CN118426525A - 一种多泵循环水系统的控制方法、装置、介质及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种多泵循环水系统的控制方法，包括，建立循环冷却水系统模型，系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；决策层获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；获取泵的运行流量控制范围；获取运行寿命期望，通过预期寿命获取稳定区间；决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。本发明的实施对于提高循环冷却水系统的运行效率和设备使用寿命具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种多泵循环水系统的控制方法、装置、介质及计算机设备，属于冷却设备控制技术领域。
背景技术
目前，热电厂的发电过程中，对循环冷却水系统的使用是非常普遍的，在运行中的费用消耗，一般包括设备的电力损耗，设备的维修保养费用、设备损坏的更换费用。
然而现在使用的节能降耗的管理系统中，仅仅考虑降低用电费用来实现节能降耗，经过长时间的运行，虽然通过运行的控制可以实现一定的节能降耗的目的。通过统计发现，虽然运行的电费相比未采用控制系统时，有较大幅度的降低，但是设备运行的工况并没有在现有系统的控制方案中考虑进去，造成部分设备长期不间断运行，部分设备闲置
长期运行设备损耗大，并且不能得到及时的保养，严重的造成直接报废；而长期闲置设备出现锈蚀、漏液等问题，使得设备使用时也不能达到很好工况，有的严重也会造成报废。
同时长期运行设备突然出现故障，闲置设备又不能达到满工况运行，就会造成生产的效能减低或运行费用大幅上升，严重的情况会造成设备停工停产。
由于热电厂使用的循环冷却水设备多为多泵运行，按照最大运行功率需求设定开多备一的设定，冷却塔的喷淋水和风机一般也是同样的配置方法。
再考虑到实际的使用工况和设备配置情况，亟需一种同时考虑设备的运行工况和运行功耗的控制方法，对设备进行控制，力图达到在节能降耗的基础上使维修保养费用也得到控制和降低，这样才是真正的节能降耗、可持续生产。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多泵循环水系统的控制方法、装置、介质及计算机设备。
根据本发明的实施方案，提供第一个方案为：
一种多泵循环水系统的控制方法，包括如下步骤：
建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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结构的镜像，所述循环冷却水系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；
决策层获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取泵的运行流量控制范围；
获取运行寿命期望，通过预期寿命获取稳定区间；
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
进一步地，包括：
获取恒压控制方案，通过系统恒压条件下调速比α与流量的关系计算调速比，限定泵的优势调速比的下限为上限为1；
所述H恒为恒压扬程，H闭为阀门全部关闭时对应的扬程。
进一步地，包括：
在优势调速比范围内，利用模型中泵的特性曲线获取泵的亚稳定运行区间；
通过恒压控制计算，获取控制流量的范围和节点；
实时监测泵的运行状态调整在稳定区间和亚稳定区间内；
泵的稳定区间和亚稳定区间对应的流量为，
亚稳定区间上线流量QRR为工频流量QC,
亚稳定区间下线流量QLL为调速比为αmin，取值为时的流量；
稳定区间的上限流量和下线流量分别为QL、QR，是稳定运行区间对应运行频率上下限对应的流量，
QL、QR限定稳定间，定义为第一运行区间；
QL、与QLL、QR与QRR限定的亚稳定区间，定义为第二运行区间。
进一步地，泵组运行的限制条件为，每个泵的流量相同；
控制条件受到水泵变频恒压运行时其Q～N曲线的限定，
N(Q)＝B0+B1Q+B2Q2；
B0、B1、B2为拟合常数；
约束条件为：
目标函数为：
构造拉格朗日函数,λ为拉格朗日乘数：
当且仅当同时满足下式时，
目标函数满足取得极值的必要条件，解得：Q1＝Q2＝Q3＝……＝QM＝Q/M。
进一步地，当M-1台向M台切换，增加泵数的条件定义为流量增加到MAX[MQLL,(M-1)QRR]；
当M台向M-1台切换，减少泵数的条件定义为流量减少到MIN[MQLL,(M-1)QRR]；
M≥2。
进一步地，增加泵数条件为流量增加到MAX[MQL,(M-1)QRR]，
减少泵数条件为流量减少到MIN[MQLL,(M-1)QR]。
