Структурно-параметрическая оптимизация гибкой технологической схемы биологической очистки сточных вод

ОГЛАВЛЕНИЕ
2
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Основные закономерности процесса биологической очистки сточных вод 7
1.2. Способы интенсификации процесса биологической очистки сточных вод 9
1.3. Сравнительный анализ методов синтеза 13
1.3.1. Форматизация постановки задачи синтеза ХТС 17
1.3.2. Синтез ХТС с применением глобальных схем 21
1.3.3. Синтез технологических схем с использованием
структурных параметров первого рода. 25
1.3.4. Синтез технологических схем с использованием
структурных парамегров второю рода. 27
1.4. Математическое моделирование технологической схемы биологической очистки сточных вод 30
1.4.1. Математическое моделирование узла биологической
очистки 30
1.4.2. Узел обработки осадка 37
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БИООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 41
2.1. Описание технологической схемы 41
2.2. Построение математической модели утл а биологической очистки сточных вод 45
2.2.1. Построение модели атротенка и регенератора 45
2.2.2. Модель вторичного отстойника 73
з
2.2.3. Идентификация математической модели системы аэротенк-вторичный отстойник-регенератор 83
2.2.4. Математическое моделирование системы аэротенк-вторичный отстойник-регенератор 85
2.3. Математическое моделирование узла переработки осадка 86
2.3.1. Описание модели метаніенка 86
2.3.2. Модель аэробного стабилизатора 88
2.4. Выводы 88 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА СТРУКТУРІ 10-
ПАР АМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГ ИЧЕСКИХ СХЕМ 90
3.1. Метод синтеза с использованием структурных
параметров первого и второго рода 90
3.2. Описание алгоритма ветвления 92
3.3. Выводы 97 ГЛАВА 4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ ГИБКОЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 98
4.1. Формализованная постановка задачи оптимизации технологической схемы БОСВ 98
4.2. Свертка информационной блок-схемы 99
4.3. Задача параметрической оптимизации 101
4.3.1. Свертка информационной блок-схемы 101
4.3.2. Описание критерия, поисковых переменных и
ограничений задачи 102
4.3.3. Решение задачи параметрической оптимизации 108
4.4. Задача структурно-параметрической оптимизации 111
4.4.1. Свертка информационной блок-схемы 111
4.4.2. Описание критерия, поисковых переменных и
ограничений задачи 113
16
В книге Кафарова В В., Мешалкина В.П. [45] дана классификация по принципам стратегии синтеза оптимальных схем. Согласно ей, стратегии синтеза оптимальных схем сведены к следующим принципам: декомпозиционно-поисковый; эвристики-декомпозиционный; эволюционный; интегрально-гипотетический.
Следует отметить, что предложенные классификации не ограничивают использования комбинаций перечисленных методов при решении задач синтеза и работоспособные методы, как правило, являются комбинированными.
В дальнейшем нами будут рассматриваться методы, основанные на интегрально-гипотетическом принципе (в классификации Островского Г.М.-методы погружения, Викторова В.К. [23] - интегральные метода). Сущность интегрально-гипотетического подхода состоит в построении некоторой глобальной (интегральной) схемы (гиперструктуры, суперструктуры), которая включает в себя, как частный случай, все альтернативные схемы синтезируемой системы, и дальнейшего поиска в ней оптимальной. Глобальная схема строится на основании некоторых гипотез о возможных структурах синтезируемых схем. Отметим, что число работ по развитию этого подхода ежегодно увеличивается [35, 43, 47-66]. Выбор интсірально-гипотетического принципа связан с двумя причинами. Во-первых, он позволяет легко формализовать постановку' задачи поиска оптимальной схемы [19, 45, 46-52]. Во вторых, предлагаемая в настоящей работе гибкая технологическая схема БОСВ может рассматриваться как гипсрструктура для решения некоторых частных задач. Одной из них является задача выбора оптимальной структуры БОСВ при значительном снижении нагрузок на очистные сооружения вследствие останова основных производств на капитальный ремонт, снижения их производительности и другим причинам.
17
1.3.1. Формализация постановки задами синтеза ХТС
Для форматизации задачи синтеза необходимо сформулировать математическую модель глобатьной ХТС, критерий оптимизации и ограничения на переменные 122].
Математическая моделі, глобальной ХТС состоит из совокупности математических моделей отдельных аппаратов и математической модели структуры глобальной ХТС. Пусть гипсрструктура состоит из N аппаратов (Ы > N), где N - число аппаратов, входящих в оптимальную схему, причем к-й аппарат имеет Мк входных, ЬК выходных потоков и гк управляющих переменных (см. рис. 1.1).
Будем считать, что все входные х* и выходные у* потоки имеют одинаковую размерноегь п и включают одни и те же переменные. Если в некотором потоке имеются не все переменные, то отсутствующие формально считаются равными нулю. Обозначим через .г* ~(х\ хМк) - вектор переменных входных потоков к-го аппарата размерности тк - пМ*, у4 ~(у[ у^) - вектор переменных выходных потоков к-го аппарата размерности (.к = п1к и и* =(и\) - вектор управляющих переменных.
Переменные векторов х*, /, характеризующие состояние входных и выходных потоков £-го аппарата и включающие концентрации компонентов, температуру (или энтальпию), давление и расход потока, называются переменными состояния или фазовыми переменными. Переменные ик содержат конструктивные и технологические параметры, изменения которых влияют на режим работы к-го аппарата.