CN114091312B - 一种铝水反应制氢装置的故障检测方法 - Google Patents

一种铝水反应制氢装置的故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝水反应制氢装置的故障检测方法，建立铝水反应制氢装置结构模型；建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型；基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型；基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点，实现了故障的提前预报，提高了铝水制氢反应的成功机率，提高了制氢过程的安全性，分区计算进一步提高了产热量计算的准确度，从而提高了反应器管壁温度仿真的准确度，提高了故障预测的准确度。

Description

一种铝水反应制氢装置的故障检测方法
技术领域
本发明涉及数值分析领域，具体涉及一种铝水反应制氢装置的故障检测方法。
背景技术
铝与水反应制氢过程在反应器内部释放较多热量，封闭反应器内部通常呈现高温状态，反应器内部的温度、压力、底层杂质的沉积等条件决定了制氢过程的氢产量和反应器的使用寿命，在反应过程中反应器发生故障，将浪费大量材料。现有技术中的反应器故障检测主要依赖事先布设的传感器，在传感器的检测值发生异常时进行人工排查和检测，根据异常检测值和经验判断可能的故障点和故障原因，逐一尝试，即现有技术中铝水制氢反应器的故障均是采用：发生故障-检测-排查原因-维修的方式，反应器的故障检测都是事后进行的，缺少对故障的预判，制氢过程因故障中止的现象频发，降低了氢气的产量、增大了制氢过程的成本。
另一方面，在现有的反应器内部温度场模拟过程中，为了简化计算，通常将反应区划分为内热源和非内热源两个规则几何形状区域进行传热计算。然而在实际反应过程中，水滴的上升高度发生变化，直接影响了反应区内热源集中的区域，即随着反应时间的变化，反应区内热源呈现不同的特点，现有的传热模型分区方式获得反应器内部温度场变化情况准确度低，难以满足反应器故障预测的需求。
此外，反应器内不同位置的产物外观形态差异较大，在有限元仿真过程中，现有的通用剖分方法无法有效的针对上述反应器产物的分布特点，无法准确高效地对反应器内温度进行准确描述。
发明内容
为解决铝水反应制氢装置故障判断不及时、温度场仿真不准确的问题，本发明利用反应器的模型和铝水制氢过程模型，提供一种铝水反应制氢装置的故障检测方法，包括：
步骤S1：建立铝水反应制氢装置结构模型；
步骤S2：建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型；
步骤S3：基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型；
步骤S4：基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；
步骤S5：基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点；
其中，步骤S3具体包括建立铝水反应制氢装置参考坐标系，根据水滴蒸发和反应模型中水滴的上升高度对铝水反应制氢装置进行分区，获得内热源区、内热源衰减区和非内热源区；步骤S5之后还包括统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障。
优选的，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障包括；
拟合各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系；
获取当前制氢过程的氢产量需求，基于各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系预测当前制氢过程的杂质预测高度；
若杂质预测高度大于杂质高度阈值，则预测当前制氢过程会发生杂质超量故障。
优选的，步骤S2具体包括，统计历史铝水制氢反应过程中反应水进水管的温度变化，确定制氢反应时间阈值
Figure 400192DEST_PATH_IMAGE001
，根据铝水制氢反应时间
Figure 194973DEST_PATH_IMAGE002
计算单位体积的内热源散发的热量：
Figure 341789DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 196613DEST_PATH_IMAGE004
为铝水制氢反应时间
Figure 179612DEST_PATH_IMAGE005
的内热源单位体积散发的热量，
Figure 27352DEST_PATH_IMAGE006
为制氢反应时间阈值，
Figure 44986DEST_PATH_IMAGE007
为单个水滴在第一时间段内产生的热量，
Figure 70711DEST_PATH_IMAGE008
为单个水滴在第二时间段内产生的热量，
Figure 524695DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 926857DEST_PATH_IMAGE010
分别为第一时间段和第二时间段进水管阀门开关系数，
Figure 48266DEST_PATH_IMAGE011
为进水管的体积，
Figure 244892DEST_PATH_IMAGE012
为单个水滴的体积，
Figure 186172DEST_PATH_IMAGE013
为铝水反应制氢装置圆柱体底面半径，
Figure 392026DEST_PATH_IMAGE014
为第一时间段内水滴能够到达的高度，
Figure 118673DEST_PATH_IMAGE015
为水滴上升高度衰减系数。
优选的，对铝水反应制氢装置进行分区，具体包括：
内热源区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 469889DEST_PATH_IMAGE016
，底面半径为
Figure 914777DEST_PATH_IMAGE017
，上顶面圆心坐标为
Figure 908010DEST_PATH_IMAGE018
，其中，