进一步地，通过聚类分析预测未来一定时间设备的运行状态，进行运行设备增减决策，
具体方法为，
当达到增减运行设备的条件时，
首先判断未来一个设定的时间段内是否会出现返回当前运行状态的预测判断；如果短时间内不会恢复则进行增减泵操作，否则进行如下判断；
判断是否有超过第一时长的设备，如果是，则进行增加设备操作，
如果没有超过第一时长的设备则判断调整时间间隔，如果调整间隔超过设定的阈值，则直接按照模型参数进行调整运行增减泵操作；
当调整的时间间隔没有超过设定的时间间隔时，判断现有运行设备是否可运行于第二区间，如果可以运行在第二区间内，则进行增减设备运行总费用比较，如果调整有效则进行调整，否则维持运行，即在第二区间运行；
调整有效的条件为增减泵方案运行总费用相比维持现有运行设备的运行方案减低超过2％。
进一步地，费用计算公式为，
式中：
F为总费用；
i为水泵编号,i＝1,2,3,……,N；
f为当前时段的电单价；
t1为开始增减泵的起始时间；
t2为恢复到增减泵前的泵数的时间；
Si为第i台设备的启停状况，为0时是未启动，为1时是启动；
Ni(Qi)为第i台设备Qi时的流量为设备功率；
Gi为第i台设备的是否处于稳定区，为0时是处于稳定区或未运行，为1时处于亚稳定区；
ωi为第i台设备处于非稳定区运行时的维修保养增加的费用。
根据本发明的实施方案，利用本发明提供的第一个方案中的XXXX，提供第二个方案为：
一种多泵循环水系统，包括：
设备层、控制层和决策层；
决策层是系统的核心层，其中设有信息处理模块及模型模拟优化模块和历史运行数据库；
历史运行数据包括，设备层各机构的历史运行参数和运行数据、环境参数、天气数据；
信息处理模块对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模型所用，便于存储、查找、显示；
在决策层中建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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。
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；
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，模型的模拟优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用，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；
使设备层的设备运行在高效区的同时尽可能的运行在设备的稳定运行区间，确保设备的稳定高效运行，延长设备的使用寿命；
控制层中的控制单元根据最优控制参数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；
设备层，包括设备和采集单元，运行设备接收控制层的指令，按照指令进行运行；采集单元采集循环冷却水系统各个组件的实时运行参数、环境参数、天气情况和天气预报的信息。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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结构的镜像，所述循环冷却水系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；
决策层获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取泵的运行流量控制范围；
获取运行寿命期望，通过预期寿命获取稳定区间；
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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结构的镜像，所述循环冷却水系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；
决策层获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取泵的运行流量控制范围；
获取运行寿命期望，通过预期寿命获取稳定区间；
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案独权的有益效果。
1、综合考虑了设备运行的综合功耗和运行状态的稳定性，使得综合期望得到平衡，优化控制参数可以降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用，从而减少企业的运营成本；
2、本系统的控制方案适用于各种工业循环冷却水系统，能够实现系统的持续稳定的节能经济运行，方案的通用性较强；
