CN111595090A - 基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，***包括：物理层，设有监测仪表及执行机构，监测仪表用于对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到物理量信息的信号，执行机构用于循环冷却水***的运行参数调节；网络层，用于传输所述信号；信息层，设有循环冷却水***的数字孪生模型，该信息层用于处理所述信号，并通过数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行模拟优化得到最优控制参数；及控制层，用于根据最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向执行机构发出执行指令，以完成循环冷却水***的运行参数优化调节。该***及方法可在保证***稳定可靠基础上实现***持续节能经济运行。
Description
技术领域
本发明涉及循环冷却水***的节能技术，特别涉及一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法。
背景技术
循环冷却水***是工业企业内大量采用的工艺***，其能耗十分可观，***的节能有助于工业企业的节能减排和增强竞争力。由于工业循环冷却水***在设计时难以准确计算管网的阻力和生产工艺的实时需求，致使设计建成的循环冷却水***往往不在其最优工况下运行。同时，随着生产状况的变化、环境的变化、设备状态的变化，循环冷却水***经常处于变工况运行状态，人为的手动调节和局部调节难以胜任变化的需要，致使***的运行效率明显降低，耗费增加。
一套循环冷却水***往往有多个用户，各用户往往会将自己冷却分支管路的阀门全开，保证自己用水可靠，这就会使得***输水量不能按需分配，总输水量增大，供回水温差低，有的甚至低至1.5℃，与设计温差7℃相差很大，导致***能耗巨大。而且，由于调节一个用户会影响到其它所有用户，人为调节或由各个调节阀自动调节可调节的范围很受限，还可能使***运行不稳定影响生产，关键是还不能做到实时、精准，致使***能耗巨大的问题不能得到彻底解决。为此，除从管理上和技术上，如采用高效泵、变频调节等节能技术，采取措施做到一定程度的节能外，有必要采取由全局统筹优化得到的控制策略对***进行实时精准调节，才能彻底解决在运行***能耗巨大的问题。
前些年各工业行业都对循环冷却水***进行了大量技术节能改造，实现了一定程度的***节能，但上述分析表明***仍然不能做到长期持续最优节能。可喜的是，计算机技术和通讯技术的发展使得实际物理***与数字化***的融合成为可能，而数字化***可进行运行优化，优化后得到的调节参数又可以用于指导具体物理***设备的调节，从而有助于实现物理***的最优化运行。
为此，通过建立实际循环冷却水***的数字化孪生模型，通过对数字化孪生进行运行耗费优化，给出实际循环冷却水***的阀门开度，以及泵和风机的投用情况和运行转速等控制参数，再由执行机构进行精准调节，则可望实现循环冷却水***的持续节能经济运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，以解决现有的工业企业中大量采用的循环冷却水***的不能根据生产和环境变化进行稳定可靠高效调节，能耗巨大，不能持续做到最优节能经济运行的问题。
本发明的第二目的在于提供一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，以用于解决循环冷却水***节能不彻底、多用户调节不及时、调节时***易不稳定、无法实现持续节能经济运行的难题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，包括：物理层，设有监测仪表及执行机构，所述监测仪表用于对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到物理量信息的信号，所述执行机构用于循环冷却水***的运行参数调节；
网络层，用于传输所述信号；
信息层，设有循环冷却水***的数字孪生模型，该信息层用于处理来自网络层的所述信号，并通过所述数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行模拟优化得到所述循环冷却水***的最优控制参数；
及控制层，用于根据所述最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
较佳地，所述监测仪表包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速监测仪表；对应地，所述物理量信息包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速。
较佳地，所述网络层包括有线传输网络及/或无线传输网络。
较佳地，所述数字孪生模型包括组件及连接组件的管网结构，所述组件性能由镜像的所述循环冷却水***的对应组件额定性能和所接收的处理信息共同确定，所述管网结构与镜像的所述循环冷却水***的管网结构相同。
较佳地，所述执行机构包括循环冷却水***的阀门开度调节机构、泵和风机的启停和转速调节装置。。
较佳地，所述信息层包括信息处理模块及数字孪生模型模拟优化模块，所述信息处理模块用于对所述信号进行过滤、清洗及映射处理；所述数字孪生模型模拟优化模块用于根据所述信息处理模块处理后的数据进行模拟优化得到所述循环冷却水***的最优控制参数。
本发明还提供了一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行方法，包括以下步骤：