Figure 223584DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 27592DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 943465DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 491121DEST_PATH_IMAGE022
为内热源区半径系数，内热源区的温度为
Figure 176049DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 885379DEST_PATH_IMAGE024
、b分别为高度分区阈值，
Figure 39280DEST_PATH_IMAGE025
；
内热源衰减区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 374315DEST_PATH_IMAGE026
，底面半径为
Figure 930061DEST_PATH_IMAGE027
，上顶面圆心坐标为
Figure 325139DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 966336DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 855795DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 515315DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 832027DEST_PATH_IMAGE032
为内热源衰减区半径系数，内热源衰减区的温度为
Figure 944208DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 371778DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 902117DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 373418DEST_PATH_IMAGE036
为内热源衰减区第i点的半径；hmin为单个水滴上升最小高度，hmax为单个水滴上升最大高度；R为圆柱体底面半径；
非内热源区为铝水反应制氢装置中除内热源区、内热源衰减区的其他区域。
优选的，建立铝水反应制氢装置的传热模型具体包括：
根据水滴蒸发和反应模型计算内热源区的热量
Figure 723628DEST_PATH_IMAGE037
、内热源衰减区释放的热量
Figure 204157DEST_PATH_IMAGE038
；
根据内热源区的热量、内热源衰减区释放的热量计算传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量
Figure 589002DEST_PATH_IMAGE039
，其中
Figure 247517DEST_PATH_IMAGE040
为非内热源区吸收的热量；
根据铝水反应制氢装置壁面温度分布计算铝水反应制氢装置管壁的总热量，得到传热模型：
Figure 334290DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 103663DEST_PATH_IMAGE042
传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量，
Figure 592282DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 421698DEST_PATH_IMAGE044
分别为内热源区和内热源衰减区的平均比定压热容，
Figure 746500DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 568831DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 928268DEST_PATH_IMAGE047
分别为内热源区、内热源衰减区和管壁的温度，
Figure 928585DEST_PATH_IMAGE048
为热量传递损耗。
优选的，步骤S4具体包括：
导入步骤S3建立的传热模型和步骤S1建立的反应器结构模型，读入初始条件参数和温度场初值；计算内热源区、内热源衰减区的热源放热功率以获得内热源区和内热源衰减区的温度；对反应器结构模型进行有限元剖分，基于内热源区和内热源衰减区的温度迭代计算铝水反应制氢装置管壁温度分布变化。
优选的，对反应器结构模型进行有限元剖分具体包括：铝水反应制氢装置模型整体为第一区域，铝水反应制氢装置内放置反应物的区域为第二区域，第一区域包括第二区域；
对第一区域进行有限元网格剖分，根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；
对优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应制氢装置制氢的建模，否则，返回根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；
第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；三维空间内函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的影响。
优选的，三维空间内第一约束条件为：
Figure 989951DEST_PATH_IMAGE049
其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数，
Figure 101127DEST_PATH_IMAGE050
为范围系数。
优选的，步骤S5具体包括：
基于铝水反应制氢装置结构参数计算铝水反应制氢装置管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 564338DEST_PATH_IMAGE051
；
基于铝水反应制氢装置管壁温度分布变化计算铝水制氢反应过程管壁各个位置的实际温升
Figure 735556DEST_PATH_IMAGE052
；
