[发明专利]一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗装置及方法

权利要求书

1.一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗方法，其特征在于：

包括如下步骤：首先由工程师通过人机交互模块设定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数，给定运行周期；此后多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗装置以给定的周期采集所需数据，并通过A/D和D/A转换模块发给中央处理模块，中央处理模块调用模拟计算模块；模拟计算模块通过计算中央处理模块中的模型问题，得出当前系统盐水加热器的结垢系数f_BH和闪蒸室的结垢系数f_j、造水比GOR、日运行成本TOC；参数决策模块根据模拟计算模块所得参数，进行比较分析，得出当前系统的结垢程度和下次系统清洗时间并将相关结论发送至系统显示模块；多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗装置在下一个运行周期，重复数据采集、模拟计算、比较分析过程，不断地实时估测系统结垢程度；

具体包括如下步骤：

步骤A1：操作员或者工程师通过人机交互模块给定多级闪蒸海水淡化系统的结构参数、物性系数和数据采集周期Tc；

步骤A2：利用数据采集模块采集当前时间点的进入热排放段的冷却盐水流量W_F、循环海水流量W_Re、加热蒸汽流量W_steam、闪蒸盐水流量W_B、闪蒸淡水流量W_D、进料海水温度T_sea、加热蒸汽温度T_steam、闪蒸盐水温度T_B、闪蒸淡水温度T_D、进料盐水浓度C_F、闪蒸盐水浓度C_B；记录当前时间，令变量T1等于当前时间，然后通过A/D和D/A转换模块将上述参数发送给中央处理模块；

步骤A3：中央处理模块根据内部存储的多级闪蒸海水淡化装置稳态模拟和日运行成本模型，调用模拟计算模块，从而计算出在当前T1时刻盐水加热器的结垢系数f_BH、闪蒸室的结垢系数f_j、造水比GOR和日运行成本TOC，然后将上述参数发送到参数决策模块；

所述的中央处理模块中的多级闪蒸海水淡化装置稳态模拟和日运行成本的模型由式(1)～(38)组成；

多级闪蒸海水淡化装置的稳态模型由闪蒸室方程、盐水加热器方程、混合分离方程、物性参数方程组成；对于第j级闪蒸室，闪蒸室模块模型由下列式(1)～(8)组成：

W_Bj-1+W_Dj-1＝W_Bj+W_Dj (1)；

W_Bj-1C_Bj-1＝W_BjC_Bj (2)；

W_Bj-1h_Bj-1＝W_Bjh_Bj+V_Bjh_Vj (3)；

W_Bj-1-W_Bj＝V_Bj (4)；

其中，W_Bj表示第j级的闪蒸盐水质量流量，W_Bj-1表示第j-1级的闪蒸盐水质量流量，W_Dj表示第j级产出的淡水质量流量，W_Dj-1表示第j-1级的闪蒸盐水质量流量；C_Bj表示第j级的闪蒸盐水浓度，C_Bj-1表示第j-1级的闪蒸盐水浓度；h_Bj表示第j级闪蒸盐水的比焓，h_Bj-1表示第j-1级闪蒸盐水的比焓，h_Vj表示第j级闪蒸蒸汽的比焓，V_Bj表示第j级闪蒸室中盐水蒸发量；W_F表示进入热排放段的冷却盐水的质量流量，CP_Rj表示离开第j级闪蒸室的冷却盐水热容，CP_Dj表示离开第j级闪蒸室的淡水比热容，CP_Dj-1表示离开第j-1级闪蒸室的淡水比热容，CP_Bj表示离开第j级闪蒸室的闪蒸盐水比热容，CP_Bj-1表示离开第j-1级闪蒸室的闪蒸盐水比热容，T_Fj表示离开第j级闪蒸室的冷却盐水温度，T_Fj+1表示进入第j级闪蒸室的冷却盐水温度，T_Bj表示离开第j级闪蒸室的盐水温度，T_Bj-1表示离开第j-1级闪蒸室的盐水温度，T_Dj表示离开第j级闪蒸室的淡水温度，T_Dj-1表示离开第j-1级闪蒸室的淡水温度，T*表示理想状态下闪蒸参考温度；A_j表示第j级闪蒸室的传热面积，表示第j级闪蒸室的传热系数，其中W指的是第j级闪蒸室的进料流量，对于热排放段来说W＝W_F，表示进料海水流量，而对于热回收段来说W＝W_R，表示热回收段的进料流量，表示闪各级蒸室外直径，表示各级闪蒸室冷凝管内直径，Dⁱ表示内直径，其在物性方程部分有具体公式展开；

