處理(li)系統的(de)優(you)(you)化研究包括設(she)(she)計(ji)(ji)優(you)(you)化和運行(xing)優(you)(you)化。設(she)(she)計(ji)(ji)優(you)(you)化是運行(xing)優(you)(you)化的(de)基礎，運行(xing)優(you)(you)化又為(wei)設(she)(she)計(ji)(ji)優(you)(you)化提供必要的(de)信息、依據及(ji)檢驗，二者(zhe)相輔相成，互為(wei)依托。現(xian)以濾(lv)(lv)池為(wei)例，研究不同濾(lv)(lv)池對于系統優(you)(you)化運行(xing)的(de)影響。

1 試驗模型

目(mu)前，我國水(shui)廠(chang)中常(chang)用(yong)的(de)(de)濾(lv)(lv)池(chi)(chi)有(you)(you)兩(liang)類(lei)：一(yi)類(lei)采用(yong)常(chang)規的(de)(de)單層(ceng)或雙層(ceng)濾(lv)(lv)料，高(gao)速(su)水(shui)流(liu)反沖洗(xi)；另(ling)一(yi)類(lei)采用(yong)均(jun)質(zhi)濾(lv)(lv)料，氣水(shui)反沖洗(xi)。由(you)(you)于缺少兩(liang)類(lei)濾(lv)(lv)池(chi)(chi)生(sheng)產運行中可類(lei)比的(de)(de)、系統性的(de)(de)數據資料，故制作了均(jun)質(zhi)濾(lv)(lv)料、雙層(ceng)濾(lv)(lv)料兩(liang)個(ge)濾(lv)(lv)池(chi)(chi)模型。為使兩(liang)種濾(lv)(lv)池(chi)(chi)的(de)(de)運行過程及各(ge)種技(ji) 術經(jing)濟參數具(ju)有(you)(you)可比性，其(qi)前均(jun)采用(yong)水(shui)泵混合、孔室絮凝和斜管沉(chen)淀，并由(you)(you)此形成兩(liang)個(ge)處理(li)流(liu)程。

2 過(guo)濾過(guo)程的數學模擬

試(shi)驗采用(yong)回歸正交設(she)計(ji)方法［1］對過濾過程(cheng)進行數學模擬。

2.1 回歸正交(jiao)設計(ji)

2.1.1 確(que)定影(ying)響因素

通(tong)過對過濾系統運行狀(zhuang)況(kuang)的(de)(de)分析研究，確定濾前濁(zhuo)度(du)C、濾速(su)V及過濾周期T為(wei)影響(xiang)過濾的(de)(de)基本相(xiang)關因素。它們之間相(xiang)互(hu)協調的(de)(de)內在動態關系可通(tong)過建立下述過濾周期數學 模型(xing)予以確定。

T=α/Vβ·Cγ　　　　　　　　(1)

式(shi)中 α、β、γ——待(dai)定參數(shu)，通過回歸正交試(shi)驗(yan)確定

2.1.2 　因素水平、編(bian)碼(ma)與試(shi)驗方(fang)案 

為確定上述模型中(zhong)的(de)待定參數，將模型中(zhong)各因素(su)之間(jian)的(de)非線性關系進行(xing)線性變換，即對式(1)兩邊取(qu)對數，得：

lnT=lnα-βlnV-γlnC　　　　(2)

令(ling)y=lnT，b0=lnα，b1=-β，b2=-γ，則式(2) 變為：

y=b0+b1lnV+b2lnC　　　　(3)