3、通过数字孪生技术，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；
4、本控制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，并能保持设备的稳定高效运行，实时监测和优化调整，确保设备在高效区运行，提高循环冷却水系统的整体运行效率；
5、确保设备稳定高效运行，并使其尽可能地运行在设备的稳定运行区间，有助于延长设备的使用寿命，通过预测未来设备的运行状态，根据实际需要进行运行设备的增减，使系统能够灵活应对运行条件的变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
其中：
图1为一个实施例中多泵循环水系统的控制方法的流程图；
图2为一个实施例中泵在不同流量比率下的特征寿命曲线和对应影响寿命的异常情况图；
图3为一个实施例中泵在多泵循环水系统中效率随流量的变化情况；
图4为一个实施例中泵的运行区间划分图；
图5为一个实施例中泵组的高效运行区间图；
图6为一个实施例中天气和环境与冷却效果的预测模型结构示意图；
图7为一个实施例中预测模型的训练和预测流程图；
图8为一个实施例中运行中设备增减的判断流程图；
图9为一个实施例中多泵循环水系统装置的结构框图；
图10为一个实施例中计算机设备的结构框图。
附图标记：
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
循环冷却水系统中换热功效基本是固定的，根据进出口水的温度自动计算所需的循环水的用量已经有了较多的经验，调整的方案也就较为丰富。本发明主要针对循环冷却水的动力类运行设备的运行控制进行优化，在满足换热的流量要求下，提高泵或风机的运行效率，节能增效，同时针对现有的控制系统中的一些盲区进行了控制优化。
在控制的节能方面进行进一步优化的同时考虑设备的运行工况和运行寿命的因素，对运行的时间、工况切换、泵组的运行泵数的控制调节、泵的切换选择逻辑进行优化。
在考虑到切换泵的条件触发时，可能会出现短时间内泵数频繁调整或者调整的时间较短就会出现反向调整的问题，我们进行了针对天气条件对散热的影响和未来时间段内的环境温度、气压、风力等的聚类分析。
在设备的运行状态调整的控制上，虑到设计参数和运行工况的匹配问题，通过人工的经验调整肯定是不可能做到很好的优化的，所以需要对运行状态进行建模分析、建立统一的可预测模型对运行工况进行实时检测和分析、比对，针对运行的条件变化和气象情况以及运行设备的自身参数性能，进行综合的分析和运行方案设计。
同时考虑环境因素、自身性能参数、运行费用、设备寿命和运行维护的费用等综合多种影响变量，最终确定多目标最优的控制方法对多泵循环水系统进行控制。以满足当下节能减排、高质、可持续发展的生产目标。
基于上述面临的技术不足提出了解决方案，首选对多泵循环水系统进行了数字建模，并通过建模对运行状态进行分析用以确定优化的控制方法。
同时将优化的控制方案与数字模型进行结合建立了控制中心，统一对多泵循环水系统进行运行状态的监测和调控，采用的方式为实时监测设备的运行状态，与建立的模型生成的运行参数模型进行对比分析，通过设定的判据或者切换调整条件针对运行状态进行调整控制，已达到优化的运行状态，实现节能降耗和高质量运行等多目标的平衡。
实施例一
建立一种多泵循环水系统，包括设备层、控制层和决策层；
决策层是系统的核心层，其中设有信息处理模块及模型模拟优化模块和历史运行数据库。
历史运行数据包括，设备层各机构的历史运行参数和运行数据、环境参数、天气数据。
信息处理模块对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模型所用，便于存储、查找、显示。
在决策层中建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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。
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。
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。模型的模拟优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用，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。
使设备层的设备运行在高效区的同时尽可能的运行在设备的稳定运行区间，确保设备的稳定高效运行，延长设备的使用寿命。
控制层中的控制单元根据最优控制参数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。
设备层，包括设备和采集单元，运行设备接收控制层的指令，按照指令进行运行；采集单元采集循环冷却水系统各个组件的实时运行参数、环境参数、天气情况和天气预报的信息。