对比管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 34951DEST_PATH_IMAGE051
和实际温升
Figure 199085DEST_PATH_IMAGE052
，若
Figure 267535DEST_PATH_IMAGE053
，则位置k为预测故障点，其中
Figure 609654DEST_PATH_IMAGE054
为铝水反应制氢装置管壁位置k处能够承受的最大温升，
Figure 403471DEST_PATH_IMAGE055
为铝水制氢反应过程管壁位置k处的实际温升，
Figure 122028DEST_PATH_IMAGE056
为温升承受阈值。
本发明还提供一种基于铝水制氢过程仿真的故障预测系统，包括：
模型建立模块，用于建立铝水反应制氢装置结构模型，建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型，并基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型；
仿真计算模块：用于基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；
故障预测模块，用于基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点；
其中，建立铝水反应制氢装置的传热模型包括建立铝水反应制氢装置参考坐标系，根据水滴蒸发和反应模型中水滴的上升高度对铝水反应制氢装置进行分区，获得内热源区、内热源衰减区和非内热源区；故障预测模块还被配置为用于统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障。
本发明提供的一种铝水反应制氢装置的故障检测方法和系统，基于铝水反应制氢过程的仿真和铝水反应制氢装置的建模，预测铝水反应制氢过程中的温度变化过程，从而获得反应器管壁上的温度变化，以预测反应器的故障点；本发明还提供了堆积杂质的故障预测。基于仿真过程和历史变化统计预测制氢过程中会出现的故障，实现故障的提前预报，提高了铝水制氢反应的成功机率，提高了氢产量，降低了制氢过程消耗的成本，提高了制氢过程的安全性。此外，在仿真过程中，本发明根据水滴上升高度随反应时间的增加而产生的变化，在内热源区外增设内热源衰减区，使得内热源区的热量为制氢过程中大部分水滴能够达到的高度，内热源衰减区为制氢过程中其余部分水滴能够到达的高度，分区计算反应器内的产热量进一步提高了产热量计算的准确度，从而提高了反应器管壁温度仿真的准确度，提高了故障预测的准确度；仿真过程中进一步的对铝水反应制氢装置进行分区剖分，剖分的网格大小与距离水滴的远近相关，提高了网格剖分的针对性，提高了仿真的精度，进而提高了反应器管壁温度仿真的准确度，提高了故障预测的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种铝水反应制氢装置的故障检测方法流程图；
图2是本发明实施例提供的铝水反应制氢装置参考坐标系建立示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本实施例提供一种铝水反应制氢装置的故障检测方法，方法流程图如图1所示。
步骤S1：建立铝水反应制氢装置结构模型；
为了预测实际铝水制氢过程中反应器会出现的故障，本发明根据实际使用的反应器结构参数建立反应器结构模型，获得铝水反应制氢装置的结构模型，铝水反应制氢装置为圆柱体，圆柱体底面半径为R，高度为H，至少包括进料区、反应水进水管和氢气出口。
步骤S2：建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型；
水进入铝水反应制氢装置后，通常分为三个阶段：反应区形成阶段、氧化膜形成阶段和氧化膜破裂阶段，水滴在与铝发生反应后蒸发成水滴，整个蒸发过程中水滴不断上升以作为铝水反应制氢装置中的内热源，对于一个水滴而言，水滴蒸发散热，作为反应器中的热源，对于多个水滴而言，初始阶段水滴数量较少，水滴所处环境温度对水滴蒸发的影响较小；随着反应时间增加，环境升温较快，此时对水滴蒸发的影响较大，水滴不能上升初始阶段的高度，水滴上升的高度直接影响内热源的体积，将整个反应过程中所有水滴上升高度视为一个相同值降低了内热源的准确度，进一步的降低了反应器内热量计算的准确度。本发明将水滴的上升高度视为时间的函数，进而准确仿真计算了内热源的热量和所在区域，提高了仿真的精度。
建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型具体包括：统计历史铝水制氢反应过程中反应水进水管的温度变化，确定制氢反应时间阈值
Figure 294252DEST_PATH_IMAGE057
，根据制氢反应时间阈值
Figure 807273DEST_PATH_IMAGE057
将铝水制氢反应过程分为第一时间段和第二时间段，第一时间段
Figure 81260DEST_PATH_IMAGE058
内进水管内温度对水滴蒸发和反应影响较小，此时水滴上升高度基本保持一致，第二时间段
Figure 587196DEST_PATH_IMAGE059
进水管内温度对水滴蒸发和反应影响较大，环境温度越高水滴蒸发和反应时间越短，此时水滴上升高度随时间呈指数衰减；根据铝水制氢反应时间
Figure 630238DEST_PATH_IMAGE060
计算单位体积的内热源散发的热量：
Figure 563428DEST_PATH_IMAGE061
其中,
Figure 324711DEST_PATH_IMAGE062
为铝水制氢反应时间
Figure 853912DEST_PATH_IMAGE005
的内热源单位体积散发的热量，
Figure 729DEST_PATH_IMAGE006
为制氢反应时间阈值，
Figure 121132DEST_PATH_IMAGE007
为单个水滴在第一时间段内产生的热量，
Figure 353399DEST_PATH_IMAGE008
为单个水滴在第二时间段内产生的热量，
Figure 951870DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 969505DEST_PATH_IMAGE010
分别为第一时间段和第二时间段进水管阀门开关系数，
Figure 244497DEST_PATH_IMAGE011