其中b0、b1、b2為(wei)回(hui)歸方程(cheng)中的待定參數，采(cai)用一次回(hui)歸正交(jiao)設計(ji)確定。

為使回歸(gui)系數的計(ji)算簡單規范(fan)，對各因素水平進行了(le)編碼(ma)。首先根據設(she)計(ji)手冊和運行經驗確定均(jun)質濾(lv)料(liao)濾(lv)池(chi)、雙層濾(lv)料(liao)濾(lv)池(chi)濾(lv)速的取值范(fan)圍分別為7～11m/h和9～13m/h，濾(lv)前濁度(du)的變化范(fan)圍為5～15NTU，再通過下列(lie)兩式確定濾(lv)速V、濾(lv)前濁度(du)C分別與規范(fan)變量x１、x2的編碼(ma)關(guan)系。

x1=［2(lnV-lnVmax)/lnVmax-lnVmin)］+1　

x2=[2(lnC-lnCmax)/lnCmax-lnCmin］＋1　　　　　　　　　　(4)

當各因素分別取(qu)最(zui)大值(zhi)、算(suan)術(shu)平均值(zhi)、最(zui)小值(zhi)時，規范變(bian)量xi的(de)(de)(de)取(qu)值(zhi)分別為(wei)1(上(shang)水平)、0(基(ji)準水平)、-1(下水平)，因素水平編碼見表1。經上(shang)述變(bian)換后，式(3)中y對lnＶ、lnC的(de)(de)(de)回(hui)歸問(wen)題就轉化為(wei)y對x1、x2的(de)(de)(de)回(hui)歸問(wen)題，回(hui)歸系數的(de)(de)(de)計算(suan)變(bian)得(de)簡單(dan)方便。

表1 因素水(shui)平(ping)編(bian)碼(ma)表

表2為(wei)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)計劃，其中最后兩次試(shi)驗(yan)(yan)(yan)是為(wei)檢驗(yan)(yan)(yan)回(hui)歸方程的擬合精度而做的重復試(shi)驗(yan)(yan)(yan)。為(wei)了減少試(shi)驗(yan)(yan)(yan)次數，保持(chi)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)的正(zheng)交性，重復試(shi)驗(yan)(yan)(yan)選(xuan)擇在基準(zhun)水平上進(jin)行(xing)。

表2 試驗計劃

2.2 建立過(guo)濾回歸方程

按試驗計劃進行試驗，根據試驗結果并考慮到重復試驗的因素，按照最小二乘法原理列表計算各回歸系數，得到回歸方程。
均質濾料濾池：

y均=2.8355-0.08x1-0.14x2　　　(5)

雙層濾料濾池：

y雙(shuang)=2.9535-0.133x1-0.1845x2　(6)

將(jiang)編碼公(gong)式(shi)(4)分別代入式(shi)(5)、(6)，由于濾前濁度很難控制(zhi)在試(shi)驗(yan)計(ji)劃的各相應水(shui)平(ping)上，Cmax和Cmin取原(yuan)水(shui)相應數據的平(ping)均值(zhi)并代回原(yuan)方程(1)，最終得過濾周期Ｔ與濾速(su)Ｖ、濾前濁度Ｃ的定(ding)量關(guan)系方程：

T均(jun)=66.175/(V0.354·C0.270)　　　　　　　　(7) 

T雙=178.484/(V0.723·C0.356) (8)

3 試驗系統優化運行

3.1 全系(xi)統(tong)優化運行數學模型(xing)

水(shui)處理系(xi)統運(yun)(yun)行(xing)優化以日運(yun)(yun)行(xing)費用最小為目(mu)標，以系(xi)統內(nei)部的(de)工藝要求(水(shui)質、水(shui)量、濾池運(yun)(yun)行(xing)周期及(ji)濾層(ceng)雜質穿透深度(du)等)為約束條件，尋求經濟合理的(de)運(yun)(yun)行(xing)狀態。關(guan)于全系(xi)統優化運(yun)(yun)行(xing)數學模型，筆者曾撰文(wen)作過詳細論述(shu)［2］，故(gu)本文(wen)僅給出(chu)一般(ban)式：

目標函數：

minF=∑f(Qij，Cij)　　　　　　　　　　　(9)

約束條件：

Hk(Qij，Cij)=0，(k=1，2，…，n)