循环冷却水节能系统运行时的主要步骤如下：
第一，通过设备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，将得到的信号传输给决策层；
第二，信号经信息处理模块处理后送至循环冷却水系统的模型；
第三，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向设备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。
实施例二
由于热电厂的循环冷却水系统，设备都采用“开多备一”的配置策略，目的是为了减低设备的故障风险。同时为了利于检修和降低备件的数量，一般均采用相同型号的泵。
现在以循环冷却水系的水泵为例进行控制方法的说明，“开多备一”的开多指运行泵，运行泵的数量是满足设备运行最大功率要求的最少泵数，实际的开启数量根据实际的设备运行负荷可以进行调控；备一是指，备用一台备用泵。
但是正是由于这样的配置并且现有的控制系统中进按照预设的流量需求与泵的运行数量和运行频率之间的设定进行调控，这样就造成了一般有一台设备始终保持运行直至强制保养期或者出现损坏才会被替换，这样并不能充分发挥设备的使用寿命，甚至会造成使用寿命的缩短，而且设备的运行时间按长短不一，在达到设备的报废周期时有的设备并没有运行多少时间。备用设备经常因为长时间的放置，造成了锈蚀、漏液等问题。
因此本发明通过建立一个新的多泵循环水系统的控制方法，控制设备的各个运行机构，运行在高效区间的同时还充分考虑到运行在相对稳定的运行区间，并且对设备的运行时间进行监控，通过设定合理的切换逻辑和优化的切换判据，充分发挥各个设备的使用寿命保障设备的平稳高效运行。
循环泵的相关参数，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。对厂家给出的循环泵的流量扬程效率特性采用最小二乘多项式进行拟合。
首先，对Q～H、Q～N、Q～η特性曲线进行不同阶数的多项式拟合建立模型的计算依据；通过对多项式进行多阶拟合并对不同阶数的多项式进行比较，选取拟合程度高于99.5％的最低阶数多项式作为模型选用的拟合多项式，选取结果为：
H(Q)＝A0+A1Q+A2Q2；
N(Q)＝B0+B1Q+B2Q2；
η(Q)＝C0+C1Q+C2Q2+C3Q3；
H为水泵扬程,m；
Q为水泵流量,m3/h；
N为水泵运行功率,kW；
η为水泵运行效率,％；
A0、A1、A2、B0、B1、B2、C0、C1、C2、C3为拟合常数；
模型选用的转速与性能曲线的关系为：
Q1/Q2＝n1/n2；
H1/H2＝(n1/n2)2；
N1/N2＝(n1/n2)3；
n1，n2为水泵的不同转速。
设备层采集的信息包括循环泵的电流、电压、功率因数、转速、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。将实际测数据和模型计算数据进行比较确定了模型中循环泵组件的流量扬程特性和使用的公式，计算不同流量下循环泵的扬程、流量、功率等参数。
针对换热器和冷却塔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。操作方式基本相同就不再重复描述了。
循环冷却水节能系统提供的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和设备损耗、维护费用等，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。具体的多目标优化求解有较多的可选择的计算模型进行选取，例如分层嵌套算法进行求解。
下面将针对建立的控制系统对泵的控制方法进行详细描述。
获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取泵的运行流量控制范围；
获取运行寿命期望，通过预期寿命获取稳定区间；
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
所属泵组之间的组合方式，包括任意2台同时运行组合，任意3台同时运行组合，直至所有泵组的泵都运行的组合；N≥2。
获取运行流量比率范围，和运行稳定区间和亚稳定区间的意义在于，在实际的生产过程中，发现在现有的系统中采用的节能降耗控制方案中，主要通过对水泵的高效控制，冷却塔的风机控制来达到既保证整体循环水系统的冷却效果也能够尽可能的降低设备的运行用电。
但是现有的控制方案中一般的电机控制方案多采用一台泵或风机在工频下运行，当需要更高的流量或风量要求时，单一泵或风机不能满足介入第二泵或风机；当双泵或双风机不能满足时，介入第三个的方式，也有采用全变频技术控制的方式，但不管采用哪种方式都是考虑流量需求作为切换点，并没有考虑到泵组之间的相互影响，也没有考虑到泵的运行状态和运行时间对泵和风机的使用寿命或出现故障的问题。
