石化企业用水网络系统优化技术的研究

冯超

（西安石油大学化学化工学院，陕西西安710065）

石化企业用水网络系统优化技术的研究

冯超

（西安石油大学化学化工学院，陕西西安710065）

该文主要分析了当前石化企业用水网络系统存在的问题以及国内外节水优化技术的研究现状，介绍了水夹点-数学规划法对石化企业用水网络系统优化的过程，阐明了该水网络系统优化技术以后的主要研究方向。

石化企业；用水网络系统；优化技术

石化企业是国民经济的支柱，也是用水大户和排水大户。石化企业涉水单元普遍采用的统一净化、集中统一处理、回用和外排的传统利用过程，忽略了相依共存的水网络中不同水流间的动量、能量和物质传递，割裂了不同水流间的联系，未充分考虑不同用水单元对水质的不同要求以及不同水处理单元外排水的组成特点，仅考虑中水回用，除了消耗过多新鲜水和外排水外，还引起水处理费用增加，与节能、降耗、减排、增效的工业发展方向格格不入。因此，以全局、系统的观点对用水网络优化方可实现减少水资源消耗的目标[1-2]。

1 国内外研究现状

Eckenfelder等提出分布式废水处理比集中式处理有更大的优势的设计思路[3]。如果2个废水流股含有的污染物浓度不同，采用分布式废水处理比集中式废水处理更有效，但如果2个废水流股含有的污染物浓度相同，则采用集中式处理更合理。所以废水处理系统设计的首要问题是找一个通用的方法解决如何将各种过程所产生的多种不同类型污染物和不同浓度废水流股分开与合并。在此研究领域，Wang和Kuo等用夹点法设计分布式废水处理网络，这一方法在处理小规模单杂质问题时比较有效，对大规模多杂质问题处理过程过于繁琐[4-5]。针对上述缺陷，Olesen和Polley提出新型水夹点技术，以水的最大重复利用率为目标，用水单元不多于4～5个的单一杂质用水系统设计方法，但该设计方法在解决多杂质问题上存在局限[6]。尹芳等将新型水夹点技术应用到工程实例中[7]。

随后，对废水处理网络设计的改进主要集中在以下3个方面：一种是设计方法的改进，如李保红等基于1个原则和3个规则进行废水处理网络的设计和调优[8]。一种是优化方法的改进，如Savelski等提出单杂质用水系统的最优设计算法，依据最优性的必要条件将原来的优化问题转化为通过一系列确定的步骤来获得最优解的问题，非常遗憾的是目前针对多杂质水处理网络设计的计算方法还在研究之中[9]。刘永健等提出基于粒子群优化算法的分散式废水处理网络的综合，该法过程简便但并未涉及全局最优化等问题[10]。一种是设计方法和优化方法的同时改进，如李英等将水夹点法与数学规划法结合进行用水网络优化[11]。

目前国内用水网络系统优化方法中的源-阱法受到杂质数量和水网络结构规模的限制，在处理大规模的多杂质水网络系统时，水网络结构变得复杂，处理困难；中间水道法不能保证得到问题的最优解；数学规划法的计算结果并不一定是全局最优解；水质分析-数学规划法对于多杂质的用水网络存在难以比较水质优劣的问题；水夹点-数学规划法利用水夹点法实用性的特点，简化用水网络结构，确保得到全局最优解，是一种实用、有效的水网络优化技术[12]。

2 水夹点-数学规划法优化技术概述

2.1 水夹点法简介

水夹点法：将用水操作简化为一个从富含杂质的过程流股到水流股之间的质量传递过程。这里杂质包括悬浮固体颗粒、化学需氧量以及其他约束水回用的水质因子。在传质过程中，两流股从相反的方向逆流接触，使得富杂质物流杂质浓度降低，贫杂质物流浓度升高。通过构造浓度-负荷曲线水夹点分析图（见图1和图2）来确定水夹点的位置，判断用水过程位于夹点上方、下方还是穿越夹点，从而判断各用水过程的新鲜水消耗和废水排放情况[13]。

图2 夹点图M

其中，纵坐标C表示杂质浓度，横坐标M表示杂质负荷；CIn表示水的进口浓度，COut表示水的出口浓度；CIn,Max表示本单元允许最大进口浓度，COut,Max表示本单元允许最大出口浓度。

极限进口浓度：为了确定别的单元来的废水能被本单元再利用的可能性，需要指定本单元最大允许进口浓度；极限出口浓度：为了确定所需水的最小流率，需要指定本单元最大出口浓度。

在图1中浓度最高的为物料线（过程流股线），较低的虚线为供水线。物料线斜率的倒数表示物流量，供水线斜率的倒数表示供水量。供水线斜率越大，流率越小。在富杂质流股模型的传质过程中，杂质从用水操作流股传递到水流股中的质量负荷等价于在一定时间间隔内过程流股中的杂质从高浓度降至低浓度的质量负荷。

由图2可知，夹点上方用水单元的极限进口浓度高于夹点处的浓度不需使用新鲜水，可利用过程产生的水进行回用；水夹点下方用水单元的极限出口浓度低于夹点处的浓度不需排放废水，可使用新鲜水进行再生重复后方可回用。

位于极限复合曲线下方的供水线均可满足供水要求。假定供水线入口浓度为零，增大供水线斜率（即增大了新鲜水出口浓度），可使新鲜水用量达到最小。当供水线的斜率增大到与极限复合曲线开始重合时（此时供水线位置达到最优），传质推动力最小，出口浓度达到最大，新鲜水用量达到最小[14]。

