1.一种脱碳海水进料的反渗透脱硼海水淡化系统优化方法，其特征在于该方法包括以
下步骤：
步骤1：建立的卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化过程模型；
根据反渗透过程机理，采用微分方程描述压力容器内盐度、硼浓度、压力、流量等沿其
轴向变化，将有限差分方法微分方程离散化，得到如下方程：
σ＝0.997-4.98×10-5T   (3)
σTB，l＝α0，lσboric+α1，lσborate   (5)
pKa，l＝2291.90/T+0.01756T-3.3850-0.32051(Cch，mw，l/1.80655)1/3   (6)
Vw，lρp＝Jw，l+Js，l   (8)
Cch，p，l＝Js，l/Vw，l   (9)
Kl＝0.97KTB，l   (14)
Qch，b，l+1＝Qch，b，l-3600Vw，lSl   (16)
Qch，b，l+1Cch，b，l+1-Qch，b，lCch，b，l＝-3600Vw，lSlCch，p，l   (17)
Qch，b，l+1CTB，ch，b，l+1-Qcb，b，lCTB，ch，b，l＝-3600Vw，lSlCTB，ch，p，l   (18)Qf，n＝Qb，n+Qp，n   (22)
Qf，nCf，n＝Qb，nCb，n+Qp，nCp，n   (23)
Qf，nCTB，f，n＝Qb，nCTB，b，n+Qp，nCTB，p，n   (24)
其中A、B、BTB分别为纯水、盐和硼透过常数，P、C、π分别为盐度、压力、渗透压，ρp和Vw分别为淡水的密度和流速，Jw和Js分别为纯水和盐透过通量，Vw为渗透流速，T为温度，K为传质系数，de为进料流道当量直径，Sl为膜元件的微分单元面积，Sl＝Sm·nm/L，Sm为单支膜元件面积，Lpv和Lm分别为压力容器和单支膜元件长度，nm为压力容器膜元件个数，L和Δz分别为微分单元节点、总的微分单元节点数和积分步长，Re为雷诺准数(Re＝ρVde/μ)，其中μ为动力粘度，Sc为施密特准数(Sc＝μ/ρDs)，Ds为盐的扩散系数，Q为流量，V为进料流速，(V＝Q/(3600Sfcsεsp)，Sfcs为进料流道横截面积，εsp为进料流道隔网孔隙率，Qp，n为总的产水通量，Cp，n为平均产水盐度，σ为反射系数，α0和α1分别为硼酸和硼酸盐离子的分率，pKa为硼酸一级电离常数，Kλ为摩擦系数，FFd为污染系数，e为膜的活化能(T≤298K时，e＝25,000J/mol-1，T-1
＞298K时，e＝22,000J/mol )，R是气体常数，Bin为每年盐透过增加率，Nmlp为膜的平均寿命，下标ch为膜元件的进料或产水流道，b、f、p分别为浓盐水、进料海水和产水，mw为膜表面，TB为总硼，boric和borate分别为硼酸和硼酸盐，ref为T0在298K时没有污染时膜的参数，n表示第n个压力容器；
有限差分法的边界条件：z＝0，V＝Vin，Q＝Qin，CTB＝CTB，in，C＝Cch P＝Pin；
盐水渗透压π、动力粘度μ和盐的扩散系数Ds可由下列拟合公式计算：
π＝4.54047(103C/Msρ)0.987   (25)
μ＝(1.4757×10-3+2.4817×10-6C+9.3287×10-9C2)exp(-0.02008T)   (26)
Ds＝6.725×10-6exp(0.1546×10-3C-2513/(T+273.15))   (27)
其中Ms为溶质的摩尔质量；
步骤2.建立反渗透超结构模型；
反渗透系统包括海水取水和前处理、产水后处理、反渗透膜组、泵、功交换器(pressure exchanger，PX)、物流混合器及分离器等，由于海水中存在碳酸根离子，在反渗透操作过程中易形成沉淀，将海水加强酸后调节pH值到4.0，然后通过风机将海水中游离的CO2脱除，得到的脱碳海水可有效降低结垢倾向，因此将其pH值通过强碱提高至碱性可有效提高硼截留率，反渗透超结构中包含NPS个增压级和NRO个反渗透级构成，总共有NPS+2个物流节点，2是指最终离开反渗透系统的盐水和淡水，NPS个物流节点中的每一个节点表示有一股物流经过高压泵增压后(或不经高压泵不增压)直接进入1个反渗透单元，每一个反渗透级由多个并联压力容器构成，每个压力容器由2～8个膜元件串联且在相同条件下运行，离开反渗透级的每一股盐水和淡水都可以进入NPS+2个物流节点，每一个物流表示为流量、盐度、硼浓度和压力的函数，在物流分配箱中每一个进料MIN经过等压混合可分为MOUT个物流，则物流分配箱表示为：
Cin，out＝Cin out＝1，...MOUT   (29)