获取设备运行稳定区和亚稳定区的方法如下，以水泵为例。
如图2所示，给出了汇总历史数据得到的泵在不同流量比率下的特征寿命运行曲线和影响寿命的异常情况。
通过人工设定的设备运行寿命期望，获取泵的流量比率运行区间划分，获得设备运行流量比率，选取泵对应稳定区和亚稳定区的流量范围作为运行范围。
如图3所示，示出了水泵在循环水系统中效率随流量的变化情况。
在获取到流量比率范围后，调取恒压控制方案，通过模型获取泵在不同流量比率的流量和功率数据。
系统恒压条件下调速比α与流量的关系可以用下式表示
H恒＝α2A0+αA1Q+A2Q2；A0、A1、A2为拟合常数；
恒压控制方案即控制固定的扬程，因为设备安装运行后设备的扬程就固定了，一般不会出现变动。
关于调速比的取值，当水泵转速超过额定转速时叶轮可能发生机械性损伤，调速比上限为1。
水泵有着随流量增大扬程逐渐下降的特性，变频运行时其Q～H特性曲线要与恒压线有交点，可以计算出的最小调速比应为
但是经过时间可以得到当水泵的调速比小于0.70后节能的优势就不再明显，所以限定调速比的下限为
所述H恒为恒压扬程，H闭为阀门全部关闭时对应的扬程。
如图3所述，示出了不同调速比下恒压控制方式，流量与功率和效率关系。
曲线O1(1’)，与ON(N’)分别表示水泵高效区左右端点的等效率曲线，a1-a5表示了水泵不同调速比时的Q～H特性曲线，H恒为恒压线，Q～η曲线表示了水泵在工频运行时效率随流量的变化情况。
从图中可以看到，η(Q)水泵变频恒压运行效率曲线的高效区左端点向左移动，同时水泵变频恒压运行时最高效率点和最高效率段也向左移动，这相当于变频恒压运行展宽了水泵的高效区。
通过上述分析可以得知，再考虑到泵在循环水系统中的运行特性限制下，在选取运行寿命较高的流量范围，可以得出如图4所示的，优化后的水泵的运行控制区间图。
通过预期寿命获取稳定区间和亚稳定区件的流量范围，
在优势调速比范围内，利用模型中泵的特性曲线获取泵的亚稳定运行区间；
通过恒压控制计算，获取控制流量的范围和节点；
实时监测泵的运行状态调整在稳定区间和亚稳定区间内；
泵的稳定运行区间和亚稳定运行区间对应的流量为，
亚稳定区间上线流量QRR为工频流量QC,
亚稳定区间下线流量QLL为调速比为αmin，取值为时的流量；
稳定区间的上限流量和下线流量分别为QL、QR，是稳定运行区间对应运行频率上下限对应的流量。
QC为单泵工频流量；也就是最高效率流量，同时也是设备运行寿命最长的工作频率流量。
QL、QR分别表示水泵稳定区的左、右端点，是泵运行高效的同时还是泵的最佳运行状态的区间；QL、QR限定的是泵的高效区稳定间IV区，定义为第一运行区间；
QLL QRR分别表示水泵亚稳定区左、右端点，QL、与QLL、QR与QRR限定的，III和V区为亚稳定区间，定义为第二运行区间；
通常情况下，QLL＜QL＜QR＜QRR。
通常来说水泵的高效区范围要显著宽于其最佳运行的稳定区间的，也就是说水泵的最佳运行稳定分区要比根据效率确定的高效区更严格。
通过上面的方法控制可以使得单泵的运行，确定在一个既高效稳定的运行区间，但是泵组的运行还需要进一步的进行优化。
泵组的运行中涉及到根据多泵循环水系统的流量需求来控制几台泵运行，每台泵的运行状态的选择问题。
通过建立的数字模型进行控制，所需运行的水泵数量为M，用户所需要流量为Q，每台水泵的流量记为Qi，恒压值记为H恒。
控制条件受到水泵变频恒压运行时其Q～N曲线的限定，
N(Q)＝B0+B1Q+B2Q2；
B0、B1、B2为拟合常数；
M台水泵处于运行状态时，对于某一给定的流量Q，必然存在某一流量分配策略使得并联泵组总功率最小，即需要在给定约束条件下求M台水泵的总功率的条件极值。
约束条件为：
目标函数为：
构造拉格朗日函数,λ为拉格朗日乘数：
当且仅当同时满足下式时，
目标函数满足取得极值的必要条件，解得：Q1＝Q2＝Q3＝……＝QM＝Q/M。
通过计算可以得知当多泵运行时，型号相同的泵的运行控制条件为，每个泵的流量相同。
当随着系统所需流量的变化，需要对运行泵数进行调整才能得到最优的运行状态；下面以开三备一的泵组运行为例进行说明。
泵组在保证出口压力恒定的前提下，可以通过调节水泵运行台数或水泵转速来适应流量变化。单泵最右端等效曲线确定的流量为QC，单泵高效区左端点等效率曲线对应流量为QA。设所需流量在QA至3QC范围内变化，绘制出3台同型号水泵并联运行的特性曲线。如图5所示，示出了泵组的高效运行区间。
从图中可以看到，泵组的运行的高效区间在QC/QA>2是会出现重叠区域，且随着QC/QA比值的增大重叠范围增加，对没有重叠的区域定义为对应泵组的高效运行区间，重叠区域为相邻泵组的重叠运行区间。
这样就带来了选择切换点的问题，综合考虑设备运行数量和效率优化的问题，我们肯定极可能提高单泵的运行效率已获得更高的节能效果和是设备尽可能的运行于稳定区间的考虑。同时还可以从图2中看出，低流量区间运行更加不稳定。
增加泵数的切换点的选择依据如下。
当M-1台向M台切换，有两个对应流量MQL和(M-1)QR；M≥2；