S1：通过物理层中的监测仪表对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到的信号经网络层传输至信息层；
S2：所述信号在信息层中经处理后输送至信息层中循环冷却水***的数字孪生模型；
S3：通过所述数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行运行模拟优化，得到所述循环冷却水***的最优控制参数并传递给控制层；
S4：所述控制层根据所述最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述物理层中的执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
较佳地，所述物理量信息包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速。
较佳地，所述数字孪生模型包括预设的组件及连接组件的管网结构，所述组件的性能由与镜像的所述循环冷却水***的对应组件额定性能和所接收的信息共同确定，所述管网结构与镜像的所述循环冷却水***的管网结构相同。
较佳地，所述数字孪生模型的模拟优化目标为：所述循环冷却水***的运行耗费；所述数字孪生模型的优化参数为：所述循环冷却水***的阀门开度，以及泵和风机的投用情况和运行转速。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，适用于各种工业循环冷却水***，能够实现***持续节能经济运行；
2)本发明提供的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，能在较少设备改造投入基础上从全***角度进行统筹规划，使循环冷却水***具有更高性价比；
3)本发明提供的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，能对变化的生产工艺需求和环境进行自适应最优化调节，并能保持设备的正常运行；
4)本发明提供的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***及方法，可在多个循环冷却水用户同时调节情况下保持***安全、稳定、可靠运行，使调节更高效。
附图说明
图1为典型的循环冷却水***结构示意图；
图2为本发明优选实施例提供的***组成示意图；
图3为本发明优选实施例提供的方法流程示意图。
标号说明：1、2、3：循环泵；4、5、6：控制阀；7、8、9：换热器；10、11、12：调节阀；13：冷水池；14：冷却塔。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，一般的循环冷却水***中，包括有通过管路依次相连的冷水池13、循环泵组(包括循环泵1、2、3)、换热器组(换热器7、8、9)、冷却塔14、阀门组(包括控制阀4、5、6及调节阀10、11、12)等组件组成，其中循环泵由电机驱动，冷却塔14上有电机驱动的风机。本发明即针对该类循环冷却水***提供一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，以实现该循环冷却水***的持续地、节能地、经济地运行。
如图2所示，本实施例提供了一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，用于进行循环冷却水***运行参数的优化调节。该***包括：物理层1，设有监测仪表11及执行机构12，物理层的监测仪表用于对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到物理量信息的信号，物理层1的执行机构(阀门)用于循环冷却水***的运行参数调节；网络层2，用于传输来自物理层1的物理量信息的信号；信息层3，该层设有循环冷却水***的数字孪生模型，该信息层3用于处理来自网络层传输的物理量信息的信号，并采用本层的数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行模拟优化，从而得到上述循环冷却水***的最优控制参数；及控制层4，用于根据所述最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
其中，上述的执行机构主要包括循环冷却水***的阀门开度调节机构、泵和风机的启停和转速调节装置。通过这些设备即可进行循环冷却水***的运行参数调节。
该循环冷却水节能运行***的物理层、网络层、信息层及控制层构成信息物理***，该信息物理***是为循环冷却水***的优化提供信息采集、传输、处理及控制执行的基础设施。基于该信息物理***的四层结构，实现循环冷却水***的持续节能经济运行，并保证***运行安全可靠，调节及时、精准。
本实施例还提供了一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行方法，具体包括以下步骤：
S1：通过物理层中的监测仪表对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到的信号经网络层传输至信息层；
S2：所述信号在信息层中经处理后输送至信息层中循环冷却水***的数字孪生模型；
S3：通过所述数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行运行模拟优化，得到所述循环冷却水***的最优控制参数并传递给控制层；
S4：所述控制层根据所述最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述物理层中的执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