T_Bj＝T_Dj+ΔBPE_j+ΔNETD_j+ΔTL_j (7)；

T_Vj＝T_Dj+ΔTL_j (8)；

其中，ΔBPE_j表示第j级盐水沸点升高，ΔNETD_j表示非平衡余量，ΔTL_j表示经过除雾器和冷凝器的温度损失；T_Vj表示第j级闪蒸室的闪蒸蒸汽温度；

盐水加热器模块模型由式(9)～(12)组成：

W_B0＝W_R (9)；

C_B0＝C_R (10)；

W_RCP_RH(T_B0-T_F1)＝W_steamλ_s (11)；

其中，

其中，W_B0表示离开盐水加热器的闪蒸盐水质量流量，W_R表示进入热回收段的冷却盐水质量流量；C_B0表示进入盐水加热器的闪蒸盐水浓度，C_R表示进入热回收段的冷却盐水浓度；CP_RH表示进入盐水加热器的冷却盐水热容，T_B0表示离开盐水加热器的闪蒸盐水温度，W_steam表示为加热蒸汽质量流量，λ_s表示蒸汽潜热，T_steam表示为盐水加热器蒸汽温度；A_H表示盐水加热器的传热面积，表示盐水加热器的传热系数，其中W指的是盐水加热器的进料流量W_R，表示盐水加热器外直径，表示盐水加热器冷凝管内直径，其在物性方程部分有具体公式展开；

混合分离模块模型由式(13)～(20)组成：

W_BD＝W_BN-W_Re (13)；

W_m＝W_F-W_r (14)；

S＝W_r-C_w (15)；

W_R＝W_Re+W_m (16)；

W_R·C_R＝W_Re·C_Re+W_m·C_m (17)；

W_R·h_R＝W_Re·h_Re+W_m·h_m (18)；

W_F＝S+W_S (19)；

W_F·h_WF＝S·h_S+W_S·h_WS (20)；

其中W_BD表示废弃海水质量流量，W_BN表示离开最后一级闪蒸室的盐水质量流量，W_Re表示循环盐水质量流量；W_m表示补充盐水质量流量，W_r表示热排放海水质量流量；S表示热排放段回流流量，C_w表示热排放段排出盐水的质量流量；C_Re表示循环盐水浓度，C_m表示补充盐水浓度；h_R表示进入热回收段的盐水比焓，h_Re表示循环盐水比焓，h_m表示补充盐水比焓；W_S表示进料海水质量流量；表示热排放段入口盐水比焓，h_S表示热排放段回流盐水比焓，表示进料海水比焓；

