CN113849997A - 基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法 - Google Patents

基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，随着我国新能源发电装机容量的不断扩大，电储热技术作为能源消纳已广泛应用，储热池温度过高会带来储热流体气化和加热柱损坏等问题，且热点温度不能直接测量；基于有限元分析技术建立储热装置温度场数值分析模型，对储热池内部流体场和温度场进行计算与分析，通过光纤测温对储热装置壁面的温度进行采集，基于数字孪生技术推算储热池内的热点温度；本发明可实时监测储热装置的温度，解决了储能装置无法采用测量仪器测量温度的难题，利用数字孪生技术通过壁面低温区的温度推测热点温度，实现储能装置的温度监测。

Description

基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定 方法。
背景技术
电储热系统(储能装置)内部的热源一般选取高温流体，利用电力系统中的低谷电加热 热源，将电能转换为热能储存在蓄热池内，到电网用电高峰期，热源放热向电力系统发电， 以供使用。储热池内的温度可达几百摄氏度，热点温度过高会使储热流体气化发生爆炸，也 会使加热柱损坏影响寿命，同时，由于热点温度过高导致不能直接测量。
数字孪生技术德国工业4.0提出以来，数字孪生技术逐渐被学术界采纳，数字孪生是以 数字化形式对物理实体进行模拟，从而对物理实体的运行加以呈现，进而分析物理实体的过 程。数字孪生技术的构成要点包括：现实空间和虚拟空间的概念、数据从现实空间流向虚拟 空间的链接、信息从虚拟空间到现实空间的流动以及虚拟子空间的表述。然而数字孪生作为 较为新兴的理论，并未有较为整体的结构化框架，在运用过程中构建并完善数字孪生框架也 是研究目标之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法， 包括：
步骤1：根据待检测储热装置的参数建立储热装置的温度场数值分析模型；
步骤2：采集待检测储热装置壁面的实时温度值；
步骤3：根据采集到的实时温度值求解温度场数值分析模型，利用数字孪生技术预测储 热池中热点的温度值。
所述步骤1包括：
步骤1.1：建立质量、动量和能量的守恒方程：
Figure BDA0003277025980000021
式中，φ表示质量、动量或能量守恒方程中的变量；ρ为密度；t为时间；u、v和w为速度矢量在x、y和z方向的分量；Γφ为扩散系数；Sφ为源项；
步骤1.2：建立热传递过程中导热控制方程为：
Figure BDA0003277025980000022
式中，T为温度；λ为变压器油导热系数；
建立热传递过程中的对流控制方程为：
Figure BDA0003277025980000023
式中，Sh为热源；h为流体比焓；
Figure BDA0003277025980000024
为算子；U为速度矢量；
Figure BDA0003277025980000025
为温度梯度；Φ为耗散函数；
Figure BDA0003277025980000026
为表面力对流体微元体所做的功；T为流体温度，P为流体压力；
Figure BDA0003277025980000027
所述步骤3包括：
步骤3.1：将采集到的实时温度值作为温度场数值分析模型的温度边界条件；
步骤3.2：将温度场数值分析模型作为孪生体，仿真计算得到孪生体的温度场；
步骤3.3：通过对比采集到的实时温度值与温度场中相应点的温度值预测储热池中热点的 温度值。
进一步地，所述温度场数值分析模型采用有限元软件构建；所述储热装置的储热池中采 用熔融盐作为蓄热流体。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，采用有限元分析技 术建立储热装置温度场数值分析模型，对储热装置的流场、温度场进行计算与分析，通过光 纤测温对储热装置的壁面温度进行采集，基于数字孪生技术预测储能装置中储热池内的热点 温度，本发明可实时监测储热装置的温度，解决了储能装置无法采用测量仪器测量温度的难 题，利用数字孪生技术通过壁面低温区的温度推测热点温度，实现储能装置的温度监测。
附图说明
图1为本发明中基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法流程图；
图2为本发明中基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法原理图；
图3为本发明中基于数字孪生技术的储能装置热点温度分析流程图；
图4为本发明中利用有限元软件构建储热装置的温度场数值分析模型；
图5为本发明中利用有限元仿真结果图，其中(a)为储热装置区域的流体流线图；(b) 储热装置中部切面的流速分布图；(c)为储热装置中部切面温度场图；
图6为本发明中储热装置模型的测温位置图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。随着我国新能源发电装机容量的不 断扩大，电储热技术作为能源消纳已广泛应用，储热池温度过高会带来储热流体气化和加热 柱损坏等问题，且热点温度不能直接测量。本实施例储热装置为例，基于有限元分析技术建 立储热装置温度场数值分析模型，对储热池内部流体场和温度场进行计算与分析，通过光纤 测温对储热装置壁面的温度进行采集，基于数字孪生技术推算储热池内的热点温度。
如图1所示，一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，包括：
步骤1：根据待检测储热装置的参数建立储热装置的温度场数值分析模型；包括：
步骤1.1：建立质量、动量和能量的守恒方程：
Figure BDA0003277025980000031
式中，φ表示质量、动量或能量守恒方程中的变量，如表1所示；ρ为密度；t为时间；u、 v和w为速度矢量在x、y和z方向的分量；Γφ为扩散系数；Sφ为源项；
表1通用控制方程中各变量的具体形式
Figure BDA0003277025980000032
Figure BDA0003277025980000041
步骤1.2：建立热传递过程中导热控制方程为：
Figure BDA0003277025980000042
式中，T为温度；λ为变压器油导热系数；
建立热传递过程中的对流控制方程为：
Figure BDA0003277025980000043
式中，Sh为热源；h为流体比焓；
Figure BDA0003277025980000044
为算子；U为速度矢量；
Figure BDA0003277025980000045
为温度梯度；Φ为耗散函数；
Figure BDA0003277025980000046
为表面力对流体微元体所做的功(一般可以忽略)；T为流体温度，P为流体 压力；
Figure BDA0003277025980000047
步骤2：采集待检测储热装置壁面的实时温度值；
步骤3：根据采集到的实时温度值求解温度场数值分析模型，利用数字孪生技术预测储 热池中热点的温度值；包括：
步骤3.1：将采集到的实时温度值作为温度场数值分析模型的温度边界条件；
步骤3.2：将温度场数值分析模型作为孪生体，利用有限元软件仿真计算得到孪生体的 温度场；
步骤3.3：通过对比采集到的实时温度值与温度场中相应点的温度值预测储热池中热点 的温度值。即对比储热装置壁面低温区的温度实际采集值和仿真值，得到二者的差值，通过 低温区的差值推测热点温度。
本实施例选用储热装置进行本发明有效性的验证，储热装置的温度场数值分析模型采用 有限元软件(ANSYS)构建；其中储热装置的基本参数如表2所示，储热装置的有限元仿 真模型如图4所示，储热池中采用熔融盐作为蓄热流体；其具体参数如表3所示。
表2储热装置的基本参数
Figure BDA0003277025980000051
表3熔融盐物性参数
Figure BDA0003277025980000052
温度采集点的位置设置如图6所示，将储热装置的六个顶点分别设置为采样点，通过光 纤测温对储热装置的壁面温度进行采集，将采集到的温度值传给ANSYS，利用ANSYS构建 基于数字孪生技术的储热装置热点温度感知系统，其原理图如图2所示。基于有限元数值分 析方法对储热装置的流场和温度场进行计算与分析，如图3所示。
仿真结果分析，储热装置区域的流体流线图如图5(a)所示，可知，加热管通电发出热 量加热熔融盐流体，使熔融盐流体在加热池内从下至上往复流动。储热装置中部切面的流速 分布如图5(b)所示，由图可得，两个加热管之间的熔融盐流体流速快，靠近储热池壁流速 慢，这是由于随着熔融盐流体温度升高，流体密度降低，产生浮升力，使熔融盐加速向上流 动，而两个加热管之间的熔融盐流体温度最高，因此流速最快。储热装置中部切面温度场如 图5(c)所示，由图可知，越靠近加热管的熔融盐温度越高，最高温度为526K。实验测得 的数据如表4所示，由表可知，实验与计算误差最大值为13.56％，最小误差为2.1％。由分 析可知，本发明方法可以有效地预测储热区域热点温升，有利于对热点温度进行控制。
表4绕组热点温升对比
Figure BDA0003277025980000061
通过数字孪生技术监测得到的温度与实验测量的温度进行对比，误差最大值为13.56％， 最小误差为-2.1％，满足实际需要；利用本发明方法还可以预警储热装置的高温限值，有利于 改善储热装置的运行性能，提升储热装置的使用寿命。