当MQLL≤(M-1)QRR，时，两个切换点都可以保障单台泵在高效去运行，尽可能采取流量大的运行区域，选取(M-1)QRR。
当MQLL＞(M-1)QRR，时，
如果选取(M-1)QRR作为切换点，则在切换为M台运行时，单台泵的流量将处于(M-1)QRR至QLL之间，这就会造成运行区间处于非高效区，
如果选取QLL作为切换点，则在切换为M-1台运行时，单台泵的流量将处于M/(M-1)QRR至MQLL之间，同样处于非高效区。考虑到运行效率在非稳定运行状态在小流量区比大流量区更加敏感，选取流量相对较大的MQLL。
综合上述情况，将增加泵数的条件定义为流量增加到MAX[MQLL,(M-1)QRR]；
减少运行泵数的理论与增加泵数的理论一致，均是尽可能保证，运行在高效且稳定的区域，因此将减少泵数的条件定义为流量减少到MIN[MQLL,(M-1)QRR]。
此时，根据水泵Q～H特性曲线和切换工况点等效率曲线可求得调速比。
当然为了更好的保障设备尽可能运行于稳定区间，可以将切换点做进一步的限定。
增加泵数条件为流量增加到MAX[MQL,(M-1)QRR]，
减少泵数条件为流量减少到MIN[MQLL,(M-1)QR]。
风机的运行功率和运行台数的分析建模方式也和水泵的类似，在此不再赘述。
实施例三
图7示出了给予天气和环境状态进行聚类分析预估冷却效果训练和预测流程。
在对设备运行的功率和台数进行优化后，发现即使设备使用的数量的增减建立了一定的切换规范，有效的提高了运行在高效区和稳定区的时长，对设备的长期稳定运行更加有力。
但是发现由于循环水设备运行中还与环境参数和天气状况有非常密切的联系，尤其是对冷却塔的冷却效果的影响。
例如有风天气冷却效果好，但水损失较多；在低温天气冷却效果好，水损失少，对调节风量和水量的需求就少，可以根据具体状态对冷却塔的风机和冷却水泵进行调节，同时由于可以获得较低的冷却水温，所使用的循环水循环水用量就可以减小。
但是如果处于环境或天气条件的变动期或者过渡期，例如白天温度较高，夜间温度较低，在傍晚或清晨，是温度由高到低和由低到高的一个过渡期间，又或者处于阴天，高湿度无风天气，冷区效果就会变差，夜间与白天冷却效果差别变小。
如果处于过渡期或者环境温差变动较大的时间段或环境条件下，会出现设备使用增减频繁地情况，这样就会对设备的使用寿命造成不利影响，同时也会使得循环水系统处于频繁调节的状态。
这就要求我们将天气和环境参数将进行聚类分析预测，已获得对未来一定时间段内结合环境参数和天气状态，通过分析获取未来一定时间段内调整参数和调整频次的预估。
分析当前环境和天气状态下和未来的一段时间天气与环境状态，对冷却效果进行模型计算与分析，预测未来的运行参数和可能出现调整频次。
在现有的循环水调整方式中是根据当前的环境参数和设备运行状态，设定各个设备的运行参数。已经有比较成熟的设备运行参数输出方案。
在现有的控制方案基础上，我们增加了基于环境参数和天气状态的分类预测模型，对未来的天气状态和环境参数进行预测，结合输入现有的设备运行参数输出方案，进行未来一定时间段内的运行参数预测，从而进行运行费用的比较和运行状态的比较。
同时为了保障设备的稳定运行，还设定了设备的单次连续运行时间限制，因为设备长时间的运行会造成发热，有效运行功率下降等问题，对运行达到一定时间的设备进行强制切换。同时也考虑到可能设备处于一个将要达到减泵的切换点了，这样就对切换时间进行优化，对所处的时间段进行判定。
定义运行时间超过第一时长时，该设备可以被替换运行；
当运行时间达到第二时长时，该设备将进入强制被替换序列，如果多台设备运行时长都超过第二时长时，首先达到第二时长的设备将首先被替换，替换用的设备是停止运行超过第三时长的设备。
一般设备停止后，设备温度将会将至室温，可以机型检修保养，或者等待启动状态。
第三时长<第一时长<第二时长。
如图8过是给出了增减泵的选择流程图。
当出现了增减运行设备的情况时，
首先判断未来一个设定的时间段内是否会出现返回当前运行状态的情况的预测判断；如果短时间内不会恢复则进行增减泵操作，否则进行如下判断。
当评估预测是增加设备后又减少到当前状态的情况时，判断是否有超过第一时长的设备，如果是，则进行增加设备操作，当达到减少运行设备的情况时将超过第一时长的设备进行减少正好达到更换的目的；
如果没有超过第一时长的设备则判断调整时间间隔，如果调整间隔超过设定的阈值，则直接按照模型参数进行调整运行；
当调整的时间间隔没有超过设定的时间间隔时，判断不增加设备情况下设备是否可运行于第二区间，如果可以运行在第二区间内，则进行增减设备运行总费用比较，如果调整有效则进行调整，否则维持运行，即在第二区间运行。
当评估预测是减少设备后又增加到当前状态的情况时，判断是否有超过第一时长的设备，如果是，则进行减少设备的操作，当达到增加运行设备的情况时将最先超过第三时长的等待运行的设备启动正好达到更换的目的；
如果没有超过第一时间的设备，则判断调整时间间隔，当超过时间间隔设定时，则直接按照模型参数进行调整运行。
