引言为了保障工业企业内设备持续稳定运行，需要转移设备运行产生的热量，工业企业内大量采用循环冷却水系统。巨大的装机容量，长时间的运行，使得循环冷却水系统能耗很高。由于循环冷却水系统在设计时难以准确计算管网阻力和生产工艺的实时需求，设计建成的循环冷却水系统往往不在其最优工况下运行。同时，随着生产状况、环境、设备状态的变化，循环冷却水系统经常处于变工况运行状态，手动调节和局部调节难以满足变化的需要，使系统的运行效率明显降低，耗费增加。为了解决循环冷却水系统能耗高、调节困难的问题，可以采用数字孪生技术进行优化。谢晋[1]等提出，利用数字孪生技术构建供水系统的数字化模型，辅助智慧供水运行管理决策，将有助于推动智慧城市和智慧水务的快速发展。钟崴[2]等依托系统工程理念，提出基于数字孪生的智慧供热技术路线，其核心框架由物理设备层、感知调控层、数据传输层和智慧决策层构成，可以有效实现供热系统节能降耗。杜壮壮[3]等提出基于数字孪生技术的河道工程的智能管理方法，该方法可以增强河道工程管理的安全性。胡轶斐[4]基于数字孪生技术实现煤流生产动态调节，有助于节能降耗，提高矿井生产水平。借鉴数字孪生技术，文中建立循环冷却水系统的数字孪生模型，通过基于信息物理融合的模型优化以及控制层安全调控，按需调节生产工艺经济用水量和设备运行，保持系统调节稳定，从而实现物理循环冷却水系统的最优化节能运行。1基于数字孪生的节能系统架构现有工业企业中大量采用的循环冷却水系统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。为了解决该问题，借鉴数字孪生技术，形成一种信息物理融合的循环冷却水节能运行系统[5]。循环冷却水节能运行系统的四层架构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.017.F001图1循环冷却水节能运行系统的四层架构物理层中设有监测仪表及执行机构，监测仪表用于检测循环冷却水系统的物理量信息，执行机构执行自控制单元传来的指令，以调节系统运行参数。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等。压力监测信号包括循环冷却水系统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。温度信号包括冷水池水温、母管水温、各分支换热器出口水温、冷却塔上塔水温等。测试的流量信号包括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。电流和转速信号包括各台循环泵和冷却塔风机的运行电流和转速等。执行机构包括各台循环泵出口控制阀门、换热分支管路上调节阀门、主管路上调节阀门等的调节机构以及各台循环泵和风机的启停和转速调节装置等。网络层用于传输信号，物理层的物理量信息通过网络层的有线或无线传输网络进行传输。有线传输可采用各种现场总线或多线连接方式；无线传输网络包括3G、4G、5G等移动通信以及LoRa、NB-IoT、Wi-Fi等通信方式。信息层是该节能系统的核心层，其中设有信息处理模块及数字孪生模型模拟优化模块。信息处理模块对网络层传输来的物理量信号进行过滤、清洗及映射处理，使这些信号数据能为数字孪生模型所用，便于存储、查找、显示。数字孪生模型模拟优化模块对信息处理模块处理后的数据进行模拟优化，得到循环冷却水系统的最优控制参数。数字孪生模型包括循环冷却水系统的组件模型及连接组件的管网模型，组件性能由镜像系统对应组件的额定性能和经处理的物理量信息共同确定，管网结构与镜像的管网结构相同。数字孪生模型的模拟优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗，优化参数为循环冷却水系统的阀门开度以及泵和风机的投用情况和运行转速等。控制层中的控制单元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，以完成循环冷却水系统的优化调节。基于数字孪生的循环冷却水节能系统运行时的主要步骤如下：第一，通过物理层中的监测仪表对循环冷却水系统的物理量信息进行检测，将得到的信号经网络层传输至信息层；第二，信号在信息层中经信息处理模块处理后送至循环冷却水系统的数字孪生模型；第三，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，得到镜像循环冷却水系统的最优控制参数并传递给控制层；第四，控制层根据最优控制参数进行逻辑判断，并根据判断结果向物理层中的执行机构发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节。控制层的控制单元可采用PLC、DCS等控制方式，其中的控制程序实现了循环冷却水系统的安全约束，根据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系统故障等。该处理方式能够最大限度程度地保证系统运行安全可靠。这种节能系统架构既能适应多种信息传递方式的变化，也将现场运行的物理系统和实施模拟优化的孪生系统充分结合，确保模拟优化结果具有针对性，也因为有控制层的存在，避免了信息层不能完全模拟实际循环冷却水系统的局限性，从而能保持循环冷却水系统最大可能的稳定、节能经济运行。采用这种基于数字孪生的循环冷却水节能系统具有以下优点：适用于各种工业循环冷却水系统，能够实现系统的持续节能经济运行；能在较少设备改造投入基础上从全系统角度进行统筹规划，使节能系统具有更高性价比；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；可在多个循环冷却水用户同时调节情况下保持循环冷却水系统安全、稳定、可靠、高效运行，使调节更高效。