。


2.根据权利要求1所述的基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建的工业用水优化系统模型的目标函数为：



式中，xij为第i个水源Ai分配到第j个用水子系统Bj的水量，单位为m3/h；Cij为水源Ai给用水子系统Bj单方水的配水成本单价，单位为元/m3；下标i为水源序号，j为用水子系统序号，且i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n。


3.根据权利要求2所述的基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，其特征在于，所述步骤S2中的约束条件包括供水量约束、需水量约束、供需平衡约束和非负约束。


4.根据权利要求3所述的基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，其特征在于，所述供水量约束为：



所述需水量约束为：



所述供需平衡约束为：



所述非负约束为：
xij≥0
式中，ai为水源Ai的可供水量；bj为用水子系统Bj的需水量。


5.根据权利要求4所述的基于废水零排放的工业水系统节水优化方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：侯保灯，宋金峰，刘军，朱丽姗，肖伟华，王建华，赵勇，陈晓清，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11