A Study on Optumal Water Newtoks Design by Mathematical Programming Approach

本研究針對工廠用水網路設計提供了一個數學方法，同時考慮了 滿足所有製程用水單元需求的最適化水網路設計，以及最適化的污水排放。 另外，在水網路型態上，也將再生再利用和再生再循環利用水網路，兩者不同型態的水網路設計， 詳加說明，並利用兩個簡單的例子加以分辨其水網路型態的不同。 而這個以超結構為背景數學模式建構，包含了許多實際操作的限制式，例如 供應水流量限制，操作成本，污水處理成本，以及管線成本等等， 最後將產生一個混合整數非線性規劃的問題；為了求得最適化水網路設計結構與設計成本考量上的平衡 ，本研究提出了一個不同設計策略，分別對最適化供應水使用量的水網路設計，以及最適化總成本的水網路設計 做分析比較。最後以本研究所建立的數學模式，對三個不同目標需求的工廠製程做製程用水網路最適化模擬。A mathematical programming approach for the water networks design in any chemical plant is developed in this paper. This approach considers simultaneously the optimal water networks to satisfy water-using unit demands and optimal treatment of effluent streams. Concept of regeneration reuse and regeneration recycling water networks is explained and distinguished in this method. The based on superstructure mathematical programming approach, which includes many practical operating constraints, flowrate limitations of water supply, operating costs, treatment costs, and piping and sewer costs, will result in a mixed-integer nonlinear programming problem. Complex trade-off involving optimal water networks design structure, as well as design costs has been included in this MINLP problem. Therefore, a different design strategy is presented in this study, and there are analytic comparisons between final water-using network designs for optimal water supply flowrates and optimal total annual cost. Furthermore, three water-using processes having different design objectives are used to demonstrate this approach.目錄 1. 緒論 1 1.1. 前言 1 1.2. 整合性水網路設計之發展與型態說明 2 1.3. 文獻回顧 5 1.4. 研究動機與目的 6 1.5. 組織章節 8 2.製程用水網路最適化之模式建構 9 2.1. 模式建立之背景說明 9 2.2. 模式建立之基本假設說明 10 2.3. 模式建立之圖解說明 12 2.4. 模式之符號、集合、系統參數與系統變數 14 2.4.1 指標符號說明 14 2.4.2 集合說明 14 2.4.3 系統參數 15 2.4.4 系統變數 16 2.5. 限制式 19 2.5.1 流量平衡與溶質平衡 19 2.5.2 單元型態說明，與單元中的水損失、單元出口濃度限制 23 2.5.3 系統對外排放濃度 24 2.5.4 物流流量之上限與下限 25 2.5.5 管線選擇 25 2.5.6 最大可允許的管線數目 26 2.5.7 再生再循環水流的排除 27 2.5.8 成本函數 28 2.6. 目標函數 30 2.5.8 目標函數(1):最少的供應水流量 30 2.5.8 目標函數(2):最低的整體設計成本 31 2.5.8 目標函數(3):最少的管線連接數目 32 2.7. 設計策略 33 3. 模式之情境模擬暨模擬結果分析與討論(一) 35 3.1. 最適化軟體 36 3.2. 例一之情境模擬 36 3.2.1例一之模擬結果分析與討論 37 3.3. 例二之情境模擬 41 3.3.1例二之模擬結果分析與討論 42 4. 模式之情境模擬暨模擬結果分析與討論(二) 45 4.1. 例三之情境模擬 46 4.1.1例三之模擬結果分析與討論 47 4.2. 例四之情境模擬 52 4.2.1例四之模擬結果分析與討論 53 4.3. 例五之情境模擬 60 4.3.1例五之模擬結果分析與討論 62 5. 結論與未來展望 75 5.1. 結論 75 5.2. 未來展望 76 參考文獻 79 作者簡介 8