为进水管的体积，
Figure 714793DEST_PATH_IMAGE012
为单个水滴的体积，
Figure 116955DEST_PATH_IMAGE013
为铝水反应制氢装置圆柱体底面半径，
Figure 972785DEST_PATH_IMAGE014
为第一时间段内水滴能够到达的高度，
Figure 169411DEST_PATH_IMAGE015
为水滴上升高度衰减系数。
步骤S3：基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型；
建立铝水反应制氢装置参考坐标系，根据水滴蒸发和反应模型中水滴的上升高度对铝水反应制氢装置进行分区，铝水反应制氢装置参考坐标系如图2所示，以铝水反应制氢装置底面为参考平面，以铝水反应制氢装置底面中心点为原点O(0,0,0)，建立三维坐标系XYZ，以圆柱体为参考形状对铝水反应制氢装置进行分区，获得内热源区、内热源衰减区和非内热源区，分别计算内热源区、内热源衰减区和非内热源区的温度。现有技术中通常将铝水反应制氢装置分为内热源区和非内热源区进行温度分布计算，并将内热源区中的温度视为一恒定值，然而实际反应过程中，温度的传递过程是逐步变化的，随着反应时间的增加，水滴上升的高度衰减，释放热量的集中区域视为内热源区，则内热源区的高度小于水滴上升的最大高度，本发明在铝水反应制氢装置仿真计算时增加了动态衰减区，热量传递过程更符合实际反应过程的规律，进一步获得的温度分布更符合实际反应过程。
对铝水反应制氢装置进行分区，内热源区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 376270DEST_PATH_IMAGE016
，底面半径为
Figure 316544DEST_PATH_IMAGE017
，上顶面圆心坐标为
Figure 43192DEST_PATH_IMAGE063
，其中，
Figure 925566DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 370454DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 832528DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 679261DEST_PATH_IMAGE022
为内热源区半径系数，内热源区的温度为
Figure 217690DEST_PATH_IMAGE023
，a、b分别为高度分区阈值，0<a<1<b；
内热源衰减区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 399142DEST_PATH_IMAGE026
，底面半径为
Figure 681218DEST_PATH_IMAGE027
，上顶面圆心坐标为
Figure 631726DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 606635DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 760536DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 95571DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 385738DEST_PATH_IMAGE032
为内热源衰减区半径系数，内热源衰减区的温度为
Figure 780816DEST_PATH_IMAGE033
，在内热源衰减区内，由于溶液等其他物质的存在，不同位置的温度随半径变化呈指数衰减，
Figure 422013DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 45892DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 970992DEST_PATH_IMAGE036
为内热源衰减区第i点的半径；hmin为单个水滴上升最小高度，hmax为单个水滴上升最大高度；R为圆柱体底面半径；
非内热源区为铝水反应制氢装置中除内热源区、内热源衰减区的其他区域。
建立铝水反应制氢装置的传热模型，具体包括：
根据水滴蒸发和反应模型计算内热源区的热量
Figure 287704DEST_PATH_IMAGE037
、内热源衰减区释放的热量
Figure 416197DEST_PATH_IMAGE038
；
根据内热源区的热量、内热源衰减区释放的热量计算传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量
Figure 827456DEST_PATH_IMAGE039
，其中
Figure 92215DEST_PATH_IMAGE040
为非内热源区吸收的热量；
根据铝水反应制氢装置壁面温度分布计算铝水反应制氢装置管壁的总热量，得到传热模型：
Figure 829095DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 444885DEST_PATH_IMAGE042
传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量，
Figure 676146DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 310258DEST_PATH_IMAGE044
分别为内热源区和内热源衰减区的平均比定压热容，
Figure 703194DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 55546DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 559340DEST_PATH_IMAGE047
分别为内热源区、内热源衰减区和管壁的温度，
Figure 64271DEST_PATH_IMAGE048
为热量传递损耗。
步骤S4：基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；
借助有限元分析软件，导入步骤S3建立的传热模型和步骤S1建立的反应器结构模型，读入初始条件参数和温度场初值；