物性参数方程模型由式(21)～(31)组成：

CP_B＝[1-C_B(0.011311-1.146×10^-5T_B)]×CP_D (22)；

h_V＝596.912+0.46694T_S-0.000460256T_S² (23)；

h_B＝CP_B·T_B (24)；

h_D＝CP_D·T_D (25)；

其中，CC＝(19.819C_B)/(1-C_B)，CC表示浓度转换，C_B表示闪蒸盐水浓度；

其中，ω_j＝W_F/w_j，ω_j表示第j级进入热排放段的冷却盐水单位长度上的质量流量，w_j表示第j级闪蒸室冷凝管的宽度；

TL＝exp(1.885-0.02063T_D)/1.8 (28)；

U＝4.8857/(y+z+4.8857f) (29)；

y＝[0.0013(v×Dⁱ)^0.2]/[(0.2018+0.0031×T)v] (30)；

GOR＝W_DN/W_steam (32)；

其中CP_D表示闪蒸室的淡水比热容；CP_B表示闪蒸室的盐水比热容，C_B表示闪蒸盐水浓度，T_B表示闪蒸盐水温度；h_v表示蒸汽焓值，T_S为蒸汽温度；h_B表示盐水焓值；h_D表示淡水焓值，T_D表示淡水温度；BPE表示盐水沸点升高，其中，T表示处于闪蒸室或者盐水加热器的盐水温度；NETD表示非平衡温差，H_j表示闪蒸盐水液位，w_j表示第j级闪蒸室冷凝管的宽度，ΔT_B表示两级间的盐水温差；TL表示经过除雾器和冷凝管的温度损失；U表示盐水加热器或者各级闪蒸室的传热系数；y为有关管内流速、盐水温度和冷凝管内直径的中间表达式，z为有关闪蒸室淡水温度的中间表达式，y和z仅为简化计算，f为盐水加热器或者闪蒸室的结垢系数；v表示管内流速，Dⁱ表示冷凝管内直径，T表示在换热器出口处的盐水温度；W_DN表示闪蒸室总淡水的质量流量，GOR表示造水比是反应系统性能的一个关键指标；

日运行成本模块模型由式(33)～(38)组成：

C1＝22×W_steam×[(T_steam-40)/85]×0.00415 (33)；

C2＝22×(D_N/ρ_w)×0.109 (34)；

C3＝22×(D_N/ρ_w)×0.082 (35)；

C4＝22×(D_N/ρ_b)×0.024 (36)；

C5＝22×(D_N/ρ_w)×0.1 (37)；

TOC＝C1+C2+C3+C4+C5 (38)；

其中，C1表示加热蒸汽费用，C2表示装置消耗的电能费用，C3表示维护与空闲费用，C4表示为预处理费用，C5表示为人工费用，TOC表示系统日运行费用；D_N表示总淡水产量，ρ_w表示纯水密度，ρ_b表示浓盐水密度；

模拟计算模块将计算式(1)～(38)构成的稳态模拟问题运用拟牛顿法进行求解，确定当前系统盐水加热器结垢系数f_BH、热回收段和热排放段闪蒸室结垢系数f_j、造水比GOR和日运行成本TOC，其具体步骤如下所示：

步骤B1：将上式(1)～(38)中有待求未知量的方程整理为非线性方程组，其具体表现形式如式(39)所示：

向量的表示形式为：

G(x)＝0 (40)；

这里，x＝(x₁,x₂,…,x_p)^T，G＝(g₁,g₂,…,g_q)^T，g_i(i＝1,2,…,q):Rⁿ→R；

其中，x₁,x₂,…,x_p表示非线性方程组的p个未知数，x表示方程组的未知数构成的p×1维的矩阵；g₁,g₂,…,g_q表示构成非线性方程组的q个等式，G表示非线性方程组的等式构成的q×p维的矩阵；

步骤B2：令初始迭代次数k＝0，设置初始值x₀∈Rⁿ，初始拟牛顿矩阵B_k为p×p维单位矩阵，函数值计算精度为ε，最小步长精度为δ；

步骤B3：计算迭代次数k下搜索方向向量d_k，以得到下一个点的值：

x_k+1＝x_k+d_k (41)；

d_k＝-B_kΔG(x_k) (42)；

步骤B4：计算G(x_k)和G(x_k+1)，若||G(x_k+1)||＜ε或者||x_k+1-x_k||＜δ，则终止迭代，得出非线性方程组的解及盐水加热器结垢系数f_BH、闪蒸室结垢系数f_j、造水比GOR、日运行成本TOC；否则，转至步骤B5；

