论文标题：Optimal design of slow-time-varying system for multi-effect distillation desalination based on full-cycle slow fouling

录用期刊：化工学报（EI收录中文核心期刊）

原文链接：http://doi.org/10.11949/0438-1157.20211022

作者列表：

（1） 王天媛 信息科学与工程学院 自动化系 研19级

（2） 陈春波 信息科学与工程学院 自动化系 博17级

（3） 孙   琳 信息科学与工程学院 自动化系

（4） 罗雄麟 信息科学与工程学院 自动化系（通讯作者）

文章简介：

对于MED-TVC这类慢时变系统，系统的整体性能会由于结垢热阻升高而逐渐“变坏”。因此，在系统优化设计的过程中，需要在设计之初留出足够的裕量。本文提出了一种同时考虑慢时变参数、操作条件变化及控制作用的全周期优化设计方法。该方法将系统总传热面积作为目标函数，考虑到系统整个周期内运行情况，直接优化求解得到最优操作条件与最小传热面积。这种优化设计方法在优化的过程中，兼顾了结垢、工艺及控制需求，不仅能满足MED-TVC系统的全周期淡水生产要求，还能获得最小的总传热面积，减少设备投资。结果表明，在同样满足生产需求的情况下，相比于稳态优化设计，全周期优化设计下传热面积减少了13.3%，蒸汽消耗总量也减少了0.4%，验证了全周期优化设计方法应用于慢时变系统优化设计中的有效性。

摘要：

多效蒸发(MED)是最主要的海水淡化方法之一，作为典型的慢时变系统，该系统在长期运行的过程中，往往会由于结垢导致蒸发器传热效率降低，造成减产甚至停工。为避免出现这种问题，工艺设计者会采取冗余设计，增大传热面积，这会导致设备投资的显著增加。为保证MED系统能够全周期运行，且尽可能减少总传热面积，提出了一种全周期优化设计方法。该方法以总传热面积最小为目标，对决策变量在整个周期内进行分段优化，同时考虑结垢过程、工艺变化以及控制方面的需求，对各效传热面积进行裕量设计，通过一步优化求解得到最优操作条件与最小传热面积，实现对慢时变系统的优化设计。最后，以八效MED海水淡化装置为例，同时用等面积法、等温差法、稳态优化设计方法以及全周期优化设计方法对系统进行设计。结果表明，全周期优化设计方法能够最大程度上减少传热面积，大大降低了系统的设备投资，是一种有着良好应用前景的多效蒸发海水淡化系统优化设计方法。

具体实现：

1. 低温多效蒸发海水淡化系统介绍

本文的研究对象为图1所示的低温多效蒸发海水淡化系统，该系统主要由多个蒸发器、闪蒸罐、预热器、冷凝器和蒸汽喷射器组成。海水淡化流程主要包括进料海水预热、海水蒸发、蒸汽冷凝水闪蒸、水蒸汽冷凝、低压蒸汽压缩再利用。

图1 低温多效蒸发系统工艺流程

2. MED-TVC系统常规优化设计

等面积法、等温差法以及稳态优化方法是目前工业上广泛采用的MED-TVC系统设计方法。本文分别采用这三种方法，在淡水需求为75.81kg/s的前提下，进行系统设计，得到操作条件与每效蒸发器的传热面积。

在三种设计方法得到的结果投入全周期模型中运行2年，得到淡水产量变化如图2所示。其中等面积法与等温差法在运行中后期出现淡水产量下降的情况，而稳态优化方法虽然全周期淡水产量达到了设计要求，但每效的结垢热阻值随时间变化轨迹如图3所示，说明优化设计过程中不能简单地将每效结垢热阻设为固定值，这会出现面积裕量不足或者过剩的问题。为使优化设计的结垢值更加接近真实的结垢过程，且进一步减少传热面积，提出了全周期优化设计方法。

图2 三种设计方法全周期运行下淡水产量结果

图3 全周期运行下各效结垢热阻变化趋势

3. MED-TVC系统全周期优化设计

全周期优化设计是针对慢时变系统提出的一种设计方法。包含了对慢时变参数在整个运行周期内的变化过程的考虑，同时进行裕量设计，得到最优的操作条件及最佳的设备参数。该方法在本文中的具体思路为，在MED-TVC系统的模型方程中增加结垢方程，优化过程持续整个周期，固定淡水产量，得到最优操作变量，同时通过面积裕量设计，得到维持系统性能不降低的最小传热面积。优化模型如下：

                                                                               Model 1                           （1）

s.t.  

其中：

最终优化结果如表1所示。将优化得到的操作条件投入实际模型中运行2年，外来驱动蒸汽流量整个周期内的变化趋势如图4所示。运行初期，整个装置内结垢并不严重，多余的面积能够有效减少外来驱动蒸汽量，随着污垢累积增加，导致整个周期内有效传热面积逐渐减少，外来驱动蒸汽量增多。

图5给出了不同设计方法在全周期运行结束后，总蒸汽量与总传热面积结果对比。从图中可以看出，全周期优化设计方法不仅最大程度上减少了传热面积，同时所用外来驱动蒸汽量在整个周期内也是最少的。相比于同样满足产量需求的稳态优化设计，其传热面积减少了13.3%，蒸汽消耗总量减少了0.4%。

表1 总传热面积设计结果

图4 驱动蒸汽全周期运行结果

图5 四种设计方法下总传热面积与总驱动蒸汽量全周期运行结果对比

“A”: 全周期优化设计，“B”: 稳态优化设计，“C”: 等温差法设计，“D”: 等面积法设计

作者简介

罗雄麟，博士。现任中国石油大学（北京）教授、博士生导师、自动化专业（教育部高等学校特色专业）负责人、控制科学与工程（博士一级）学科负责人，校学术委员会委员、校学位委员会委员。北京人工智能学会理事会常务理事、北京自动化学会理事会常务理事。控制理论与过程控制、化工系统工程、机器学习学者。科研工作涉及控制理论及应用、过程控制工程、过程系统工程和机器学习等，同时长期从事炼油化工过程软测量仪表与先进控制、过程流程模拟与实时优化等技术开发与工程应用工作。