CTB，in，out＝CTB，in out＝1，...MOUT   (30)
Pin，out＝Pin out＝1，...MOUT   (31)
0＝(Pin-Pout)Qin，out in＝1，...MIN   (36)
公式(28)-(31)表示物流分配器，公式(32)-(35)表示物流混合器，其中公式(35)为pH
值平衡，公式(36)表示等压混合约束，允许反渗透级的产水与系统最终产水、反渗透级的高压浓盐水泄压后与系统进料混合；
在功交换器中高压盐水和海水的接触会导致物流之间的混合，在其出口经过压力交换
的海水盐度会有一定程度的升高，高压泵与功交换器的物料平衡方程为：
Qps，1＝Qhpp+Qpxlin   (37)
Qps，1Cps，1＝QhppChpp+QpxlinCpxlin   (38)
Qps，1CTB，ps，1＝QhppCTB，hpp+QpxlinCTB，pxlin   (39)
QRO，1＝Qhpp+Qpxhout   (40)
QRO，1CRO，1＝QhppChpp+QpxhoutCpxhout   (41)
QRO，1CTB，RO，1＝QhppCTB，hpp+QpxhoutCTB，pxhout   (42)
Qpxhout＝Qpxlin   (43)
Qpxhin＝Qpxlout   (44)
LpxQpxhin/100＝Qpxhin-Qpxhout   (45)
Lpx[％]＝0.3924+0.01238Ppxhin   (46)
Cpxhout＝Mix(Cpxhin-Cpxlin)+Cpxlin   (47)
CTB，pxhout＝Mix(CTB，pxhin-CTB，pxlin)+CTB，pxlin   (48)
Mix＝6.0057-0.3559OF+0.0084OF2   (49)
OF[％]＝100×(Qpxhin，-Qpxhout)/Qpxhin   (50)
CpxloutQpxlout＝QpxlinCpxlin+QpxhinCpxhin-QpxhoutCpxhout   (51)
CBT，pxloutQpxlout＝QpxlinCBT，pxlin+QpxhinCBT，pxhin-QpxhoutCBT，pxhout   (52)其中LPX为泄漏率，Mix为体积混合率，OF(-10％≤OF≤15％)为润滑流量，下标hpp、
pxhin、pxlin、pxhout和pxhin分别表示高压泵、进入功交换器的低压进料海水和高压浓盐水、离开功交换器的加压海水和泄压浓盐水；
离开第i个增压级的物流直接进入第j个反渗透级，假定同一级反渗透压力容器内的采
用相同种类的膜元件，其特性如纯水透过常数、溶质透过常数，硼反射系数、膜面积、进料隔网厚度和价格等保持不变，可由如下公式确定第j级反渗透内压力容器采用的膜元件型号k：
Pj-Pk，max≤U(1-yj，k)j＝1，2，...，NRO，k＝1，2，...，Kt   (54)
引入二元变量yj，k，当它取1时表示在第j级反渗透选取第k种类型的膜元件，否则取0；
公式(54)限定了膜元件允许的最大进水压力，U是一个足够大的数，Kt是反渗透膜元件的种类集合；
随着水透过膜，其浓盐水和产水的pH值也会发生变化，采用下列公式对其进行描述，需
要注意的是由于缓冲性能较差，因此反渗透级产水的pH值设定与其进料相同；
pHp，j＝pHj，j∈ROstage   (58)
其中pHj为第j级的进料pH值，pHB，j为第j级的浓盐水pH值，pHB，j为第j级的产水pH值，下标stage和pass分别表示反渗透段和反渗透级；
一般海水的pH值为8.2，为了有效的去除海水中的CO2，使用(Qacid，0+Qacid，1)的强酸将海水调节到pH值为4.0，然后通过吹扫塔将海水中的CO2脱除，之后加入(Qbase，0+Qbase，1)的强碱将海水pH值提高以增加硼脱除率，
-7 -4
(Qf+Qacid，0)10 +Qacid，1·Cacid＝(Qf+Qacid，0+Qacid，1)10    (60)
(Qf+Qacid，0+Qacid，1)10-4＝Qbase，0Cbase   (61)
其中公式(62)计算提高反渗透级进料pH值所需的强碱量；
整个反渗透网络满足如下物料平衡关系，以及产品水需求约束：
Qf＝Qb+Qp   (63)
QfCf＝QbCb+QpCp   (64)
QfCTB，f＝QbCTB，b+QpCTB，p   (65)
Qp≥Qp，lo   (72)
Cp≤Cp，up   (73)
CTB，p≤CTB，p，up   (74)
式中Qb、Cb和CTB，b分别表示离开反渗透网络的盐水流量、盐度和硼浓度，Qp、Cp和CTB，p分别表示产品水的流量、盐度和硼浓度，下标lo和up分别表示最低需求值和最大允许值；
