Superstructure-based MINLP Formulation for Synthesis of Cooling-Water and Water-Using Networks with Intermediate Mains

水資源是地球上非常重要的資源之一，而在許多方面，地球人對於水的依賴性也相當高。 在工廠製程方面，作者以工廠用水量超大的兩個部分來做介紹，分別是冷卻水網路與 製程用水網路，因為水在這兩個部分扮演著極為重要的角色。 在傳統型的冷卻水網路設計型態上，熱交換器單元間的管線連接方式是以串聯的方式去設計， 不但增加了冷卻水網路結構管線的複雜度，而且整個冷卻水網路系統的韌性也大大降低。 為了解決這方面的問題，可以在冷卻水網路系統中加入中間儲存槽的設計， 不但降低了冷卻水網路結構管線的複雜度，而且整個冷卻水網路系統的韌性也大大提升。 另外在本研究設計中，在網路結構中加入少數根冷卻器單元間的管線連接， 不但對於整個系統的韌性沒有很大的影響，且冷卻水的使用量也節省了不少。 最後將產生一個混合整數非線性規劃的問題；在本研究的後面也設計的幾個簡單的問題， 根據問題設計數種不同的情況，並依不同的情況進行分析與討論。另外， 在製程用水網路的部份，水不但可以當作反應物或產物，且在吸收、萃取的製程中， 水也可以當作質量分離溶劑。A novel superstructure-based MINLP formulation is proposed for synthesis of cooling water networks with intermediate mains. The proposed mathematical model considers the generic problem confronted in the design of a re-circulating cooling water system, including stretching the cooler network design and setting the operation constraints. Besides the original design items, this research probes into how the number of intermediate cooling water mains influence the re-circulating cooling water system's performance. We also study how the conditional direct connections among cooling units can decrease the consumption of the re-circulating cooling water with a little sacrifice of piping complexity. Typical representative examples are presented to demonstrate the viability of proposed superstructure-based MINLP formulation. Supported by the results of computer analysis, the network superstructure and its design scheme can effectively accomplish the goal of unraveling the design problem of the re-circulating cooling water system with intermediate cooling water mains, and proffering the optimal structure in designing the re-circulating cooling water systems.1 緒論....................................................1 1.1 前言..................................................1 1.2 整合性冷卻水網路設計之發展與型態說明..................3 1.3 文獻回顧..............................................5 1.4 研究動機與目的........................................6 1.5 組織章節..............................................7 2 製程用冷卻水網路最適化之模式建構........................9 2.1 冷卻水網路模式建立之背景說明..........................9 2.2 冷卻水網路模式建立之基本假設條件.....................11 2.3 冷卻水網路模式建立之圖解說明.........................12 2.4 冷卻水網路模式之符號、集合、系統參數與系統變數.......14 2.4.1 冷卻水網路下標符號說明.............................14 2.4.2 冷卻水網路集合說明.................................14 2.4.3 冷卻水網路系統參數.................................15 2.4.4 冷卻水網路系統變數.................................15 2.5 冷卻水網路限制式.....................................17 2.5.1 冷卻器流量平衡與能量平衡...........................17 2.5.2 儲存槽流量平衡與能量平衡...........................18 2.5.3 回流槽流量平衡與能量平衡...........................19 2.5.4 冷卻水網路物流流量之上限與下限.....................19 2.5.5 冷卻器出口管線限制式...............................20 2.5.6 儲存槽總數目限制式.................................21 2.5.7 儲存槽的排序限制式.................................21 2.5.8 冷卻器和儲存槽之間的管線限制式.....................22 2.5.9 儲存槽之間的管線限制式.............................22 2.5.10 單元間管線連接之管線限制式........................22 2.5.11 單元間管線連接之流量限制式........................23 2.6 冷卻水網路目標函數...................................24 2.6.1 目標函數(1):最少冷卻水消耗量.......................24 2.6.2 目標函數(2):最少的總冷卻器使用流量.................25 2.6.3 目標函數(3):最大的總冷卻器使用流量.................26 3 冷卻水網路模式之情境模擬暨模擬結果分析與討論...........27 3.1 最適化軟體...........................................27 3.2 例一：四個熱交換器冷卻水網路之情境模擬...............28 3.2.1 例一之模擬結果分析與討論...........................28 3.3 例二：十個熱交換器冷卻水網路之情境模擬...............30 3.3.1 例二之模擬結果分析與討論...........................31 3.4 例三：十三個熱交換器冷卻水網路之情境模擬.............36 3.4.1 例三之模擬結果分析與討論...........................36 4 製程用水網路最適化之模式建構與情境模擬分析.............47 4.1 水網路模式建立之背景說明.............................47 4.2 水網路模式建立之基本假設條件.........................49 4.3 水網路模式建立之圖解說明.............................50 4.4 水網路模式之符號、集合、系統參數與系統變數...........52 4.4.1 水網路下標符號說明.................................52 4.4.2 水網路集合說明.....................................52 4.4.3 水網路系統參數.....................................53 4.4.4 水網路系統變數.....................................53 4.5 水網路限制式.........................................55 4.5.1 製程用水單元之流量平衡與溶質平衡...................55 4.5.2 中間儲存槽之流量平衡與溶質平衡.....................56 4.5.3 污水處理單元之流量平衡與溶質平衡...................57 4.5.4 水網路物流流量之上限與下限.........................57 4.5.5 製程用水單元出口管線限制式.........................58 4.5.6 中間儲存槽總數目限制式.............................58 4.5.7 製程用水單元、污水處理單元與中間儲存槽之管線限制式.59 4.5.8 製程用水單元和中間儲存槽之間的管線限制式...........59 4.5.9 中間儲存槽之間的管線限制式.........................59 4.5.10 污水處理單元之溶質移除率限制式....................60 4.6 水網路目標函數.......................................60 4.6.1 目標函數(1):最少化新鮮水供應量.....................60 4.6.2 目標函數(2):最少化所有製程用水單元使用流量總和.....61 4.6.3 目標函數(3):最少化所有污水處理單元使用流量總和.....61 4.7 例一：四個製程用水單元水網路之情境模擬...............62 4.7.1 例一之模擬結果分析與討論...........................62 4.8 例二：八個製程用水單元且具有三個污染物水網路之情境模.64 4.8.1 例二之模擬結果分析與討論...........................65 4.9 例三之情境模擬.......................................68 4.9.1 例三之模擬結果分析與討論...........................69 5 結論與未來展望.........................................71 5.1 結論.................................................71 5.2 未來展望.............................................72 作者簡歷.................................................7