CN115903712A - 适用于工业制冷系统的节能优化方法及其优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于工业制冷系统的节能优化方法及其优化控制系统，该节能优化方法包括：以工业制冷系统的总能效最高为目标，构建目标函数；确定目标函数的约束条件；基于约束条件对目标函数进行求解，以获取在约束条件下目标函数的最优解；其中，最优解用于对工业制冷系统进行节能优化控制。借助于上述技术方案，本申请实施例能够使得工业制冷系统能够达到节能的目的。

Description

适用于工业制冷系统的节能优化方法及其优化控制系统

技术领域

本发明涉及工业制冷技术领域，尤其涉及一种适用于工业制冷系统的节能优化方法及其优化控制系统。

背景技术

工业制冷系统在石油化工和食品医药等关系国计民生的行业中有着广泛应用。

目前，很多工业制冷系统的节能方法主要是从自动化提升以及能效提升入手，但多以系统局部优化为主，未考虑系统整体优化。例如，采用简单的控制策略实现局部设备的自动化运行(如风机启停采用循环水出水温度控制和制冷机内部运行采用冷冻水出水温度控制等)；采用变频改造和切削叶轮等方式提高水泵或风机的运行效率等。

然而，虽然上述自动化的提升以及设备能效的提升在一定程度上可以提升系统整体能效，但由于工业制冷系统的耗能设备多样(例如，其主要包括制冷机组、循环水泵、冷冻水泵和冷却塔风机)，运行参数众多，相互之间有着复杂的联系，局部设备的能效最高并不意味着整个系统的运行能耗最低，故现有的工业制冷系统至少存在着节能效果比较差的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种适用于工业制冷系统的节能优化方法及其优化控制系统，其解决了现有技术中存在着的节能效果比较差的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种适用于工业制冷系统的节能优化方法，该节能优化方法包括：以工业制冷系统的总能效最高为目标，构建目标函数；确定目标函数的约束条件；基于约束条件对目标函数进行求解，以获取在约束条件下目标函数的最优解；其中，最优解用于对工业制冷系统进行节能优化控制。

在一个可能的实施例中，工业制冷系统包括制冷机、冷冻水泵、循环水泵和冷却塔风机；

其中，目标函数为：

COP_chiller,i＝a_chiller,i*Q_chiller,i+b_chiller,i*T_chiller,i+c_chiller,i*W_chiller,i；

P_chwpump,i＝a_chwpump,i*V_chwpump,i+b_chwpump,i；

P_cwpump,i＝a_cwpump,i*V_cwpump,i+b_cwpump,i；

P_fan,i＝a_fan,i*V_fan,i+b_fan,i

其中，Max·E_total表示工业制冷系统的总能效的最大值；Q_refri表示工业制冷系统的总制冷量；n表示制冷机的总个数；P_chiller,i表示第i个制冷机的运行功率；m表示冷冻水泵的总个数；P_chwpump,i表示第i个冷冻水泵的运行功率；y表示循环水泵的总个数；P_cwpump,i表示第i个循环水泵的运行功率；z表示冷却塔风机的总个数；P_fan,i表示第i个冷却塔风机的运行功率；Q_chiller,i表示第i个制冷机的制冷量；V_chiller,i表示第i个制冷机的供冷冻水流量；ρ₁表示冷冻水密度；deltachw表示制冷机供回水温差；COP_chiller,i表示第i个制冷机的能效系数；a_chiller,i表示第i个制冷机对应的第一系数；b_chiller,i表示第i个制冷机对应的第二系数；T_chiller,i表示第i个制冷机的供水温度；c_chiller,i表示第i个制冷机对应第三系数；W_chiller,i表示第i个制冷机的冷却水进水温度；a_chwpumpo,i表示第i个冷冻水泵对应的第四系数；V_chwpump,i表示第i个冷冻水泵的输送流量；b_chwpump,i表示第i个冷冻水泵对应的第五系数；a_cwpump,i表示第i个循环水泵对应的第六系数；V_cwpump,i表示第i个循环水泵的输送流量；b_cwpump,i表示第i个循环水泵对应的第七系数；a_fan,i表示第i个冷却塔风机对应的第八系数；V_fan,i表示第i个冷却塔风机的风量；b_fan,i表示第i个冷却塔风机对应的第九系数。

