數字孿生體在光熱發電系統中的應用實例

2020-11-09 新能源前沿

　　本案例是以一維熱流體系統仿真軟體Flownex為核心，利用其內嵌的部件模塊，如管道、閥門、泵、壓縮機、換熱器、PID控制器等搭建了和實驗管網系統完全相同的數字孿生體。

　　在太陽能光熱發電系統中，超臨界二氧化碳布雷頓循環受到各國的關注和研究。這種技術用超臨界狀態的二氧化碳作為工質的渦輪發動機熱循環，超臨界狀態的二氧化碳在經過壓氣機壓縮後，由外部熱源加熱，加熱後的高溫超臨界二氧化碳驅動渦輪，由渦輪驅動壓氣機和對外輸出功率，作功之後的二氧化碳再回到壓氣機再被壓縮，如此循環往復。超臨界二氧化碳布雷頓循環的優勢是它僅需外界提供500到800℃的溫度，利用太陽能聚光器和吸熱器技術就能很容易達到這樣的溫度。

　　由於超臨界二氧化碳循環在極高的壓力下運行，系統的微小參數波動都有可能造成不可預知的事故。這對控制系統提出了嚴苛要求。為了應對這一挑戰，印度科技學院建立了該系統的實驗系統（圖1）。

圖1 超臨界二氧化碳循環實驗管網系統

　　為了實現對控制過程的動態仿真，印度科技學院開發了基於物理機理的數字孿生體。該數字孿生體以一維熱流體系統仿真軟體Flownex為核心，利用其內嵌的部件模塊，如管道、閥門、泵、壓縮機、換熱器、PID控制器等搭建了和實驗管網系統完全相同的數字孿生體（圖2）。

圖 2 Flownex搭建的超臨界二氧化碳循環仿真系統

　　Flownex具有強大的仿真能力，可計算氣體、液體、兩相流的流動、傳熱和相變過程。超臨界二氧化碳的物性變化很劇烈，Flownex內嵌的物性庫裡加入了超臨界二氧化碳的完整數據，可以模擬過冷、過熱、兩相混合各個區間的物性變化（圖3）。此外，Flownex還分析快速變化及慢速變化的動態過程；能夠計算流體和固體間的熱交換，計算系統各元件的壓力變化和換熱情況；具有電氣模塊和控制模塊，可以在仿真系統中添加各種控制元件，能夠對瞬態控制過程進行仿真。

圖 3 Flownex中二氧化碳的焓溫圖

　　在數據連結和人機界面方面，研究人員採用美國國家儀器公司（NI）的硬體設備來控制物理實體，利用NI的LabVIEW把採集的參數通過接口傳遞給Flownex軟體。在獲得現場設備的實時數據後，Flownex的動態模擬就可以實現實時仿真（圖4）。

圖 4 超臨界二氧化碳循環數字孿生體的人機界面

　　在超臨界二氧化碳系統中，壓力遠遠高於常規的設備範圍，其控制系統的小幅度調整，都會對系統產生很大影響。利用Flownex搭建的數字孿生體，研究人員能在數字孿生體中模擬各個控制操作引發的後果，確認其滿足調試要求後再去操作物理系統，從而保證了該系統的安全運行。

　　作者楊振亞簡介

　　安世亞太公司仿真業務部總經理，中國化工學會過程模擬及仿真專業委員會委員。長期從事計算機輔助設計（CAE）軟體的技術支持、項目諮詢和產品管理工作，在仿真軟體（Fluent，CFX，Flownex，Twinmesh，Rocky等）的技術應用方面積累了豐富的經驗。

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