随着社会经济的发展,人们对淡水的需求也越来越大,水资源危机已成为影响人类生活和经济持续发展的瓶颈之一。海水淡化是沿海地区缓解用水危机最有效的方法之一。反渗透法是一种主要的海水淡化技术。随着反渗透膜、高压泵和能量回收装置等核心设备和技术的日益成熟,反渗透法已成为21世纪海水淡化的主导技术,得到了广泛的应用。近年来,随着反渗透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis, SWRO)规模的不断扩大,海水淡化工程中包含的制水单元和设备也越来越多,对其进行优化调度,合理安排各机组的生产计划,是提高设备利用率、降低生产成本的有效手段。依托国家科技支撑计划“日产10万吨级膜法海水淡化国产化关键技术开发与示范”(2009BAB47B00),围绕大型反渗透海水淡化过程建模与优化问题展开研究,主要研究成果总结如下：(1)阐述了反渗透传质机理,给出了典型反渗透海水淡化系统的流程；从热力学原理出发,基于溶解一扩散机理建立了反渗透过程传质模型,并以此为基础,对淡化工程中广泛采用的卷式膜组件单元进行了建模；分析了大型并联式反渗透海水淡化工程的工艺结构,建立了其全流程整体过程模型。对反渗透生产过程中的运行费用进行了分析,建立了其操作费用模型,为研究大型反渗透海水淡化工程操作优化提供了理论依据。(2)研究了大型反渗透海水淡化工程静态优化问题。建立了SWRO系统的集总参数模型,提出了符合厂方调度习惯的静态调度模型,该模型是一类混合整数规划(Mixed-Integer Nonlinear Programming, MINLP)模型。针对MINLP模型难以采用解析方法进行精确求解的难题,采用启发式算法对其进行求解。根据反渗透海水淡化过程操作优化问题的特点,提出了一种两阶段差分进化算法来求解该MINLP问题,对算法参数进行了分析。仿真结果表明,该算法可以较好地求解本文所涉及的MINLP问题。(3)为进一步揭示反渗透过程中各运行参数对系统性能的影响,并对全流程反渗透过程进行操作优化,建立了SWRO过程的微分一代数优化(Differential-algebraic Optimization Problems, DAOP)模型。为了克服DAOP解析求解难题,通过有限元配置法将DAOP问题转换为大规模非线性规划问题,采用联立求解技术对其进行了求解。讨论了有限元的选取策略,研究了在不同运行条件下的生产调度问题。优化求解结果表明本优化方法可以大幅降低实际操作费用。(4)针对大型反渗透过程中存在的不确定因素,研究了其鲁棒调度问题。给出了生产调度的鲁棒性指标,并提出了一种主动调度与反应式调度相结合的混合鲁棒调度方案来处理反渗透过程中的不确定性。为了快速求解重调度命题,借鉴预测控制相关知识,引入滚动时域方法,将全局优化命题分解为一系列局部优化命题,以减少问题维数,达到快速求解的目的。对机器故障和用水量变动引起的不确定性进行了仿真,结果表明所提出的混合调度方案具有较好的鲁棒性。(5) 以国家科技支撑计划示范项目为依托,研究了大型反渗透海水淡化优化调度问题的工程实现。提出优化调度软件的总体架构并基于C#环境进行了软件开发。研制的软件能够支持大型SWRO系统的生产调度,合理利用资源,有效降低制水成本。最后,对全文进行了总结,指出了有待进一步研究的若干问题。