在一个可能的实施例中，约束条件包括：所有制冷机的供冷冻水的总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系；安装有冷却塔风机的冷却塔的供冷却水总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系；冷却塔的进出塔空气带走的热量和冷却塔的总换热量之间的平衡关系；冷却塔的总换热量大于等于所有制冷机的冷冻水的制冷量及其功率之和；所有制冷机的总制冷量大于等于工业制冷系统的末端用冷用户的需求；流经冷却塔、循环水泵、制冷机和冷冻水泵的介质流量在预设范围内；工业制冷系统中任意一个设备的运行功率小于等于其对应的额定功率。

在一个可能的实施例中，冷却塔的进出塔空气带走的热量和冷却塔的总换热量之间的平衡关系的确定过程，包括：根据工业制冷系统所在地区的大气温湿度，确定湿球温度；根据湿球温度和制冷机供回水温差，分别确定冷却塔的进塔空气的焓值和冷却塔的出塔空气的焓值；基于冷却塔的进塔空气的焓值和冷却塔的出塔空气的焓值，确定冷却塔的进出塔空气带走的热量和冷却塔的总换热量之间的平衡关系。

在一个可能的实施例中，冷却塔的进塔空气的焓值的约束公式为：

h_in＝f(T_wet,H)；

其中，h_in表示冷却塔的进塔空气的焓值；T_wet表示湿球温度；H表示大气湿度。

在一个可能的实施例中，冷却塔的出塔空气的焓值的约束公式为：

其中，h_out表示冷却塔的出塔空气的焓值；deltacw表示冷却塔的供回水温差；k表示与湿球温度相关的热量系数。

在一个可能的实施例中，冷却塔的进出塔空气带走的热量和冷却塔的总换热量之间的平衡关系如下：

其中，ρ₃表示进塔空气密度；Q_cw表示冷却塔的总换热量。

在一个可能的实施例中，冷却塔的总换热量的约束公式如下：

其中，V_cwtower表示冷却塔的供冷却水总流量；ρ₂表示冷却水密度。

在一个可能的实施例中，最优解包括每个制冷机的供冷冻水流量、制冷机供回水温差、每个制冷机的供水温度、每个制冷机的冷却水进水温度、每个冷冻水泵的输送流量、每个循环水泵的输送流量和冷却塔风机的风量。

第二方面，本发明实施例提供一种工业制冷系统的优化控制系统，包括：群冷优化模块，群冷优化模块包括运营数据管理模块和节能优化控制模块，并且节能优化控制模块用于获取目标函数的最优解；其中，目标函数的最优解是通过如第一方面或第一方面的任一可选的节能优化方法获取的；DCS控制模块，用于基于最优解，对工业制冷系统进行节能优化控制。

为使本申请实施例所要实现的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了现有技术中的一种工业制冷系统的示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种工业制冷系统的优化控制系统的示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种适用于工业制冷系统的节能优化方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

制冷技术的发展水平是衡量国家国民经济和人民生活水平的重要标志。近年来，随着我国经济快速发展以及人民美好生活需要，制冷技术得到了蓬勃发展，应用场景和范围边界也在不断扩大，主要涉及家用制冷、商用制冷和工业制冷领域。工业制冷系统作为制冷技术的重要发展和应用，其在保障工业生产和产品品质中有着重要功用。但由于自动化水平低、设备运行不高效和运营管理不到位等诸多原因，系统整体运行效率不高、能源消耗巨大。在目前“碳达峰，碳中和”的节能降碳政策驱动下，如何有效开展制冷系统的节能降碳工作日益受到工业企业的关注。