Claims (4)

1.一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据待检测储热装置的参数建立储热装置的温度场数值分析模型；
步骤2：采集待检测储热装置壁面的实时温度值；
步骤3：根据采集到的实时温度值求解温度场数值分析模型，利用数字孪生技术预测储热池中热点的温度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1：建立质量、动量和能量的守恒方程：
Figure FDA0003277025970000011
式中，φ表示质量、动量或能量守恒方程中的变量；ρ为密度；t为时间；u、v和w为速度矢量在x、y和z方向的分量；Γφ为扩散系数；Sφ为源项；
步骤1.2：建立热传递过程中导热控制方程为：
Figure FDA0003277025970000012
式中，T为温度；λ为变压器油导热系数；
建立热传递过程中的对流控制方程为：
Figure FDA0003277025970000013
式中，Sh为热源；h为流体比焓；
Figure FDA0003277025970000014
为算子；U为速度矢量；
Figure FDA0003277025970000015
为温度梯度；Φ为耗散函数；
Figure FDA0003277025970000016
为表面力对流体微元体所做的功；T为流体温度，P为流体压力；
Figure FDA0003277025970000017
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1：将采集到的实时温度值作为温度场数值分析模型的温度边界条件；
步骤3.2：将温度场数值分析模型作为孪生体，仿真计算得到孪生体的温度场；
步骤3.3：通过对比采集到的实时温度值与温度场中相应点的温度值预测储热池中热点的温度值。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的储能装置热点温度确定方法，其特征在于，所述温度场数值分析模型采用有限元软件构建；所述储热装置的储热池中采用熔融盐作为蓄热流体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114154429A (zh) * 2022-02-10 2022-03-08 中国长江三峡集团有限公司 一种储能系统的数字孪生体构建方法、装置及存储介质

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