[发明专利]一种考虑不确定性的脱碳海水进料反渗透脱硼海水淡化系统优化方法

说明书

本发明公开了一种考虑不确定性的脱碳海水进料反渗透脱硼海水淡化系统优化方法。该方法采用严格机理的方式建立反渗透脱硼传递机理的数值模型，将海水中的碳酸脱除后结垢倾向大幅度降低，各级反渗透均提高进水pH值，硼截留率大幅度提高，建立了反渗透系统的超结构模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度、流量和pH值的变化，物料分配器和混合器考虑了物料、盐度、硼浓度和pH值平衡，加入操作条件约束保证系统安全运行。采用二级随机优化模型考虑运行过程中的不确定性因素，使得产水满足饮用水中硼含量的标准，根据不同情景调节流程和操作条件进一步降低能耗，更具有鲁棒性，为其工业化应用提供理论基础和技术参考，具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明属于海水处理领域，具体涉及通过对脱碳海水进料的反渗透脱硼系统进行优化，考虑运行过程中的不确定性因素，在保证脱硼率的基础上有效降低系统能耗。

背景技术

反渗透海水淡化由于技术成熟、能耗不断降低，在国际和国内海水淡化市场占据主导地位。天然海水中硼含量约为4～6mg/L，在通常pH值(7.9～8.2)下主要以易透过膜的H₃BO₃硼酸分子形式存在。反渗透膜对海水的脱硼效果不甚理想，尽管具有优良脱硼性能的反渗透膜不断开发出来，但在实际的商业化系统中仅为78％～80％甚至更低，因此其产水中硼含量大于1.0mg/L)，而其产水中硼含量过高会使人出现生殖、神经系统疾患。我国现行实施的《生活饮用水卫生标准GB5479-2006》中规定饮用水中硼含量应小于0.5mg/L。硼含量过高还会对某些农作物带来危害。我国农田灌溉水质标准对硼含量的要求，如黄瓜、豆类、马铃薯、笋瓜、韭菜、洋葱等的硼耐受值为1mg/L，柠檬、黑莓的硼耐受值仅为0.5mg/L。传统的反渗透设计方案并不能满足饮用水和其他工农业用水对于硼含量的要求。

为了降低制水成本和能耗，目前已有许多关于反渗透海水淡化系统优化的报道，包括压力容器内膜元件位置优化、基于网络系统的超结构优化、全局优化和多目标优化等。对反渗透海水淡化技术进行优化设计，提高能源利用效率，是降低淡化成本的重要途径之一。对理想的反渗透系统进行热力学约束下的能量优化可为系统设计提供理论指导，但实际工程中还需考虑诸多因素的影响。一些学者通过调节变频高压泵频率、膜组件开停和操作条件对单段反渗透系统进行24小时短周期和一年长周期运行调度。采用基于优化和模型预测控制的LabVIEW可有效降低系统能耗。国内许多科研机构如天津大学、中国海洋大学、国家海洋局水处理中心等都开展了海水淡化系统模拟和优化研究，在全流程卷式反渗透海水淡化系统运行调度、膜元件清洗和更换优化，模型预测控制、不确定条件下的系统鲁棒调度和热膜耦合热电联产系统优化取得了许多成果。上述研究有助于进一步降低系统能耗和制水成本，但未考虑脱硼对系统设计和运行调度的影响。近年来也出现了一些关于反渗透脱硼系统优化报道，考察了温度、pH值和产水硼含量要求等因素对反渗透系统设计的影响。但目前研究尚未有关于脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化中考虑不确定性因素的影响报道。

发明内容

本发明公开了一种考虑不确定性的脱碳海水进料反渗透脱硼海水淡化系统优化方法。该方法采用严格机理的方式建立考虑脱硼的反渗透传递机理的精确模型，采用微分和代数方程进行描述。将海水中的碳酸脱除后结垢倾向大幅度降低，各级反渗透均可以提高进水pH值，截留率大幅度提高，建立了反渗透系统的超结构模型，考虑了沿压力容器轴向盐水压力、浓度、流量和pH值的变化，以及功交换器内由于盐水混合导致的盐度升高，物料分配器和混合器考虑了物料、盐度、硼浓度和pH值平衡，加入操作条件约束保证系统安全运行。采用二级随机优化模型考虑运行过程中的不确定性因素，根据不同情景调节流程和操作条件进一步降低系统能耗，更具有鲁棒性。本发明综合考虑了不确定性因素对海水淡化系统的影响，力图进一步降低海水淡化系统的能耗，使得系统产水满足饮用水中硼含量的标准，对节能减排具有重要意义，为其工业化应用提供理论基础和技术参考，具有非常好的应用前景。

本发明包括以下步骤：

1.一种考虑不确定性的脱碳海水进料反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：