请参见图1，图1示出了现有技术中的一种工业制冷系统的示意图。如图1所示，该工业制冷系统包括制冷机组、冷冻水回路和循环冷却水回路。其中，制冷机作为工业制冷系统的主要制冷设备，其主要由蒸发器、冷凝器、压缩机和节流装置(例如，膨胀阀等)这四大部件组成，同时还包含一些计量监测附属控件；冷冻水回路中的冷冻水泵负责输送经制冷机的蒸发器制冷后的冷冻水给到末端用冷用户(例如，换热器、空调等)，并且整个回路主要包括冷冻水泵、换热设备、管网阀门、计量仪表及电气管线设施等；循环冷却水回路主要由循环水泵(也可称为冷却水泵)、冷却塔及风机、冷却塔底水池和管网阀门等组成，循环水泵输送的冷却水(或者循环水)用于冷却制冷机冷凝器中的制冷机，其回流至冷却塔降温后循环使用。

此外，从工业制冷系统的全局分析，目前该工业制冷系统主要有以下两大方面问题：

现在多数工厂对工业制冷系统的控制方式依然以手动操作为主，即由技术人员根据前述总结得到的经验，操作系统中的各个装置设备。由于缺少自动控制手段，人工运维操作强度较大，而且人工调节存在较大的滞后性，无形之中就会出现系统用能浪费的情况。因此，该工业制冷系统存在着运行不智能的问题；

许多现存和新建的工业制冷系统，通常设计裕量过大、设备选配能力过剩，设备装置实际运行负荷未能达到设计所期望的负荷，造成“大马拉小车”的失衡状态。加上对水量、流速等控制缺乏判断依据，泵、风机等设备机组长期偏离最佳操作工况，运行效率不高。另外，缺少部分监测计量仪表，无法获取相应数据支撑系统问题的全面分析诊断，难以支撑系统精细化运营管理，导致系统运行能效水平较低。因此，该工业制冷系统还存在着能效水平较低的问题。

针对上述问题，目前，很多工业制冷系统的节能方法主要是从自动化提升以及能效提升入手，但多以系统局部优化为主，未考虑系统整体优化。例如，采用简单的控制策略实现局部设备的自动化运行(如风机启停采用冷却水出水温度控制和制冷机内部运行采用冷冻水出水温度控制等)；采用变频改造和切削叶轮等方式提高水泵或风机的运行效率等。

然而，虽然上述自动化的提升以及设备能效的提升在一定程度上可以提升系统整体能效，但由于工业制冷系统的耗能设备多样(例如，其主要包括制冷机组、循环水泵、冷冻水泵和冷却塔风机)，运行参数众多，相互之间有着复杂的联系，局部设备的能效最高并不意味着整个系统的运行能耗最低，故现有的工业制冷系统至少存在着节能效果比较差的问题。

基于此，本申请巧妙地提出了一种适用于工业制冷系统的节能优化方案，首先可搭建基于分散控制(Distributed Control System，DCS)系统的数据采集网络与过程控制网络，其可为上层节能优化应用打下数据和控制基础，主要包括完善系统监测仪表以及执行器件，并通讯至数据采集网络，实现数据集成展示。以及搭建过程控制网络，其可为制冷相关设备启/停控制、各设备之间的联动和连锁保护等提供控制基础。随后，可在已完善的数据采集及控制网络基础上搭建制冷群控优化模块(例如，其可为制冷群控优化软件等)，该制冷群控优化搭载运营数据管理模块和节能优化控制模块，运营数据管理模块以统计报表、能效分析和异常报警功能支持制冷系统的精细化管理，以及节能优化控制模块通过多变量控制模型算法，以能效最高为目标进行系统全局寻优，并往过程控制系统下达优化指令，为系统高效、节能运行赋能。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了便于理解本申请实施例，下面对本申请实施例涉及的一些术语进行解释如下：