步骤B5：通过修正B_k得到B_k+1：

其中，s_k＝x_k+1-x_k，y_k＝ΔG(x_k+1)-ΔG(x_k)；x_k表示第k次迭代所求值，x_k+1表示第k+1次迭代所求值，s_k表示两次所求值之差；ΔG(x_k+1)表示G(x_k+1)的梯度向量，ΔG(x_k)表示G(x_k)的梯度向量，y_k表达第k+1次迭代和k次迭代的梯度向量差；

步骤B6：令k:＝k+1，转至步骤B3进行计算；

步骤A4：参数决策模块将此周期得到的参数集L₁(f_BH,f_j,GOR,TOC)与之前各周期得到的参数集L_i(f_BH,f_j,GOR,TOC)，i＝1,2,…,m，m为当前周期数，进行比较分析，估算得出当前系统的结垢程度以及系统下次清洗时间，并且模拟计算模块和参数决策模块将其计算数据发送至中央处理模块；

步骤A5：中央处理模块将数据进行整理发送至显示模块，显示模块显示出当前时间T1、盐水加热器的结垢系数f_BH、闪蒸室的结垢系数f_j、造水比GOR、日运行成本TOC、系统结垢程度、系统待清洗时间Tim；

步骤A6：记录当前时间为T2，如果T2-T1Tc，则继续等待；否则转步骤A2，重新进行数据采集。

2.如权利要求1所述的一种多级闪蒸海水淡化系统结垢清洗方法，其特征在于：参数决策模块根据模拟计算模块所得出的所有时间点的盐水加热器结垢系数f_BH、闪蒸室结垢系数f_j、造水比GOR和日运行费用TOC，采用最小二乘法进行拟合并进行分析，对系统结垢程度进行合理的判断，具体步骤如下所示：

步骤C1：继承模拟计算模块从开始进行数据采集时的所有数据，并且针对于盐水加热器结垢系数f_BH、闪蒸室结垢系数f_j、造水比GOR和日运行费用TOC，对盐水加热器结垢系数f_BH设定上限H₁，闪蒸室结垢系数f_j设定上限H₂、造水比GOR设定下限X₁、日运行费用TOC设定上限X₂；

步骤C2：将上述数据分成四部分分别进行拟合，首先对盐水加热器结垢系数f_BH采用最小二乘法进行曲线拟合；假设给定采集的数据点(xx_i,yy_i)，i＝0,1,…,m，xx_i表示数据采集时间点T_i，yy_i表示每个时间点采集的盐水加热器结垢系数f_BH(i)；拟合多项式为为了保证模块计算速度令多项式阶数nn＝3，使得：

其中I为a₀,a₁,a₂,a₃的四元函数，因此即为求I＝I(a₀,a₁,a₂,a₃)的极值问题；

步骤C3：由多元函数求极值的必要条件，得：

即

步骤C4：将式(46)改写成正规方程组形式：

能够证明正规方程组(47)的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解；从式(47)中解得a_kk(kk＝0,1,…,3)，从而可得多项式：

步骤C5：重复步骤C2至C4分别得出盐水加热器结垢系数f_BH、闪蒸室结垢系数f_j、造水比GOR和日运行费用TOC关于系统运行时间的拟合曲线，为P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)和P₄(t)，其中t代表时间；

步骤C6：根据参数所设上下限，和所求得的四条拟合曲线，判断当前系统是否需要清洗，并根据拟合方程推出上述4个参数下的系统待清洗时间点Tim₁、Tim₂、Tim₃、Tim₄；

步骤C7：将Tim₁、Tim₂、Tim₃、Tim₄进行比较得出最近的时间节点记为Tim，该时间点为系统下次待清洗时间点；

步骤C8：对盐水加热器的结垢系数f_BH、闪蒸室结垢系数f_j的大小进行划分，分别对应不同等级的结垢程度，依据当前数据采集点的数值大小可得出系统结垢程度。