水滴在蒸发和反应过程中做匀加速运动，获取水滴的初始速度、水滴的质量和迭代时间间隔，迭代计算水滴的运动高度，若
Figure 877375DEST_PATH_IMAGE064
，则迭代停止，其中,
Figure 467756DEST_PATH_IMAGE065
为第k+1次迭代获得的迭代时间间隔下的上升高度，
Figure 290087DEST_PATH_IMAGE066
为第k次迭代获得的迭代时间间隔下的上升高度，
Figure 383945DEST_PATH_IMAGE067
为水滴上升高度迭代阈值；将历次迭代的水滴运动高度累加，获得单个水滴的上升高度，并确定蒸发和反应过程中单个水滴上升最大高度
Figure 384262DEST_PATH_IMAGE068
和单个水滴上升最小高度
Figure 445628DEST_PATH_IMAGE069
。
计算内热源区的热量、内热源衰减区的热源放热功率以获得内热源区和内热源衰减区的温度；对反应器结构模型进行有限元剖分，基于内热源区和内热源衰减区的温度迭代计算铝水反应制氢装置管壁温度分布变化。
对反应器结构模型进行有限元剖分，具体包括：铝水反应制氢装置模型整体为第一区域，铝水反应制氢装置内放置反应物的区域为第二区域，第一区域包括所述第二区域。
对第一区域进行有限元网格剖分，根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化，针对反应物区域的剖分方式采用非结构化网格，以便于每个节点上可分布任意数量的单元。第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；三维空间内，函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的影响。
针对三维模型的反应物区域的剖分方法包括：
提取三维模型中反应物区域的B-Rep数据；
根据三维模型的第二约束函数计算反应物区域内各位置的网格剖分体积；
根据各位置的网格剖分体积对反应物区域的边界曲线进行离散化。三维模型的离散化基于黎曼度量实现，离散化完成后，将离散点投影至三维模型的参数空间，形成各个曲面的网格，并将各个曲面的网格合并形成反应器反应物区域整体区域的表面网格。
对反应物区域各位置的所有表面进行网格剖分；
生成三维模型的实体网格。
其中，计算网格剖分尺寸为自适应体积控制，通过体积控制源与其他控制源的结合，以较优的不同位置不同密度的网格划分方式，适应反应物不同位置的差异化反应效率。
指定剖分体积的约束条件为：
Figure 556804DEST_PATH_IMAGE070
其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数，
Figure 20015DEST_PATH_IMAGE071
为范围系数。
对上述方法优化后的反应区域的网格进行检查，若反应区域的网格符合条件，则完成铝水反应制氢装置制氢的建模，否则，重新进行反应物区域的网格剖分。
步骤S5：基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点。
基于铝水反应制氢装置结构参数计算铝水反应制氢装置管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 191233DEST_PATH_IMAGE051
，基于铝水反应制氢装置管壁温度分布变化计算铝水制氢反应过程管壁各个位置的实际温升
Figure 490628DEST_PATH_IMAGE052
，对比管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 654762DEST_PATH_IMAGE051
和实际温升
Figure 723212DEST_PATH_IMAGE052
，若
Figure 65331DEST_PATH_IMAGE072
，则位置k为预测故障点，其中
Figure 101289DEST_PATH_IMAGE054
为铝水反应制氢装置管壁位置k处能够承受的最大温升，
Figure 288688DEST_PATH_IMAGE055
为铝水制氢反应过程管壁位置k处的实际温升，
Figure 726492DEST_PATH_IMAGE056
为温升承受阈值。
进一步的，步骤S5之后还包括基于预测的故障点发出提示，以便在铝水制氢过程之前维护铝水反应制氢装置。
进一步的，通过仿真计算铝水反应制氢装置管壁温度分布变化之外，还包括在距离铝水反应制氢装置底面hd处的铝水反应制氢装置管壁上设置检测装置，检测是否存在铝水反应制氢装置底部是否存在堆积的物质，若存在，生成杂质超量提示。
步骤S5之后，故障预测方法还包括统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障，具体来说：统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，拟合各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系，获取当前制氢过程的氢产量需求，基于各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系预测当前制氢过程的杂质预测高度，若杂质预测高度大于杂质高度阈值，则预测当前制氢过程会发生杂质超量故障。
本实施例还提供一种基于铝水制氢过程仿真的故障预测系统，包括：
模型建立模块，用于建立铝水反应制氢装置结构模型，建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型，并基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型。
为了预测实际铝水制氢过程中反应器会出现的故障，本发明根据实际使用的反应器结构参数建立反应器结构模型，获得铝水反应制氢装置的结构模型，铝水反应制氢装置为圆柱体，圆柱体底面半径为R，高度为H，至少包括进料区、反应水进水管和氢气出口。
