图1:典型流体管道系统的数字孪生模型。计算出的泵排气压力为91.71磅/平方英寸压力表(psig)，将与实际运行值进行比较，以验证物理系统模型的准确性。(图片由作者提供)
似乎每隔几年，新技术就会突然出现在工程领域，技术媒体上就会出现关于这些尖端解决方案将如何改变制造业世界，甚至改变世界本身的文章。人们很容易将这些现象视为流行语，但值得注意的是，在媒体报道浪潮消退后，技术的无情进步几乎总是会改变格局。更重要的是，这些变化可以真正改变流体处理系统等资产的设计、操作和维护。
数字双胞胎是当前的突破性技术。事实上，我最近在《泵与系统》专栏中提到了它;BETVICTOR体育官网上一次，在2020年12月，我谈到了流体处理系统的数字双胞胎的设计目的。
在本文中，我将提供数字双胞胎的更大背景，以及为什么这种突破性环境的元素已经为物理系统的运行提供了深刻的见解。因为数字双胞胎是工业4.0运动的一部分，它是不断发展的转型的一部分，利用云计算或低成本传感器和仪器等先进技术。伟德体育娱乐这就是为什么我认为它本身不是一个目的地，而是一个优化流体系统整个生命周期的旅程。
流体处理环境中的数字孪生
数字双胞胎技术已经应用于许多行业，面临着共同的挑战:昂贵的资产;生命周期长;多学科之间相互作用的需要;大量的共同实物资产;当系统未能达到运营目标时，将导致财务处罚。航空航天工业是最早实施数字双胞胎技术的行业之一。近年来，它被联合循环涡轮机、机车、车队卡车和压气站的所有者所接受——仅举几例。现在，数字双胞胎被用于工业、商业和市政设施的流体管道系统的整个生命周期。
值得记住的是，所有的数字双胞胎都模拟物理系统的运行，并在设施的整个生命周期中提供洞察。它包括四个基本要素:
- 描述系统的数学模型
- 组成系统的每一项设备的特定行业数据
- 设备内安装的仪表值伟德体育娱乐
- 分析计算值的方法，以深入了解物理系统的操作
系统数学模型建立在资源平衡的基础上，即进入系统的资源等于系统消耗的资源。数字双胞胎的数学模型部分通常是一个计算机建模和分析应用程序(CMA)。选择的应用程序根据数字双胞胎应用的位置和方式而有所不同;它可以是一个化学过程模拟，一个热分析，一个
压力分析，财务分析或流体分析。
设备是由多个系统共同工作来制造产品或提供服务。因此，设施的数字双胞胎由多个线程组成，每个线程都用于提供系统洞察，以及每个线程如何影响整个系统的洞察。
管道系统寿命洞察
让我们来看看流体管道系统(图1)。流体管道系统的数学模型是基于能量平衡的，具体来说，泵元件添加到流体中的能量等于过程和控制元件消耗的能量。来自物理管道系统的特定行业数据输入到模型中。诸如泵曲线、控制阀系数、作为流量函数的过程损失和设备标高等信息有助于建立模型。由于数字孪生体旨在维持设施的生命周期，因此在对系统建模时使用当前的建成数据非常重要。
一旦创建了模型，就输入了操作值。这包括基于储罐和容器液位和压力的系统边界的能量、控制器设定点、隔离阀的位置、运行泵等。BETVICTOR体育官网输入构建时和运行时的数据后，CMA为模型执行能量平衡。计算模型提供了丰富的系统信息，包括各系统元件的平衡压力和流量。
现在，CMA应用的计算结果必须针对物理管道系统的实际运行进行验证;要做到这一点，将已安装的设备仪表的测量值与模型的计算值进行比较。伟德体育娱乐例如，在图1中，计算出泵的排出压力为91.71 psig;泵排气压力表的实测值为92 psig，对模型进行了验证。将计算得到的阀位开度为60.42%与阀位开度为60%的观测值进行对比，进一步验证了该理论的正确性。
有了一个有效的模型，数字双胞胎能够让用户更深入地了解系统运行。这可以是计算“虚拟”值的形式，如流量和压力，以及更多涉及的计算值。
例如，在图1中，它计算了通过泵的流量和泵的吸入压力，以及泵吸入处的可用净正吸入扬程(NPSHa)。由于制造商提供的泵曲线是模型的一部分，如果NPSHa小于制造商指定的净正吸入压头(NPSHr)，数字双胞胎就可以确定泵是否发生汽蚀。
开启数字双胞胎之旅
数字双胞胎的数学模型受到不变的物理和工程原理的约束。相反，特定于行业的数据和系统操作在设施的整个生命周期中处于不断变化的状态。数字双胞胎可以在植物的整个生命周期中使用，在整个过程中提供洞察。
例如，在前端工程设计(FEED)中，必须估计系统细节以计算泵扬程要求。通过使用来自工艺模拟的估计设计值和来自客户设备规范文件的要求，CMA可以为设备的各种项目提供设计点值。当设计过程中出现新的信息时，模型能够提供更深入的见解。
一旦构建阶段完成，来自已安装设备的建成数据将为数字孪生体提供更多细节。确定了过程需求后，可以插入运行时的设计信息，以提供系统运行的准确图像。
一旦系统运行起来，构建时和运行时的数据为数字孪生提供了已安装系统应该如何运行的模拟。将计算值与相应的实测值进行比较，验证模型的有效性。在系统运行期间，计算值和测量值之间发生的任何变化都为系统故障排除提供了一个起点。
数字双胞胎可以在设施的整个生命周期内对系统操作提供更深入的了解。但是，创建一个数字双胞胎需要多少信息，什么时候是创建它的最佳时机?我将在接下来的泵与系统专栏中讨论这些问题，并提供一些答案。BETVICTOR体育官网