Gk(Qij，Cij)≥0，(k=n+1，…，m)　　　　(10)

式中 Qij——i流程j構筑物(wu)的處理水量

ij——i流程j構筑(zhu)物的出水濁度

將(jiang)各(ge)流程初(chu)始運行條件即原水(shui)流量、濁度(du)代入(ru)式(9)、(10)中，即可求出系統在各(ge)運行條件下的最佳運行參數。

3.2 濾池優化運(yun)行技術經(jing)濟(ji)分析(xi)

3.2.1 出水(shui)水(shui)質 

試驗(yan)中均(jun)質濾(lv)料濾(lv)池的(de)(de)出水濁(zhuo)度均(jun)為0NTU，雙層濾(lv)料池的(de)(de)出水濁(zhuo)度分別為1.6、0.4、3.5、0.2、0.6、2.4NTU。可(ke)見，與常(chang)規濾(lv)池相比均(jun)質濾(lv)料濾(lv)池具(ju)有明顯的(de)(de)優(you)勢，符合國家對供(gong)水企業高質、低耗的(de)(de)要求。

3.2.2 運行(xing)費用

在相同原(yuan)水條(tiao)件和運(yun)行條(tiao)件(最大過(guo)濾(lv)水頭相同)下(xia)對兩流程進(jin)行了最優運(yun)行狀態的仿真計算，即(ji)以(yi)全系(xi)統最佳運(yun)行狀態為(wei)目標，根據上述建立的試驗系(xi)統模擬模型式(shi)(7)、(8)和優化(hua)模型式(shi)(9)、(10)，計算了兩個流程分別處于最佳運(yun)行狀況下(xia)的各(ge)種技(ji)術經濟參數，部分計算結果見表3。

表3 消耗及(ji)總運(yun)行費用(yong)比(bi)較

由(you)(you)表3可知(zhi)，不同濾池的(de)(de)(de)系統運行(xing)費(fei)用也不同。均(jun)質(zhi)濾料(liao)濾池比雙層濾料(liao)濾池可節省(sheng)(sheng)藥耗(hao)20%～32%，節省(sheng)(sheng)反(fan)沖(chong)洗(xi)水耗(hao)18%～22%。在反(fan)沖(chong)洗(xi)電耗(hao)中，雖(sui)然均(jun)質(zhi)濾料(liao)濾池的(de)(de)(de)反(fan)洗(xi)水電耗(hao)低(di)，但由(you)(you)于增加了反(fan)洗(xi)氣電耗(hao)，使反(fan)洗(xi)總(zong)電耗(hao)提高29%～36%，又由(you)(you)于電費(fei)比藥費(fei)、水費(fei)所占比例少得多，故(gu)系統總(zong)的(de)(de)(de)運行(xing)費(fei)用降低(di)了22%～26%。

4 結論 

① 系統采(cai)用工(gong)藝(yi)不同(tong)，最優運行(xing)效益(yi)也(ye)不同(tong)。采(cai)用均質濾料濾池有利于提高水(shui)質、減少消耗、降低制水(shui)成本(ben)。

② 設計(ji)優(you)化是系統(tong)經(jing)濟合(he)理運行的(de)基礎。但(dan)只有將設計(ji)優(you)化與運行優(you)化結(jie)合(he)起(qi)來(lai)，才能確定系統(tong)最佳(jia)的(de)結(jie)構與狀態，從而實現系統(tong)最佳(jia)的(de)功能與效益。

參考文獻：

［1］朱(zhu)偉勇，段曉東(dong).最優設計在工業中(zhong)的(de)應用［M］.沈陽：遼寧科學(xue)技術出版社，1993.

［2］田一梅，單(dan)金林(lin)，陳浙良，等.水(shui)(shui)處理系統優化運行［J］.中國(guo)給(gei)水(shui)(shui)排水(shui)(shui)，1999，15(5)：5-9.

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