当调整的时间间隔没有超过设定的时间间隔时，判断不减少设备情况下设备是否可运行于第二区间，如果可以运行在第二区间内，则进行增减设备运行总费用比较，如果调整有效则进行调整，否则维持运行，即在第二区间运行。
通过下述公式，分别计算增减操作到恢复运行状态时间段内，执行增减泵操作方案的运行费用和维持现有运行泵数在第二区间运行的费用，调整有效的条件为增减泵方案运行总费用相比维持现有运行设备的运行方案减低超过2％。
费用计算公式为，
式中：
F为总费用；
i为水泵编号,i＝1,2,3,……,N；
f为当前时段的电单价；
t1为开始增减泵的起始时间；
t2为恢复到增减泵前的泵数的时间；
Si为第i台设备的启停状况，为0时是未启动，为1时是启动；
Ni(Qi)为第i台设备Qi时的流量为设备功率；
Gi为第i台设备的是否处于稳定区，为0时是处于稳定区或未运行，为1时处于亚稳定区；
ωi为第i台设备处于非稳定区运行时的维修保养增加的费用。
冷却塔的水泵和风机的控制方式和循环水水泵的控制方式一致，都是通过建立的数字模型，通过设定高效稳定运行区间和费用控制的方式设定启停切换点，来达到节省运行能源和维修保养费用的控制，由于控制方案一致就不重复列举计算方式了。
实施例四
图10示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是终端，也可以是服务器。如图10所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现多泵循环水系统的控制方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行多泵循环水系统的控制方法。本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
建立基于数字孪生的循环冷却水系统，其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结构的镜像，所述循环冷却水系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；
获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取运行寿命期望，获取泵的运行流量控制范围；通过预期寿命获取稳定区间，
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
在一个实施例中，提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
建立基于数字孪生的循环冷却水系统，其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结构的镜像，所述循环冷却水系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；
获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取运行寿命期望，获取泵的运行流量控制范围；通过预期寿命获取稳定区间，
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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结构的镜像，所述循环冷却水系统包括设备层、控制层和决策层，设备层包括水泵；
决策层获取设备层的设备参数，运行数据以及运行寿命与运行工况的关系数据；
获取泵的运行流量控制范围；
获取运行寿命期望，通过预期寿命获取稳定区间；
所述寿命期望选取0.9T作为稳定运行期望，所述T为历史运行设备的平均运行寿命；
决策层根据设备层的实时行参数和环境参数，模拟优化得到循环冷却水系统的最优控制参数；通过控制层向设备层发出执行指令，以完成循环冷却水系统的优化调节；
优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用。
2.根据权利要求1所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
获取恒压控制方案，通过系统恒压条件下调速比α与流量的关系计算调速比，限定泵的优势调速比的下限为上限为1，
所述H恒为恒压扬程，H闭为阀门全部关闭时对应的扬程。
3.根据权利要求2所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
在优势调速比范围内，利用模型中泵的特性曲线获取泵的亚稳定运行区间；
通过恒压控制计算，获取控制流量的范围和节点；
实时监测泵的运行状态调整在稳定区间和亚稳定区间内；
泵的稳定区间和亚稳定区间对应的流量为，
亚稳定区间上线流量QRR为工频流量QC,
亚稳定区间下线流量QLL为调速比为αmin，取值为时的流量；
