[发明专利]一种海水淡化系统中过滤预处理最佳清洗周期确定方法

摘要

本发明公开了一种海水淡化系统中过滤预处理最佳清洗周期确定方法。本发明首先建立机械过滤的流体动力学约束模型，建立滤饼孔隙率与滤饼流量之间的关系，以及随着时间的变化，过滤器的滤层体积比、沉淀量、滤出液浓度以及过滤系数的变化情况。然后建立机械过滤运行过程的费用目标函数，目标函数包括机械过滤在过滤过程中所损耗的电能耗以及机械过滤装置清洗过程中所消耗的基本费用，采用SQP算法求解最佳以上优化命题，获得最佳操作周期值。本发明可以快速的得到机械过滤器的最佳清洗周期，用以代替原先人工经验得出的清洗周期。不仅计算方便、可靠，而且降低生产成本。

主权项

1. 一种海水淡化系统中过滤预处理最佳清洗周期确定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).恒压情况下建立滤饼孔隙率与过滤流量之间的关系模型；通过对过滤理论的研究，得到过滤流速、滤层压降、滤饼孔隙率之间的关系式：(1)式中：V为流过滤层的液体体积，单位为m³；t为过滤时间，单位为s；A为垂直于流向的滤饼表面积，单位为m²；L为滤饼的厚度，单位为m；μ为液体粘度, 单位为Pa﹒s；ε为滤饼的孔隙率，单位为m³/m³；S_p为微粒的比面积，m²/m³；K^′′为数值常数，取值为5；为滤层压降,单位为Pa；机械过滤器更换滤料或反冲洗后，滤层为清洁滤层，记此刻的滤层孔隙率为，滤层两侧压降为，代入(1)式中得：（2）式中：Q₀为清洁滤层的过滤流量，单位为m³/h；随着过滤系统的运行，由于受到污染物的影响，滤饼孔隙率会发生变化，设这个时候的滤饼孔隙率为，故在恒压操作下，过滤器的压降保持不变，所以由（1）、（2）式可得在此情况下的过滤流量为：(3)由此得到在恒压条件下，滤饼孔隙率与过滤流量之间的关系；滤饼孔隙率的变化与体积比沉积量有关，而体积比沉积量与滤出液浓度有关，表示为如下形式：（4）（5）（6）其中表示体积比沉积量，C表示过滤后滤出液浓度，单位为kg/ m³，λ表示过滤系数；为过滤液的入口悬浮物浓度，单位为kg/ m³；为初始过滤系数，单位为1/m；，为悬浮微粒的密度，单位为kg/ m³；为过滤流速，单位为m/s；为过滤时间，单位为s；表示一个常量，一般可取值为0.50；由定义可知，滤饼孔隙率ε与体积比沉积量还存在如下关系：（7）故由（4）、（7）式可以得到滤饼孔隙率与时间t的关系：(8)步骤(2).建立过滤优化运行综合目标函数机械过滤装置运行的成本主要包括两个部分：一部分是压力过滤器在过滤过程中所损耗的电能耗；另一部分是指在机械过滤器的停机反清洗过程中，所消耗的基本费用；设一年内压力过滤器清洗的次数为fre,每次清洗的人工成本为费用为cost1，材料等成本为cost2,η为效率因子，T为固定周期，单位为h,平均电价为price，单位为RMB/kwh，过滤产物单位效益为；由此可建立过滤系统目标函数如下：(9)步骤(3).优化命题求解以式(9)为优化目标，以(2)～(8)组成的模型为约束，得到总的优化命题；对式(9)进行离散化处理来消除积分过程；形式为：(10)其中表示时刻的过滤流量值，表示离散个数，其值为取整，考虑到计算精度，取值大于1000；由于命题是非线性的，采用非线性规划SQP算法求解该命题，为此采用MATLAB优化工具箱中FMINCON函数来求解上述问题；具体函数格式如下：[xv,fval,exitflag]= FMINCON(fun,x0,A,b,Aeq,Beq,Lb,Ub,nonlcon,options)参数中fun为目标函数，x0为变量的初始值，xv为返回的满足要求的变量的值；A和b表示线性不等式约束，Aeq，Beq表示线性等式约束，Lb和Ub分别为变量的下界和上界约束，nonlcon表示非线性约束条件，options为控制优化过程的优化参数向量；返回值fval为目标函数值；exitflag表示优化求解收敛情况；通过以上方法求取的xv就是最佳的清洗周期。