“逼近度”：它是指冷却塔出水温度与进塔空气湿球温度的差值；

“制冷机能效比COP(coefficient ofperformance)”：它是指在制冷机制冷时，制冷量与输入功率的比率。能效比越大，节省的电能就越多。

请参见图2，图2示出了本申请实施例提供的一种工业制冷系统的优化控制系统的示意图。如图2所示，该优化控制系统包括仪表设备层和工程控制层。

其中，仪表设备层主要包含工业制冷系统的耗能设备(例如，制冷机、冷冻水泵、循环水泵和冷却塔风机等)以及自动化仪表器件(例如，温度计、流量表、压力表、冷量表、电能表、调节阀、变频器及相关水质检测仪表等)，从而可为系统控制及管理提供数据支撑；工程控制层可包括DCS控制模块及制冷群控优化模块，DCS控制模块(也可称为DCS控制系统)通过预设通信接口(例如，RS485通讯接口等)及其预设协议(例如，Modbus协议)获取仪表设备层的数据信息(例如，温度、压力和用电量等)，并为制冷相关设备的启动和停止的控制、各设备之间的联动和连锁保护等提供控制基础。以及，制冷群控优化模块可包括运营数据管理模块和节能优化控制模块，该运营数据管理模块可以统计报表、对比分析和异常报警等功能支持工业制冷系统的精细化管理；节能优化控制模块可通过多变量控制模型算法，以能效最高为目标进行系统全局寻优，并下达优化指令至DCS控制模块执行，为系统高效、节能运行赋能。

在上述工业制冷系统的基础上，首先可对工业制冷系统增加远传监测仪表、电动阀和变频器等自动化仪表硬件，为系统打造数据采集和自控基础。然后可搭建安全稳定的DCS控制模块对工业制冷系统的相关设备进行分散控制和集中监控，从而可实现工业制冷系统设备一体化集中监控。由于DCS控制模块只能进行简单的控制，其控制设置值不能追随工况变化自动调整，如人工不干预的话，工业制冷系统难以持续在最高效的区间运行。故可在DCS控制模块之上可搭建一套搭载运营数据管理模块和节能优化控制模块的制冷群控优化模块，一方面为系统日常管理调控提供数据分析支撑，另一方面通过模型算法自动输出最佳控制设置值，实现系统智能、高效运行。

应理解，自动化仪表器件的监测点及其具体设备等均可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，为了满足工业制冷系统的管理与控制需求，需配备的计量监测点位主要包括大气温湿度及压力、冷却水流量、压力、供回水温度、冷冻水流量、压力、供回水温度和各耗能设备的用电量等。以及，涉及到的监测仪表可包括流量计、温度计、压力表、电能表以及水质监测仪表(例如，pH计、电导率仪、硬度仪和浊度仪等)。以及，监测仪表可根据现场实际情况进行新增选型或替换升级，均需具备数据传输功能，并能满足控制精度要求。

此外，当系统负荷波动较大且风机和水泵均为工频运行时，可对风机和水泵进行变频改造控制，从而更大限度地发挥节能空间。

还应理解，DCS控制模块的搭建及其具体功能也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，搭建DCS控制模块可对工业制冷系统设备进行分散控制和集中管理，以实现数据采集及远程监控功能，其主要可包括：外部环境参数(例如，大气环境温、湿度、气压等)；冷却水水质相关的pH、硬度、浊度、氯离子和溶解氧等；末端冷冻水支路供水温度、回水温度、用冷量、调节阀开关及开度反馈；制冷机冷冻水供水管供水温度和供冷量、调节阀开关及开度反馈以及回水管回水温度；冷却塔的冷却水供回水温度、流量、压力；制冷机组内部运行状态(例如，蒸发压力、冷凝压力、排气温度等)、故障报警以及启停控制；冷却塔风机频率反馈，手动/自动开关状态、运行状态监测，故障报警以及启停控制、变频调节；循环水泵、冷冻水泵的频率反馈，手动/自动开关状态、运行状态监测，故障报警以及启停控制、变频调节。

还应理解，运营数据管理模块的具体应用和节能优化控制模块的具体应用等均可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，运营数据管理模块围绕系统日常运营精细化展开，通过对与系统能源效率息息相关的环境参数、运行参数、节水指标(例如，浓缩倍数、补水率等)和节电指标(例如，制冷机COP、风机泵组能效等)的持续收集、统计、分析和比对，支撑异常工况识别和节能潜力挖掘。节能优化控制模块在DCS基础控制的基础上，利用设备能效模型及制冷群控优化模型计算最优控制参数，进而将优化结果反馈给DCS控制模块执行，达到系统总能耗最低目标。