具体地，本实施例中物理层1的监测仪表11包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速监测仪表；对应地，物理层所检测的物理量信息包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速。其中，压力表(即压力监测仪表)用来监测循环冷却水***的各台循环泵出口的压力、母管的压力、母管上换热分支处压力、各分支换热器出口管路上压力、冷却塔上塔管路压力等。温度表(温度监测仪表)用来监测冷水池水温、母管水温、各分支换热器出口水温、冷却塔上塔水温等。湿度表用于测量环境湿度。流量表(流量监测仪表)用于监测各台循环泵出口流量、母管流量、各分支换热器出口管路流量等。液位计(液位监测仪表)用于测量冷水池液位。电流表(电流监测仪表)用于监测各台循环泵和各台冷却塔风机的运行电流。电压表(电压监测仪表)用于监测电网供电电压。功率因数表(功率因数监测仪表)用于测试各台循环泵和各台冷却塔风机电机的功率因数。振动表(振动监测仪表)用于监测各台循环泵和各台冷却塔风机及其电机的振动速度等参数。转速表(转速监测仪表)用于监测各台循环泵和各台冷却塔风机的转速。而物理层的执行机构12主要包括各种阀门，如各台循环泵进出口控制阀门、换热分支管路上调节阀门、主管路上调节阀门等，的开度调节机构，以及各台循环泵和风机的启停和转速调节装置。
本实施例中的网络层包括有线传输网络21及无线传输网络22，则上述步骤S1中，物理层的物理量信息可以通过网络层的有线传输网络及无线传输网络进行传输。当然在其他优选实施例中，该网络层可以根据需要仅设置有线传输网络，或者仅设置无线传输网络，相应的，上述的物理量信息可以仅通过有线传输网络或无线传输网络进行传输。
具体的，上述提供的信息物理***网络层的有线传输网络可包括：各种现场总线或多线连接方式；无线传输网络可包括：3G、4G、5G等移动通信，以及LoRa，NB-IOT，WiFi等通讯方式。通过这些通讯方式，都可以将物理层所采集的信号传输给信息层。
再次参考图2所示，本实施例的信息层包括信息处理模块31及数字孪生模型模拟优化模块32。则步骤S2中，信息层3收到网络层传输的信号后，首先通过信息处理模块31处理这些来自网络层传输的物理量信息的信号。具体的，在信息层中将由物理层传输来的信号进行过滤、清洗、映射等处理，使这些信号数据能为数字孪生模型所用，并便于存储、查找、显示。
随后，步骤S3通过数字孪生模型模拟优化模块32根据上述信息处理模块31处理后的数据通过数字孪生模型的运行模拟优化得到最优控制参数传递给控制层。
具体地，本实施例中的信息层的数字孪生模型即为循环冷却水***的数字镜像，该模型具体包括：组件及连接组件的管网结构。其中，这里的组件性能由镜像的循环冷却水***的对应组件额定性能，或经实际测试得到的组件性能，和所接收的处理信息共同确定，这里的管网结构与镜像的循环冷却水***的管网结构相同。
例如，对于循环泵，可从厂家的出厂资料中获得该循环泵的额定性能特性，结合所接收的经处理的信息对循环泵性能进行修正，以反映循环泵当前的实际性能特性。如对厂家给出的循环泵的流量扬程特性采用最小二乘三次多项式进行拟合得到以下方程：
H＝aQ3+bQ2+cQ+d (1)
其中：H为循环泵的扬程，a，b，c，d为拟合参数，Q为循环泵的流量。
再引入个别待定参数，得到数字孪生模型中的循环泵组件的性能特性：
H′＝k(aQ3+bQ2+cQ+d) (2)
其中：H’为修正后的循环泵的扬程，k为待定参数。
信息物理***的物理层采集的信息包括循环泵的电流、电压、功率因数、转速、冷水池液位、循环泵出口压力、流量等参数，由水力学和电力学方程可以计算得到循环泵的实际扬程、输出功率、输入功率(运行功率)、效率等参数，这些参数即确定了该循环泵当前的实际性能。有了实际扬程，将其代入公式(2)即可得到待定系数k，这就确定了数字孪生模型中循环泵组件的流量扬程特性，后续运行模拟优化就能以确定的公式(2)计算得到不同流量下循环泵的实际扬程。类似处理可以得到不同流量下循环泵的运行功率等其它相关参数。
同样，对换热器、冷却塔和管段均可采用基于基本物理理论建立的数学物理模型的含待定参数形式，进行性能模型定义。如对阀门，可采用以下公式：
其中：q为通过阀门的流量，m为待定参数，λ为阀门开度，e，f为拟合参数，Δp为阀门前后的压差。
由以上步骤可知，在确定数字孪生模型中的组件性能时，使用了循环冷却水***组件的额定性能特性和实际测试得到的物理量信息，因此能够反映循环冷却水***组件的基本性能特征和当前实际性能状况，由此所得到的数字孪生模型就能真实地反映所镜像循环冷却水***的实际性能，使后续的运行模拟优化具有了针对性和准确性。
进一步地，本实施例***提供的数字孪生模型的模拟优化目标为：循环冷却水***的运行耗费的最小化。这里的运行耗费包括运行能耗、设备损耗、维护费用、水损失、水处理费用等的一种或几种耗费，本领域技术人员可以根据需要自由选择具体的优化目标，也可从所镜像的循环冷却水***的生命周期成本方面进行定义。
而数字孪生模型的优化参数为：循环冷却水***的阀门开度，以及泵和风机的投用情况和运行转速。其中的约束有等式和不等式约束，用于给出***构成和组件性能状况，以及满足生产工艺需求、组件稳定可靠高效运行需求的必要条件等。因该优化问题是混合整数非线性规划问题，可采用分层嵌套算法进行求解。