2信息物理耦合方法基于数字孪生的循环冷却水节能系统，其数字孪生模型是实际循环冷却水系统的数字镜像，包括了组成该循环冷却水系统的各个设备组件及连接组件的管网结构的镜像。为了真实地反映镜像循环冷却水系统的运行性能，组件性能模型将由对应物理组件的额定性能或经实际测试得到的组件性能，与所接收的经处理的物理量信息共同确定。这里的管网结构与镜像的循环冷却水系统的管网结构相同。例如循环泵，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模型进行修正，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)式中：H——循环泵的扬程，m；a、b、c、d——分别为拟合参数；Q——循环泵的流量，m3/h。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'=kaQ3+bQ2+cQ+d (2)式中：H'——修正后循环泵的扬程，m；k——待定参数。节能系统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，由水力学和电工学方程计算得到循环泵的实际扬程、输出功率、输入功率、运行效率等参数，这些参数确定了该循环泵当前的实际性能。将实际流量和扬程代入式(2)，得到待定系数k，确定了数字孪生模型中循环泵组件的流量扬程特性，后续运行模拟优化以确定公式，计算不同流量下循环泵的扬程。通过类似处理可以得到不同流量下循环泵的运行功率等其他相关参数。针对换热器、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。阀门参数采用以下公式计算：q=meλ2+fλΔp (3)式中：q——通过阀门的流量，m3/h；m——待定参数；λ——阀门开度；e、f——拟合参数；Δp——阀门前后的压差，kPa。确定数字孪生模型中的组件性能时，使用循环冷却水系统组件的额定性能特性和实际测试得到的物理量信息，因此信息能够反映循环冷却水系统组件的基本性能特征和当前实际性能状况，由此得到的数字孪生模型能够真实地反映所镜像循环冷却水系统的实际性能，使后续的运行模拟优化具有针对性和准确性。循环冷却水节能系统提供的数字孪生模型的模拟优化目标为：循环冷却水系统的运行耗费的最小化。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，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系统的生命周期成本方面进行定义。数字孪生模型的优化参数为：循环冷却水系统的阀门开度以及泵和风机的投用情况和运行转速等。其中的约束有等式和不等式约束，用于给出系统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。该优化问题是混合整数非线性规划问题，可以采用分层嵌套算法进行求解。3应用案例分析结合案例进行解释说明，典型循环冷却水系统如图2所示。其中，循环泵由电机驱动，冷却塔14上有电机驱动的风机。各个组件通过管路依次相连，组件和管路上设有检测仪表。设计循环冷却水的供水温度不超过33 ℃，回水温度不超过40 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.017.F002图2典型循环冷却水系统注：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。结合该实例，以上述基于数字孪生的循环冷却水节能运行系统的四层架构构建节能系统，用于循环冷却水系统的优化调节。某状态实际运行监测发现，供水母管水温为28 ℃，3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200 m3/h，系统总输水量为600 m3/h，冷却塔上塔水温为34℃ 。技术人员可以判断该系统的几个换热分支的水量分配未按需分配，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最佳的水量分配。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，使系统运行难以快速稳定，而且系统运行工况经常变化，水量分配不断变化，因此技术人员人工调节不能实现系统的节能经济运行。采用本节能系统进行优化，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，实现快捷准确调节，系统稳定性更强，也使系统更多地处于节能经济运行状态。调节提高上塔水温至38 ℃，系统仍然能满足生产工艺和系统安全可靠运行要求，循环水系统总运行功率可降至原工况的2/3，系统节能率达到30%。4结语文中从智慧精益管控角度出发，提出包括物理层、网络层、信息层及控制层的基于数字孪生的循环冷却水系统节能系统方案。其中，数字孪生模型是实际循环冷却水系统的数字镜像，包括各个设备组件及连接管网的镜像。组件性能模型由对应物理组件的额定性能或经实际测试得到的组件性能，与所接收的经处理的物理量信息共同确定。通过数字孪生模型的运行模拟优化以及控制层根据系统稳定运行的逻辑判断和控制，可实时完成循环冷却水系统优化调节实现系统节能。该节能系统方案能够解决循环冷却水系统节能不彻底、多用户调节不及时、调节时系统易不稳定、无法实现持续节能经济运行的问题。