对于运营数据管理模块来说，以统计报表、能效分析和异常报警支撑制冷系统精细化管理。其中，统计报表的功能可通过饼图、柱状图和折线图等可视化方式展现各设备及整个系统的用能情况。例如，运营数据管理模块可获取工业制冷系统的各个耗能设备的用电量，并基于各个耗能设备的用电量，构建用能报表；能效分析可通过收集设备运行参数，以软件后台搭载的设备能效模型开展制冷机组COP和风机泵组能效分析，并与能效基准库(例如，国标和地标等标准或企业历史最佳能效水平)进行比对，识别设备能效水平；异常报警可将计算分析对比后的异常数据推送至系统管理操作者及时处理，避免能源浪费。

对于节能优化控制模块来说，由于人工方式很难自行调整设定控制变量(例如，冷冻水供水温度、供回水温差和冷却水出水温度逼近度等)，使工业制冷系统全局运行能效最优(传统的局部控制策略如制冷机采用冷冻水供水温度或回水温度控制、水泵运行采用供回水温差控制、冷却塔风机运行根据冷却水出水温度逼近度控制)。此外，该节能优化控制模块可通过构建多控制变量与系统整体能效的关系模型，以系统整体能效最高为目标，全局寻优输出目标条件下的最优控制变量。

因此，借助于上述技术方案，本申请实施例可实现工业制冷系统的一体化监控，结合运营管理数据分析，支撑制冷系统精细化管控，减少无形的能源消耗和浪费。

以及，本申请实施例还可通过节能优化控制模块，以系统整体能耗最低为目标进行全局操作寻优，输出最优控制变量，使整个制冷系统控制在最高效区间运行。

为了便于理解节能优化控制模块的具体优化方法，可通过图3所示的方法来进行描述，具体地：

请参见图3，图3示出了本申请实施例提供的一种适用于工业制冷系统的节能优化方法的流程图。如图3所示的节能优化方法包括：

步骤S310，选取可控制变量。其中，可控制变量可以是使目标最优化的输入参数。

应理解，在制冷系统中，可依据现场实际选取合适的可控制变量，即可控制变量的具体变量可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，可控制变量可包括每个制冷机的供冷冻水流量、制冷机供回水温差、每个制冷机的供水温度、每个制冷机的冷却水进水温度、每个冷冻水泵的输送流量、每个循环水泵的输送流量和冷却塔风机的风量等。

步骤S320，以工业制冷系统的总能效最高为目标，构建包括可控制变量的目标函数。其中，目标函数是系统运行状态的数学表达式，并且它可用于评估系统能耗对所选控制变量的响应。

应理解，目标函数的具体函数也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

为了便于理解步骤S320，下面通过具体的实施例来进行描述。

具体地，为达到整个工业制冷系统的节能效果，以系统总能效最高(即运行总能耗最低)为目标，建立如下能源优化的目标函数：

其中，Max·E_total表示工业制冷系统的总能效的最大值；Q_refri表示工业制冷系统的总制冷量；n表示制冷机的总个数；P_chiller,i表示第i个制冷机的运行功率，单位可以为kW；m表示冷冻水泵的总个数；P_chwpump,i表示第i个冷冻水泵的运行功率，单位可以为kW；y表示循环水泵的总个数；P_cwpump,i表示第i个循环水泵的运行功率，单位可以为kW；z表示冷却塔风机的总个数；P_fan,i表示第i个冷却塔风机的运行功率，单位可以为kW；i表示设备编号。

以及，循环水泵的功率和冷却塔风机的功率均与流量(或者风量)有关，制冷机的能效系数COP与制冷机的制冷量、制冷机的供水温度和制冷机的冷却水进水温度相关，可采用数据驱动模型进行计算。根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，分别建立制冷机、冷冻水泵、循环水泵和冷却塔风机与关联变量的功率模型如下：

COP_chiller,i＝a_chiller,i*Q_chiller,i+b_chiller,i*T_chiller,i+c_chiller,i*W_chiller,i；