例如，参见附图1，有一套有三台循环泵，三个换热分支，一座冷却塔的循环冷却水***，设计供水温度不超过33℃，回水温度不超过40℃。某状态实际运行监测发现供水母管水温为28℃，三个换热分支换热器出口水温分别为31℃，33℃，38℃，换热分支控制阀门均全开，每个换热分支水流量均为200m3/h，***总输水量为600m3/h，冷却塔上塔水温为34℃。本领域技术人员可判断出该***的几个换热分支的水量分配不是按需分配的，存在总送水量过大引起的能源损耗，但技术人员不能实时准确评估水量分配，调节一个换热分支控制阀门时各个换热分支的水量都在发生变化，使***运行难以快速稳定，而且***运行工况经常变化，水量分配也是变化的，因此技术人员人工调节不能实现***彻底节能经济运行。采用本发明方法进行优化，可以同时给出第一和第二换热分支的阀门开度，以及运行泵的转速，调节将变得快捷准确，***稳定性更强，也使***更多时间处于节能经济运行状态。通过调节，减小总输水量，提高上塔水温至38℃，仍然能满足生产工艺和***安全可靠运行要求，则可使总输水量大幅度减少，循环泵运行功率也将大幅度减小，***总能耗可望节省30％以上。
步骤S4中，信息物理***的控制层根据得到的最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述物理层中的执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
具体的，参考图2，信息物理***中的控制层4包括控制单元41，控制单元41的控制逻辑能够实现循环冷却水***的安全运行。控制单元可采用PLC、DCS等控制方式，其中的控制程序实现了循环冷却水***的安全约束，如对冷水池水温的要求，对换热分支出口水温或生产工艺对换热器性能的要求，防止因监测不准引起的***故障等。这种处理方式能够最大程度地保证***运行安全可靠。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，其特征在于，包括：
物理层，设有监测仪表及执行机构，所述监测仪表用于对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到物理量信息的信号，所述执行机构用于循环冷却水***的运行参数调节；
网络层，用于传输所述信号；
信息层，设有循环冷却水***的数字孪生模型，该信息层用于处理来自网络层的所述信号，并通过所述数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行模拟优化得到所述循环冷却水***的最优控制参数；
及控制层，用于根据所述最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
2.根据权利要求1所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，其特征在于，所述监测仪表包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速监测仪表；对应地，所述物理量信息包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速。
3.根据权利要求1所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，其特征在于，所述网络层包括有线传输网络及/或无线传输网络。
4.根据权利要求1所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，其特征在于，所述数字孪生模型包括组件及连接组件的管网结构，所述组件的性能由镜像的所述循环冷却水***的对应组件额定性能和所接收的处理信息共同确定，所述管网结构与镜像的所述循环冷却水***的管网结构相同。
5.根据权利要求1所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，其特征在于，所述执行机构包括循环冷却水***的阀门开度调节机构、泵和风机的启停和转速调节装置。
6.根据权利要求1所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行***，其特征在于，所述信息层包括信息处理模块及数字孪生模型模拟优化模块，所述信息处理模块用于对所述信号进行过滤、清洗及映射处理；所述数字孪生模型模拟优化模块用于根据所述信息处理模块处理后的数据进行模拟优化得到所述循环冷却水***的最优控制参数。
7.一种基于信息物理***的循环冷却水节能运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过物理层中的监测仪表对循环冷却水***的物理量信息进行检测，得到的信号经网络层传输至信息层；
S2：所述信号在信息层中经处理后输送至信息层中循环冷却水***的数字孪生模型；
S3：通过所述数字孪生模型根据处理后的物理量信息进行运行模拟优化，得到所述循环冷却水***的最优控制参数并传递给控制层；
S4：所述控制层根据所述最优控制参数进行逻辑判断，并根据逻辑判断结果向所述物理层中的执行机构发出执行指令，以完成所述循环冷却水***的运行参数优化调节。
8.根据权利要求7所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行方法，其特征在于，所述物理量信息包括：压力、温度、湿度、流量、液位、电流、电压、功率因数、振动及转速。
9.根据权利要求7所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行方法，其特征在于，所述数字孪生模型包括预设的组件及连接组件的管网结构，所述组件的性能由镜像的所述循环冷却水***的对应组件额定性能和所接收的信息共同确定，所述管网结构与镜像的所述循环冷却水***的管网结构相同。
10.根据权利要求7所述的基于信息物理***的循环冷却水节能运行方法，其特征在于，所述数字孪生模型的模拟优化目标为：所述循环冷却水***的运行耗费最小化；所述数字孪生模型的优化参数为：所述循环冷却水***的阀门开度，以及泵和风机的投用情况和运行转速。
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