水进入铝水反应制氢装置后，通常分为三个阶段：反应区形成阶段、氧化膜形成阶段和氧化膜破裂阶段，水滴在与铝发生反应后蒸发成水滴，整个蒸发过程中水滴不断上升以作为铝水反应制氢装置中的内热源，对于一个水滴而言，水滴蒸发散热，作为反应器中的热源，对于多个水滴而言，初始阶段水滴数量较少，水滴所处环境温度对水滴蒸发的影响较小；随着反应时间增加，环境升温较快，此时对水滴蒸发的影响较大，水滴不能上升初始阶段的高度，水滴上升的高度直接影响内热源的体积，将整个反应过程中所有水滴上升高度视为一个相同值降低了内热源的准确度，进一步的降低了反应器内热量计算的准确度。本发明将水滴的上升高度视为时间的函数，进而准确仿真计算了内热源的热量和所在区域，提高了仿真的精度。
建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型具体包括：统计历史铝水制氢反应过程中反应水进水管的温度变化，确定制氢反应时间阈值
Figure 239513DEST_PATH_IMAGE057
，根据制氢反应时间阈值
Figure 513499DEST_PATH_IMAGE057
将铝水制氢反应过程分为第一时间段和第二时间段，第一时间段
Figure 19436DEST_PATH_IMAGE058
内进水管内温度对水滴蒸发和反应影响较小，此时水滴上升高度基本保持一致，第二时间段
Figure 62478DEST_PATH_IMAGE059
内进水管内温度对水滴蒸发和反应影响较大，环境温度越高水滴蒸发和反应时间越短，此时水滴上升高度随时间呈指数衰减；根据铝水制氢反应时间
Figure 995668DEST_PATH_IMAGE060
计算单位体积的内热源散发的热量：
Figure 491371DEST_PATH_IMAGE073
其中,
Figure 551731DEST_PATH_IMAGE074
为铝水制氢反应时间
Figure 698548DEST_PATH_IMAGE075
的内热源单位体积散发的热量，
Figure 287792DEST_PATH_IMAGE076
为制氢反应时间阈值，
Figure 785638DEST_PATH_IMAGE007
为单个水滴在第一时间段内产生的热量，
Figure 384110DEST_PATH_IMAGE008
为单个水滴在第二时间段内产生的热量，
Figure 136165DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 676737DEST_PATH_IMAGE010
分别为第一时间段和第二时间段进水管阀门开关系数，
Figure 147032DEST_PATH_IMAGE011
为进水管的体积，
Figure 549195DEST_PATH_IMAGE012
为单个水滴的体积，
Figure 428462DEST_PATH_IMAGE013
为铝水反应制氢装置圆柱体底面半径，
Figure 890667DEST_PATH_IMAGE014
为第一时间段内水滴能够到达的高度，
Figure 97526DEST_PATH_IMAGE015
为水滴上升高度衰减系数。
建立铝水反应制氢装置参考坐标系，对铝水反应制氢装置进行分区，铝水反应制氢装置参考坐标系如图2所示，以铝水反应制氢装置底面为参考平面，以铝水反应制氢装置底面中心点为原点O(0,0,0)，建立三维坐标系XYZ，以圆柱体为参考形状对铝水反应制氢装置进行分区，获得内热源区、内热源衰减区和非内热源区，分别计算内热源区、内热源衰减区和非内热源区的温度。现有技术中通常将铝水反应制氢装置分为内热源区和非内热源区进行温度分布计算，并将内热源区中的温度视为一恒定值，然而实际反应过程中，温度的传递过程是逐步变化的，随着反应时间的增加，水滴上升的高度衰减，释放热量的集中区域视为内热源区，则内热源区的高度小于水滴上升的最大高度，本发明在铝水反应制氢装置仿真计算时增加了动态衰减区，热量传递过程更符合实际反应过程的规律，进一步获得的温度分布更符合实际反应过程。
对铝水反应制氢装置进行分区，内热源区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 772221DEST_PATH_IMAGE016
，底面半径为
Figure 498869DEST_PATH_IMAGE017
，上顶面圆心坐标为
Figure 381243DEST_PATH_IMAGE063
，其中，内热源区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 560552DEST_PATH_IMAGE077
，底面半径为
Figure 553784DEST_PATH_IMAGE017
，上顶面圆心坐标为
Figure 400518DEST_PATH_IMAGE063
，其中，
Figure 938946DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 120398DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 402475DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 103714DEST_PATH_IMAGE022
为内热源区半径系数，内热源区的温度为
Figure 62312DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 481792DEST_PATH_IMAGE078
、b分别为高度分区阈值，
Figure 551248DEST_PATH_IMAGE025
。
内热源衰减区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 106994DEST_PATH_IMAGE026
，底面半径为
Figure 252805DEST_PATH_IMAGE027
，上顶面圆心坐标为
Figure 143269DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 767149DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 692248DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 477802DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 606295DEST_PATH_IMAGE032
为内热源衰减区半径系数，内热源衰减区的温度为
Figure 283133DEST_PATH_IMAGE033