P_chwpump,i＝a_chwpump,i*V_chwpump,i+b_chwpump,i；

P_cwpump,i＝a_cwpump,i*V_cwpump,i+b_cwpump,i；

P_fan,i＝a_fan,i*V_fan,i+b_fan,i

其中，Q_chiller,i表示第i个制冷机的制冷量，单位可以为kW；V_chiller,i表示第i个制冷机的供冷冻水流量，单位可以为m³/h；ρ₁表示冷冻水密度，单位可以为kg/m³；deltachw表示制冷机供回水温差，单位可以为℃；COP_chiller,i表示第i个制冷机的能效系数；a_chiller,i表示第i个制冷机对应的第一系数；b_chiller,i表示第i个制冷机对应的第二系数；T_chiller,i表示第i个制冷机的供水温度，单位可以为℃；c_chiller,i表示第i个制冷机对应第三系数；W_chiller,i表示第i个制冷机的冷却水进水温度，单位可以为℃；a_chwpumpo,i表示第i个冷冻水泵对应的第四系数；V_chwpump,i表示第i个冷冻水泵的输送流量，单位可以为m³/h；b_chwpump,i表示第i个冷冻水泵对应的第五系数；a_cwpump,i表示第i个循环水泵对应的第六系数；V_cwpump,i表示第i个循环水泵的输送流量，单位可以为m³/h；b_cwpump,i表示第i个循环水泵对应的第七系数；a_fan,i表示第i个冷却塔风机对应的第八系数；V_fan,i表示第i个冷却塔风机的风量，单位可以为m³/h；b_fan,i表示第i个冷却塔风机对应的第九系数。

还应理解，第一系数的具体系数、第二系数的具体系数、第三系数的具体系数、第四系数的具体系数、第五系数的具体系数、第六系数的具体系数、第七系数的具体系数、第八系数的具体系数和第九系数的具体系数均可通过预设方法获取。

例如，对于第四系数和第五系数来说，可获取当前冷冻水泵的运行功率的多个历史数据和当前冷冻水泵的多个输送流量，并可将多个历史数据和多个输送流量描述在二维的坐标系中，随后可模拟该二维坐标系的一条直线，以便所有的点都在该直线附近，随后可基于该直线，求取第四系数和第五系数。

步骤S330，确定目标函数的约束条件。

应理解，约束条件所包含的条件可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，工业制冷系统的节能优化控制是一个典型的约束优化问题，因为在系统运行过程中，各环节的设备运行参数相互制约和影响。因此需要综合考虑影响制冷系统能耗的因素，在合理的约束条件下求解目标函数的最优值。基本的约束条件包括物料和能量平衡约束、满足用冷需求约束、控制变量安全范围约束，装置效率约束等，包括但不限于如下部分：所有制冷机的供冷冻水的总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系；安装有冷却塔风机的冷却塔(其中，每个冷却塔可安装有至少一个冷却塔风机)的供冷却水总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系；冷却塔的进出塔空气带走的热量和冷却塔的总换热量之间的平衡关系；冷却塔的总换热量大于等于所有制冷机的冷冻水的制冷量及其功率之和；所有制冷机的总制冷量大于等于工业制冷系统的末端用冷用户的需求；流经冷却塔、循环水泵、制冷机和冷冻水泵的介质流量在预设范围内；工业制冷系统中任意一个设备的运行功率小于等于其对应的额定功率(即设备应控制在高效区运行，否则会影响设备运行寿命、增加运行能耗)。

其中，所有制冷机的供冷冻水的总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系的约束公式如下：

以及，冷却塔的供冷却水总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系的约束公式如下：

∑V_cwtower＝∑V_cwpump；

式中，V_cwtower可表示冷却塔的供冷却水流量；V_cwpump可表示循环水泵的输送流量。

以及，可依据工业制冷系统所在地区的大气湿度H和大气温度T，可确定湿球温度T_wet＝f(T,H)。以及，依据冷却塔的供回水温差deltacw，可确定冷却塔的进塔空气的焓值h_in和冷却塔的出塔空气的焓值h_out，具体如下：