步骤3.系统流量和操作条件约束；
为保障反渗透系统安全运行，在模型中设定以下约束：浓差极化因子是膜表面盐浓度
Cch.mw.l与主体溶液盐度Cch，b.l的比值，脱碳海水一级反渗透浓差极化因子极限值为1.22，传统海水进料一级反渗透浓差极化因子极限值为1.2，二级反渗透由于其进水含盐量已经显著降低，浓差极化因子最大为1.4；单支压力容器最大压力损失为0.35MPa，第一级和第二级平均产水通量最大值分别为20L/(m2·h)和40L/(m2·h)，第一级和第二级首支膜元件最大
产水通量分别为35L/(m2·h)和48L/(m2·h)，第一级和第二级压力容器内最小浓盐水流量
分别为3.6m3/h和2.4m3/h，浓盐水浓度小于90kg/m3，反渗透进料pH值最高为9.5，反渗透级进料pH值最高为11.0；
步骤4.压力容器和膜元件个数整数约束；
以下公式可将膜元件的数量nm，j和第j个反渗透级的压力容器个数npv，j转换成二元变
量：
其中Nb，j和Npv，j指需要的最小二元变量的个数，nm，j，up、nm，j，lo、npv，j，up和npv，j，lo分别代表压力容器中最大或最小允许放置的膜元件个数和第j个反渗透级最大或最小允许放置的压力容器个数；需要指出的是公式(77)和公式(79)只是用来计算Nb和Nn的值，不作为模型的约束条件；为了避免当反渗透级不存在而引起的不可行解，在公式(78)中引入了松弛变量sv和svb，并将其作为目标函数的附加项，通常这两个松弛变量权重取值很小，本文中取
0.001；
步骤5.反渗透系统制水成本和能耗；
反渗透总的年费用TAC包含年投资费用CC和年操作费用OC两部分：
CCSWIP＝996(Qf24)0.8   (80)
CChpp＝52(ΔPhppQhpp)   (81)
CCbp＝52(ΔPbpQpxhin)   (82)
CCpx＝3134.7Qhpp0.58   (83)
TCC＝1.411(CCSWIP+CChpp+CCpx+CCbp+CCm)   (85)
OCm＝0.2Cm   (86)
OCinsrce＝0.005TCC   (88)
OClabor＝Qp·24·365·fc·0.01   (89)
OCch＝Qf·24·365·fc·0.0225   (90)
OCmaint＝Qp·24·365·fc·0.01   (91)
OCacid＝(∑Qacid)·0.5·0.98·ρ·COSTacid·24·365·fc·1.28   (92)
OCbase＝(∑Qbase)·0.03·2·ρ·COSTbase·24·365·fc·1.28   (93)
OCDegasifcation＝0.027Ce·fc·24·365·Qf   (94)
OCbrinedisposal＝0.055·fc·24·365·Qb   (95)
OCO&M＝COinsrce+COlabor+COch+COmaint+COacid+CObase+COdegasifcation+CObrinedisposal   (96)AOC＝OCm+OCe+OCO&M   (97)
公式(80)至公式(85)表示投资费用，CCSWIP、CChpp、CCbp和CCpx分别表示海水取水系统和前期预处理、高压泵、增压泵和功交换器的投资费用，Cm表示总的膜元件费用，Ck为第k种类型膜元件的价格，Cpv为单支压力容器的价格，nj表示第j级反渗透引入的压力容器个数，ΔP为压差，公式(86)至公式(96)为操作及维护费用OCo&m的计算公式，由人力费用OClabor、化学试剂费用OCch、维护费用OCmaint、保险OCinsrce、调节pH值所需碱及后处理需要酸的费用OCacid和OCbase，以及海水脱碳所需费用OCdegasification、浓盐水排放费用组成OCbrinedisposal，操作费用AOC包括膜元件更换费用OCm、能耗费用OCe和操作与维护费用OCo&m，ηhpp、ηSWIP、ηbp、ηmotor、ηpx分别表示取水泵、高压泵、增压泵、电机和功交换器的效率，fc为载荷系数，Ce为电价，PSWIP为取水泵出口压力，总的年费用由公式(99)计算，淡水成本由公式(100)计算，其中资本回收因子为 nLT为反渗透淡化厂运行周期；
步骤6.对形成的系统优化命题进行求解；
优化目标为总的年费用TAC，
约束条件为：反渗透过程模型，
反渗透超结构模型，
系统流量和操作条件约束，
压力容器和膜元件个数整数约束；
采用数学规划软件求解以上混合整数非线性规划问题，通过给变量赋不同的初值，从
多个初始点出发进行迭代，可获得系统优化的流程和操作条件。