水夹点技术的核心是通过对各个用水单元的进出口浓度分析，判断其他用水单元排放的废水在杂质浓度、腐蚀性等方面能否满足某一个用水单元的进口要求，若满足则可以对其回用。在这个过程中，应尽量使回用废水的浓度达到最大，最大程度回用废水。

2.2 水夹点法优化的途径

以水夹点技术为基础设计水网络结构的方法主要有最大传质推动力法和最小匹配数法。最大传质推动力法是以极限负荷曲线与供水线之间的浓度差为约束条件，在水网络设计过程中确保传质推动力达到最大。最小匹配数法是在确保新鲜水用量最少的前提下尽可能使各个用水单元与水的匹配数最少。然而，在进行水网络设计时，常常将一个传质过程用几股不同的水源依次处理，造成用水单元与水的匹配数过多，可以通过混合或旁流等方式尽可能减少匹配数。采用这2种方法以使用新鲜水量最少为设计基础，分析出各级水流合理分配方式和每级用水管线的分配水量，并做出网络分配图，求出最小新鲜水用量，以进一步简化用水网络结构，设立水处理网络基本规则。

2.3 水夹点-数学规划法在石化企业中的应用

结合石化企业用水网络中具有节水潜力的水系统用水水况，综合考虑水流量、温度和杂质浓度等约束条件，规定某几个约束条件固定不变，通过水夹点法设立水处理网络基本规则；在此基础上建立废水混合、合并、处理和排放各种可能匹配方案的废水处理网络超结构，依据用水、排水和废水回用关系满足的线性质量平衡方程建立线性规划法模型，结合数学软件设计算法，计算出新鲜水用量和杂质浓度；将不同浓度的废水进行排序，确定各级水流分配方式，实现不同浓度废水的梯级利用，对该石化企业用水网络系统优化和改造；并进一步比较优化前后的用水网络系统，提出改进废水处理网络设计方案，提高水资源重复利用率，达到节水减排的目的[15]。

3 石化企业节水优化技术的应用前景及展望

水夹点-数学规划法是一种较好的水网络系统优化技术。采用水夹点技术分析水网络系统，清楚地了解各个过程废水的回用过程，简化水网络结构，避免水质、水量问题将水网络结构变得过于复杂等问题；同时结合数学规划法建立模型，并利用数学软件计算数据，大大简化了数据计算和分析的过程，从而使得该优化方法更加简便、实用和高效。

虽然国内有关石化企业用水网络系统优化的研究与应用尚处于起步阶段，但已经有研究者做过一些水夹点法与数学规划法相结合的优化技术。总的来说，关于这方面的研究还很有限，人们还不能完全解决水质、水量影响水网络结构设计和数学规划法模型建立的复杂程度问题，并且仍然存在得不到全局最优解、设计优化研究工作不够、真正实现工业化应用不够成熟等一些亟待解决的问题。

今后将进一步推进在水网络结构设计方面的研究，以及如何将水网络结构设计和数学规划法建立的模型更好的结合，使其在水网络系统优化过程中发挥最大程度的节水作用，将是研究用水网络系统优化的主要方向及关键所在。

[1]王国华，任鹤云.工业废水处理工程设计与实例[M].北京：化学工业出版社，2005：1-50.

[2]姚平经，杨友麟.工业用水节约及废水减量[M].北京：中国石油化工出版社，2001：101-123.

[3]EckenfelderWWJR，PatoczkaJ，WatkinAT.Wastewatertreatment[J].ChemicalEngineering，1985，92（18）：60-74.

[4]WangYP，SmithR.Designofdistributedeffluenttreatment systems[J].ChemicalEngineeringScience，1994，49（18）：3127-3145.

[5]KuoWC，SmithR.Effluenttreatmentsystemdesign[J]. ChemicalEngineeringScience，1997，52（23）：4273-4290.

[6]PolleyGT，PolleySG.DesignBetterWaterNetworks[J]. ChemicalEngineeringProgress，2000，96（2）：47-52.

[7]尹芳，都健，樊希山，等.新型水夹点技术在工程应用中的探讨[J].工业用水与废水，2001，32（1）：23-25.

[8]李保红，费维扬，姚平经.单杂质废水处理网络设计[J].化工学报，2003，54（12）：1733-1739.

[9]SavelskiMJ，BagajewiczMJ.Algorithmicproceduretodesignwaterutilizationsystems：featuringasinglecontaminantinprocessplants[J].ChemicalEngineeringScience，2001，56（5）：1897-1911.

[10]刘永健，罗祎青，袁希钢，等.基于粒子群优化算法的分散式废水处理网络的综合[J].天津大学学报，2006，39（1）：16-20.

[11]李英，姚平经.水夹点分析与数学规划法相结合的用水网络优化设计[J].化工学报，2004，55（2）：220-225.

[12]穆志君，关欣，刘鹏，等.用水网络优化方法的研究进展[J].化工进展，2009，28（增刊）：5-8.

[13]王俊美，陈锦华.夹点技术的原理及最新应用[J].天津化工，2010，24（3）：37-39.

[14]朱慎华.应用夹点技术优化装置用水设计[J].齐鲁石油化工，2002，30（4）：308-311.

[15]陈丽.水夹点技术在炼油厂的应用[J].计算机与应用化学，2009，26（9）：1153-1158.

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.01.009

2017-01-06