h_in＝f(T_wet,H)；

式中，k表示与湿球温度相关的热量系数。

以及，冷却塔的总换热量为：

其中，V_cwtower表示冷却塔的供冷却水总流量；ρ₂表示冷却水密度。

以及，冷却塔进出塔空气带走的热量理论上与冷却塔总换热量平衡关系的约束公式如下：

其中，ρ₃表示进塔空气密度。

以及，冷却塔总换热量大于等于所有制冷机冷冻水制冷量与功率之和，否则不能满足制冷机组换热需求：

Q_cw＝∑(P_chiller,i+Q_chiller,i)；

以及，制冷机组总制冷量不应小于末端用冷用户需求Q_need，否则不能满足末端正常生产：

∑Q_chiller,i＝Q_need；

以及，流经冷却塔、循环水泵、制冷机组、冷冻水泵的介质流量V必须在正常范围内，否则影响设备的正常运行：

V_min≤V≤V_max；

以及，设备应控制在高效区运行，否则会影响设备运行寿命、增加运行能耗：

式中，η_min表示预设的系数；P_i表示工业系统中任意一个设备的实际功率；P_额定表示工业系统中任意一个设备的额定功率。

步骤S340，基于约束条件对目标函数进行求解，以获取在约束条件下目标函数的最优解。其中，最优解用于对工业制冷系统进行节能优化控制。

具体地，结合选取的可控制变量，通过多控制变量与系统整体能效的关系模型，采用非线性规划法在约束范围内全局寻优，求解得到目标函数的最优解(即使目标最优化的可控制变量)。其中，最优解可包括每个制冷机的最优化的供冷冻水流量、制冷机的最优化的供回水温差、每个制冷机的最优化的供水温度、每个制冷机的最优化的冷却水进水温度、每个冷冻水泵的最优化的输送流量、每个循环水泵的最优化的输送流量和冷却塔风机的最优化的风量。

以及，以及待节能优化控制模块求解到最优解后，并可将该最优解回写至DCS控制模块中重新设定控制目标值，由DCS控制模块对各设备与运行参数进行优化调控，最大限度地提升运行能效。

这里需要说明的是，DCS控制模块对仪表设备层进行群控(即可同时控制多个耗能设备)，相比于现有的局部设备控制，其能够到达更好的节能效果。

这里还需要说明的是，虽然上面是以采用非线性规划法进行全局寻优来描述的，但本领域的技术人员应当理解，还可通过其他方法来实现全局寻优。

因此，借助于上述技术方案，本申请实施例以系统整体能耗最低为目标进行全局操作寻优，输出最优控制变量，使整个制冷系统控制在最高效区间运行。

应理解，上述节能优化方法仅是示例性的，本领域技术人员根据上述的方法可以进行各种变形，该变形之后的方案也属于本申请的保护范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种适用于工业制冷系统的节能优化方法，其特征在于，包括：

以所述工业制冷系统的总能效最高为目标，构建目标函数；

确定所述目标函数的约束条件；

基于所述约束条件对所述目标函数进行求解，以获取在所述约束条件下所述目标函数的最优解；其中，所述最优解用于对所述工业制冷系统进行节能优化控制。

2.根据权利要求1所述的节能优化方法，其特征在于，所述工业制冷系统包括制冷机、冷冻水泵、循环水泵和冷却塔风机；

其中，所述目标函数为：

COP_chiller,i＝a_chiller,i*Q_chiller,i+b_chiller,i*T_chiller,i+c_chiller,i*W_chiller,i；

P_chwpump,i＝a_chwpump,i*V_chwpump,i+b_chwpump,i；

P_cwpump,i＝a_cwpump,i*V_cwpump,i+b_cwpump,i；

P_fan,i＝a_fan,i*V_fan,i+b_fan,i

其中，Max·E_total表示所述工业制冷系统的总能效的最大值；Q_refri表示所述工业制冷系统的总制冷量；n表示所述制冷机的总个数；P_chiller,i表示第i个制冷机的运行功率；m表示所述冷冻水泵的总个数；P_chwpump,i表示第i个冷冻水泵的运行功率；y表示所述循环水泵的总个数；P_cwpump,i表示第i个循环水泵的运行功率；z表示所述冷却塔风机的总个数；P_fan,i表示第i个冷却塔风机的运行功率；Q_chiller,i表示所述第i个制冷机的制冷量；V_chiller,i表示所述第i个制冷机的供冷冻水流量；ρ₁表示冷冻水密度；deltachw表示制冷机供回水温差；COP_chiller,i表示所述第i个制冷机的能效系数；a_chiller,i表示所述第i个制冷机对应的第一系数；b_chiller,i表示所述第i个制冷机对应的第二系数；T_chiller,i表示所述第i个制冷机的供水温度；c_chiller,i表示所述第i个制冷机对应第三系数；W_chiller,i表示所述第i个制冷机的冷却水进水温度；a_chwpumpo,i表示所述第i个冷冻水泵对应的第四系数；V_chwpump,i表示所述第i个冷冻水泵的输送流量；b_chwpump,i表示所述第i个冷冻水泵对应的第五系数；a_cwpump,i表示所述第i个循环水泵对应的第六系数；V_cwpump,i表示所述第i个循环水泵的输送流量；b_cwpump,i表示所述第i个循环水泵对应的第七系数；a_fan,i表示所述第i个冷却塔风机对应的第八系数；V_fan,i表示所述第i个冷却塔风机的风量；b_fan,i表示所述第i个冷却塔风机对应的第九系数。

