多级闪蒸水电联产集成系统的模拟与优化

论文摘要

淡水资源短缺在世界范围内已是不争的事实,也是制约社会经济发展的主要因素之一。海水淡化是解决淡水资源缺乏的重要途径之一,并受到越来越多的重视。目前,已经工业化的海水淡化技术主要有多级闪蒸、多效蒸发、反渗透等。随着社会的发展和技术的进步,海水淡化技术已趋成熟并被广泛应用。但海水淡化的成本高是制约其进一步推广应用的瓶颈。因此,研究、开发海水淡化新工艺,对提高能量的利用效率和降低海水淡化能耗具有重要的意义。本文首先对多级闪蒸海水淡化系统进行模拟和分析,建立带有排热段的多级闪蒸过程的稳态数学模型,以年费用最小为目标,将系统优化表述为一个非线性规划问题,采用GAMS软件进行求解。结果表明:本文提出的设计方法的计算结果明显优于文献中的数值,吨水费用比文献中降低了18%,造水比增加了17.2%,说明本文建立的模型和优化方法是可行的、有效的。在此基础上,本文对参数的灵敏度进行了分析,探讨了闪蒸级数、顶温对多级闪蒸系统的影响规律,随着顶温的升高多级闪蒸海水淡化系统的造水比增大,而蒸汽用量、循环盐水量和总的换热面积均随顶温的升高而降低;随着闪蒸级数增大,多级闪蒸系统的造水比和总的换热面积均增大,而蒸汽用量和循环盐水量则随着级数的增加而减小。本文提出将MMSF、OTMSF和CMSF三种不同结构的多级闪蒸装置与发电系统进行集成的海水淡化工艺,并建立了集成系统的数学模型和经济模型,以最大的年经济效益为目标,进行优化设计。结果表明:(1)当淡水产量Md一定时,随着闪蒸级数的增加,这三种结构的年经济效益均呈先增大后减小的趋势;(2)当淡水产量发生变化时,随着淡水产量的增加,OTMSF和CMSFD的总效益均增大,且高于MMSF结构,而MMSF结构的年效益则呈先增大后下降的趋势,且在Md=60kg/s左右时,年经济效益达到最大。综合比较可知,OTMSF结构最优,CMSF优于MMSF结构。(3)随着顶温的升高,三种集成结构的年经济效益均呈下降的趋势,且CMSF和OTMSF的年经济效益明显大于MMSF。因此OTMSF和CMSF更适合与发电系统进行集成,且结构相对简单的OTMSF与电厂集成时效果更佳。开展了热膜耦合海水淡化技术的研究,将热膜耦合海水淡化与发电系统进行集成,建立集成系统的数学模型及经济模型,将该设计表述为一个非线性规划问题,在模型中引入了一个变量rr,rr表示反渗透和多级闪蒸产水量的比值,并将rr作为系统的一个优化变量,以最大的年经济效益为目标,采用GAMS软件进行求解。结果表明:对于给定进出口条件、淡水产量、多级闪蒸的级数的系统,得到总的淡水产量为76.52 kg/s,造水比为10.6,rr为0.77,系统的总效益最大。分析了rr值对集成系统的影响,随着rr增大,即反渗透的淡水产量比多级闪蒸多时,年经济效益单调递减,制水成本则逐渐增大。因此,对于热膜耦合水电联产的集成系统,适当提高多级闪蒸的淡水产量,有利于系统总的年经济效益的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海水淡化技术的研究进展
• 1.2.1 海水淡化技术在国内外的应用
• 1.2.2 海水淡化的主要方法
• 1.3 多级闪蒸海水淡化优化设计
• 1.4 热膜耦合的应用
• 1.5 海水淡化与水电联产的研究进展
• 1.5.1 水电联产的集成方式
• 1.5.2 水电联产在国内外的研究现状
• 1.5.3 水电联产的研究意义
• 1.6 本文的主要工作和研究内容
• 第二章 多级闪蒸海水淡化的模拟与优化
• 2.1 引言
• 2.2 多级闪蒸系统的数学模型
• 2.2.1 多级闪蒸数学模型的基本假设
• 2.2.2 多级闪蒸海水淡化的系统模型
• 2.2.3 多级闪蒸海水淡化的经济模型
• 2.3 多级闪蒸海水淡化的优化模型
• 2.4 优化结果讨论
• 2.4.1 实例比较
• 2.5 参数的灵敏度分析
• 2.5.1 顶温的影响
• 2.5.2 闪蒸级数的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 多级闪蒸水电联产集成系统的模拟与优化
• 3.1 引言
• 3.2 多级闪蒸海水淡化与水电联产集成系统的数学模型
• 3.2.1 多级闪蒸海水淡化与水电联产集成系统过程的假设
• 3.2.2 系统模型描述
• 3.2.3 三种多级闪蒸系统的数学模型
• 3.2.4 贯通型多级闪蒸（OTMSF）水电联产模型
• 3.2.5 带有盐水混合器的多级闪蒸（MMSF）水电联产模型
• 3.2.6 带有排热段的传统的多级闪蒸（CMSF）水电联产模型
• 3.2.7 多级闪蒸水电联产集成模型
• 3.2.8 系统经济模型
• 3.2.9 系统优化模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 闪蒸级数的影响
• 3.3.2. 产水量的影响
• 3.3.3. 顶温的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 热膜耦合水电联产集成系统的模拟与优化
• 4.1 引言
• 4.2 水电联产集成系统模型
• 4.2.1 模型假设
• 4.2.2 系统模型
• 4.2.3 经济模型
• 4.3 优化设计
• 4.4 实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文