稳定区间的上限流量和下线流量分别为QL、QR，是稳定运行区间对应运行频率上下限对应的流量，
QL、QR限定稳定间，定义为第一运行区间；
QL、与QLL、QR与QRR限定的亚稳定区间，定义为第二运行区间。
4.根据权利要求3所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
泵组运行的限制条件为，每个泵的流量相同；
控制条件受到水泵变频恒压运行时其Q～N曲线的限定，
N(Q)＝B0+B1Q+B2Q2；
B0、B1、B2为拟合常数；
约束条件为：
目标函数为：
构造拉格朗日函数,λ为拉格朗日乘数：
当且仅当同时满足下式时，
目标函数满足取得极值的必要条件，解得：Q1＝Q2＝Q3＝……＝QM＝Q/M。
5.根据权利要求4所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
当M-1台向M台切换，增加泵数的条件定义为流量增加到MAX[MQLL,(M-1)QRR]；
当M台向M-1台切换，减少泵数的条件定义为流量减少到MIN[MQLL,(M-1)QRR]；
M≥2。
6.根据权利要求5所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
增加泵数条件为流量增加到MAX[MQL,(M-1)QRR]，
减少泵数条件为流量减少到MIN[MQLL,(M-1)QR]。
7.根据权利要求6所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
通过聚类分析预测未来一定时间设备的运行状态，进行运行设备增减决策，具体方法为，
当达到增减运行设备的条件时，
首先判断未来一个设定的时间段内是否会出现返回当前运行状态的预测判断；如果短时间内不会恢复则进行增减泵操作，否则进行如下判断；
判断是否有超过第一时长的设备，如果是，则进行增加设备操作，
如果没有超过第一时长的设备则判断调整时间间隔，如果调整间隔超过设定的阈值，则直接按照模型参数进行调整运行增减泵操作；
当调整的时间间隔没有超过设定的时间间隔时，判断现有运行设备是否可运行于第二区间，如果可以运行在第二区间内，则进行增减设备运行总费用比较，如果调整有效则进行调整，否则维持运行，即在第二区间运行；
调整有效的条件为增减泵方案运行总费用相比维持现有运行设备的运行方案减低超过2％。
8.根据权利要求7所述的多泵循环水系统的控制方法，其特征在于，
费用计算公式为，
式中：
F为总费用；
i为水泵编号,i＝1,2,3,……,N；
f为当前时段的电单价；
t1为开始增减泵的起始时间；
t2为恢复到增减泵前的泵数的时间；
Si为第i台设备的启停状况，为0时是未启动，为1时是启动；
Ni(Qi)为第i台设备Qi时的流量为设备功率；
Gi为第i台设备的是否处于稳定区，为0时是处于稳定区或未运行，为1时处于亚稳定区；
ωi为第i台设备处于非稳定区运行时的维修保养增加的费用。
9.一种多泵循环水系统，其特征在于，包括：
设备层、控制层和决策层；
决策层是系统的核心层，其中设有信息处理模块及模型模拟优化模块和历史运行数据库；
历史运行数据包括，设备层各机构的历史运行参数和运行数据、环境参数、天气数据；
信息处理模块对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模型所用，便于存储、查找、显示；
在决策层中建立基于数字孪生的循环冷却水系统模型，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；
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；
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，模型的模拟优化目标为降低循环冷却水系统的运行能耗和维修保养更换的费用，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；
使设备层的设备运行在高效区的同时尽可能的运行在设备的稳定运行区间，确保设备的稳定高效运行，延长设备的使用寿命；
控制层中的控制单元根据最优控制参数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；
设备层，包括设备和采集单元，运行设备接收控制层的指令，按照指令进行运行；采集单元采集循环冷却水系统各个组件的实时运行参数、环境参数、天气情况和天气预报的信息。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
11.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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