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数字孪生体在超临界二氧化碳光热发电系统中的应用

2020.01.15 来自:数字孪生体实验室

本案例是以一维热流体系统仿真软件Flownex为核心,利用其内嵌的部件模块,如管道、阀门、泵、压缩机、换热器、PID控制器等搭建了和实验管网系统完全相同的数字孪生体。


在太阳能光热发电系统中,超临界二氧化碳布雷顿循环受到各国的关注和研究。这种技术用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环,超临界状态的二氧化碳在经过压气机压缩后,由外部热源加热,加热后的高温超临界二氧化碳驱动涡轮,由涡轮驱动压气机和对外输出功率,作功之后的二氧化碳再回到压气机再被压缩,如此循环往复。超临界二氧化碳布雷顿循环的优势是它仅需外界提供500到800℃的温度,利用太阳能聚光器和吸热器技术就能很容易达到这样的温度。


由于超临界二氧化碳循环在极高的压力下运行,系统的微小参数波动都有可能造成不可预知的事故。这对控制系统提出了严苛要求。为了应对这一挑战,印度科技学院建立了该系统的实验系统(图1)。


图1:超临界二氧化碳循环实验管网系统


为了实现对控制过程的动态仿真,印度科技学院开发了基于物理机理的数字孪生体。该数字孪生体以一维热流体系统仿真软件Flownex为核心,利用其内嵌的部件模块,如管道、阀门、泵、压缩机、换热器、PID控制器等搭建了和实验管网系统完全相同的数字孪生体(图2)。


图2:Flownex搭建的超临界二氧化碳循环仿真系统


Flownex具有强大的仿真能力,可计算气体、液体、两相流的流动、传热和相变过程。超临界二氧化碳的物性变化很剧烈,Flownex内嵌的物性库里加入了超临界二氧化碳的完整数据,可以模拟过冷、过热、两相混合各个区间的物性变化(图3)。此外,Flownex还分析快速变化及慢速变化的动态过程;能够计算流体和固体间的热交换,计算系统各元件的压力变化和换热情况;具有电气模块和控制模块,可以在仿真系统中添加各种控制元件,能够对瞬态控制过程进行仿真。


图3:Flownex中二氧化碳的焓温图


在数据链接和人机界面方面,研究人员采用美国国家仪器公司(NI)的硬件设备来控制物理实体,利用NI的LabVIEW把采集的参数通过接口传递给Flownex软件。在获得现场设备的实时数据后,Flownex的动态模拟就可以实现实时仿真(图4)。


图4:超临界二氧化碳循环数字孪生体的人机界面


在超临界二氧化碳系统中,压力远远高于常规的设备范围,其控制系统的小幅度调整,都会对系统产生很大影响。利用Flownex搭建的数字孪生体,研究人员能在数字孪生体中模拟各个控制操作引发的后果,确认其满足调试要求后再去操作物理系统,从而保证了该系统的安全运行。




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