數字孿生體在超臨界二氧化碳光熱發電系統中的應用
發布者:lzx | 來源:數字孿生體實驗室 | 0評論 | 1087查看 | 2020-01-08 11:55:44    

本案例是以一維熱流體系統仿真軟件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后,由外部熱源加熱,加熱后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,作功之后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。


由于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)。


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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于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件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)。


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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內嵌的物性庫里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。


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圖3:Flownex中二氧化碳的焓溫圖


在數據鏈接和人機界面方面,研究人員采用美國國家儀器公司(NI)的硬件設備來控制物理實體,利用NI的LabVIEW把采集的參數通過接口傳遞給Flownex軟件。在獲得現場設備的實時數據后,Flownex的動態模擬就可以實現實時仿真(圖4)。


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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,壓力遠遠高于常規的設備范圍,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后果,確認其滿足調試要求后再去操作物理系統,從而保證了該系統的安全運行。

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