，在内热源衰减区内，由于溶液等其他物质的存在，不同位置的温度随半径变化呈指数衰减，
Figure 813471DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 550352DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 166141DEST_PATH_IMAGE036
为内热源衰减区第i点的半径；hmin为单个水滴上升最小高度，hmax为单个水滴上升最大高度；R为圆柱体底面半径；
非内热源区为铝水反应制氢装置中除内热源区、内热源衰减区的其他区域。
建立铝水反应制氢装置的传热模型，具体包括：
根据水滴蒸发和反应模型计算内热源区的热量
Figure 131823DEST_PATH_IMAGE037
、内热源衰减区释放的热量
Figure 765935DEST_PATH_IMAGE038
；
根据内热源区的热量、内热源衰减区释放的热量计算传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量
Figure 424450DEST_PATH_IMAGE039
，其中
Figure 527535DEST_PATH_IMAGE040
为非内热源区吸收的热量；
根据铝水反应制氢装置壁面温度分布计算铝水反应制氢装置管壁的总热量，得到传热模型：
Figure 280596DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 519948DEST_PATH_IMAGE042
传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量，
Figure 598631DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 189012DEST_PATH_IMAGE044
分别为内热源区和内热源衰减区的平均比定压热容，
Figure 496497DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 105202DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 839939DEST_PATH_IMAGE047
分别为内热源区、内热源衰减区和管壁的温度，
Figure 901305DEST_PATH_IMAGE048
为热量传递损耗。
仿真计算模块：用于基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；
借助有限元分析软件，导入步骤S3建立的传热模型和步骤S1建立的反应器结构模型，读入初始条件参数和温度场初值；
水滴在蒸发和反应过程中做匀加速运动，获取水滴的初始速度、水滴的质量和迭代时间间隔，迭代计算水滴的运动高度，若
Figure 278060DEST_PATH_IMAGE064
，则迭代停止，其中,
Figure 492004DEST_PATH_IMAGE065
为第k+1次迭代获得的迭代时间间隔下的上升高度，
Figure 912490DEST_PATH_IMAGE066
为第k次迭代获得的迭代时间间隔下的上升高度，
Figure 211884DEST_PATH_IMAGE067
为水滴上升高度迭代阈值；将历次迭代的水滴运动高度累加，获得单个水滴的上升高度，并确定蒸发和反应过程中单个水滴上升最大高度
Figure 110439DEST_PATH_IMAGE068
和单个水滴上升最小高度
Figure 444468DEST_PATH_IMAGE069
。
计算内热源区的热量、内热源衰减区的热源放热功率以获得内热源区和内热源衰减区的温度；对反应器结构模型进行有限元剖分，基于内热源区和内热源衰减区的温度迭代计算铝水反应制氢装置管壁温度分布变化。
对反应器结构模型进行有限元剖分，具体包括：铝水反应制氢装置模型整体为第一区域，铝水反应制氢装置内放置反应物的区域为第二区域，第一区域包括所述第二区域。
对第一区域进行有限元网格剖分，根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化，针对反应物区域的剖分方式采用非结构化网格，以便于每个节点上可分布任意数量的单元。第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；三维空间内，函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的影响。
针对三维模型的反应物区域的剖分方法包括：
提取三维模型中反应物区域的B-Rep数据；
根据三维模型的第二约束函数计算反应物区域内各位置的网格剖分体积；
根据各位置的网格剖分体积对反应物区域的边界曲线进行离散化。三维模型的离散化基于黎曼度量实现，离散化完成后，将离散点投影至三维模型的参数空间，形成各个曲面的网格，并将各个曲面的网格合并形成反应器反应物区域整体区域的表面网格。
对反应物区域各位置的所有表面进行网格剖分；
生成三维模型的实体网格。
其中，计算网格剖分尺寸为自适应体积控制，通过体积控制源与其他控制源的结合，以较优的不同位置不同密度的网格划分方式，适应反应物不同位置的差异化反应效率。
指定剖分体积的约束条件为：
Figure 786588DEST_PATH_IMAGE079
；
其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数，
Figure 556966DEST_PATH_IMAGE080
为范围系数。
对上述方法优化后的反应区域的网格进行检查，若反应区域的网格符合条件，则完成铝水反应制氢装置制氢的建模，否则，重新进行反应物区域的网格剖分。
故障预测模块，用于基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点。
基于铝水反应制氢装置结构参数计算铝水反应制氢装置管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 9944DEST_PATH_IMAGE051
，基于铝水反应制氢装置管壁温度分布变化计算铝水制氢反应过程管壁各个位置的实际温升
Figure 447748DEST_PATH_IMAGE052