3.根据权利要求2所述的节能优化方法，其特征在于，所述约束条件包括：所有制冷机的供冷冻水的总流量和所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系；安装有所述冷却塔风机的冷却塔的供冷却水总流量和所述所有循环水泵的总输送流量之间的平衡关系；所述冷却塔的进出塔空气带走的热量和所述冷却塔的总换热量之间的平衡关系；所述冷却塔的总换热量大于等于所述所有制冷机的冷冻水的制冷量及其功率之和；所述所有制冷机的总制冷量大于等于所述工业制冷系统的末端用冷用户的需求；流经所述冷却塔、所述循环水泵、所述制冷机和所述冷冻水泵的介质流量在预设范围内；所述工业制冷系统中任意一个设备的运行功率小于等于其对应的额定功率。

4.根据权利要求3所述的节能优化方法，其特征在于，所述冷却塔的进出塔空气带走的热量和所述冷却塔的总换热量之间的平衡关系的确定过程，包括：

根据所述工业制冷系统所在地区的大气温湿度，确定湿球温度；

根据所述湿球温度和所述制冷机供回水温差，分别确定所述冷却塔的进塔空气的焓值和所述冷却塔的出塔空气的焓值；

基于所述冷却塔的进塔空气的焓值和所述冷却塔的出塔空气的焓值，确定所述冷却塔的进出塔空气带走的热量和所述冷却塔的总换热量之间的平衡关系。

5.根据权利要求4所述的节能优化方法，其特征在于，所述冷却塔的进塔空气的焓值的约束公式为：

h_in＝f(T_wet,H)；

其中，h_in表示所述冷却塔的进塔空气的焓值；T_wet表示所述湿球温度；H表示大气湿度。

6.根据权利要求5所述的节能优化方法，其特征在于，所述冷却塔的出塔空气的焓值的约束公式为：

其中，h_out表示所述冷却塔的出塔空气的焓值；deltacw表示所述冷却塔的供回水温差；k表示与所述湿球温度相关的热量系数。

7.根据权利要求6所述的节能优化方法，其特征在于，所述冷却塔的进出塔空气带走的热量和所述冷却塔的总换热量之间的平衡关系如下：

其中，ρ₃表示进塔空气密度；Q_cw表示所述冷却塔的总换热量。

8.根据权利要求7所述的节能优化方法，其特征在于，所述冷却塔的总换热量的约束公式如下：

其中，V_cwtower表示所述冷却塔的供冷却水总流量；ρ₂表示冷却水密度。

9.根据权利要求1所述的节能优化方法，其特征在于，所述最优解包括每个所述制冷机的供冷冻水流量、所述制冷机供回水温差、每个所述制冷机的供水温度、每个所述制冷机的冷却水进水温度、每个所述冷冻水泵的输送流量、每个所述循环水泵的输送流量和所述冷却塔风机的风量。

10.一种工业制冷系统的优化控制系统，其特征在于，包括：

群冷优化模块，所述群冷优化模块包括运营数据管理模块和节能优化控制模块，并且所述节能优化控制模块用于获取目标函数的最优解；

其中，所述目标函数的最优解是通过如权利要求1至9任一所述的节能优化方法获取的；

DCS控制模块，用于基于所述最优解，对所述工业制冷系统进行节能优化控制。

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