，对比管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 960769DEST_PATH_IMAGE051
和实际温升
Figure 234755DEST_PATH_IMAGE052
，若
Figure 740692DEST_PATH_IMAGE072
，则位置k为预测故障点，其中
Figure 518155DEST_PATH_IMAGE054
为铝水反应制氢装置管壁位置k处能够承受的最大温升，
Figure 451345DEST_PATH_IMAGE055
为铝水制氢反应过程管壁位置k处的实际温升，
Figure 947048DEST_PATH_IMAGE056
为温升承受阈值。
进一步的，故障预测模块还用于基于预测的故障点发出提示，以便在铝水制氢过程之前维护铝水反应制氢装置。
进一步的，通过仿真计算铝水反应制氢装置管壁温度分布变化之外，系统还包括故障检测模块，用于在距离铝水反应制氢装置底面hd处的铝水反应制氢装置管壁上设置检测装置，检测是否存在铝水反应制氢装置底部是否存在堆积的物质，若存在，生成杂质超量提示。
故障预测模块还用于：统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障，具体来说：统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，拟合各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系，获取当前制氢过程的氢产量需求，基于各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系预测当前制氢过程的杂质预测高度，若杂质预测高度大于杂质高度阈值，则预测当前制氢过程会发生杂质超量故障。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序；当计算机程序被计算设备中的处理器执行时，使得计算设备执行如任一项所述的方法。
本发明基于铝水反应制氢过程的仿真和铝水反应制氢装置的建模，预测铝水反应制氢过程中的温度变化过程，从而获得反应器管壁上的温度变化，以预测反应器的故障点。基于仿真过程预测制氢过程中会出现的故障，实现故障的提前预报，提高了铝水制氢反应的成功机率，提高了氢产量，降低了制氢过程消耗的成本，提高了制氢过程的安全性。进一步的，除了温度仿真之外，本发明还提供了堆积杂质的预测，进一步提高了铝水制氢的成功机率和氢产量。
在仿真过程中，本发明随着反应时间的增加，水滴的上升高度随时间变化，进而影响了反应器内产热区域所在位置和水滴的蒸发和反应过程的产热量，受水滴上升高度变化的影响，本发明在内热源区外增设内热源衰减区，使得内热源区的热量为制氢过程中大部分水滴能够达到的高度，内热源衰减区为制氢过程中其余部分水滴能够到达的高度，分区计算反应器内的产热量进一步提高了产热量计算的准确度，从而提高了反应器管壁温度仿真的准确度，提高了故障预测的准确度。
为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节即可实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。这些描述并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可行的。另外，当在本文中用于指部件的位置时，上文和下文的术语或它们的同义词不一定指相对于外部参照的绝对位置，而是指部件的参考附图的相对位置。
此外，前述附图和描述包括许多概念和特征，其可以多种方式组合以实现多种有益效果和优点。因此，可组合来自各种不同附图的特征，部件，元件和/或概念，以产生未必在本说明书中示出或描述的实施方案或实施方式。此外，在任何特定实施方案和/或实施方式中，不一定需要具体附图或说明中所示的所有特征，部件，元件和/或概念。应当理解，此类实施方案和/或实施方式落入本说明书的范围。

Claims (10)

1.一种铝水反应制氢装置的故障检测方法，包括：
步骤S1：建立铝水反应制氢装置结构模型；
步骤S2：建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型；
步骤S3：基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型；
步骤S4：基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；
步骤S5：基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点；
其中，步骤S3具体包括建立铝水反应制氢装置参考坐标系，根据水滴蒸发和反应模型中水滴的上升高度对铝水反应制氢装置进行分区，获得内热源区、内热源衰减区和非内热源区；步骤S5之后还包括统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障。
2.根据权利要求1所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
所述基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障包括；
拟合各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系；
获取当前制氢过程的氢产量需求，基于各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量之间的关系预测当前制氢过程的杂质预测高度；
若杂质预测高度大于杂质高度阈值，则预测当前制氢过程会发生杂质超量故障。
3.根据权利要求1所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
所述步骤S2具体包括，统计历史铝水制氢反应过程中反应水进水管的温度变化，确定制氢反应时间阈值
Figure 509579DEST_PATH_IMAGE001
，根据铝水制氢反应时间
Figure 819862DEST_PATH_IMAGE002
计算单位体积的内热源散发的热量：
Figure 786550DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 385021DEST_PATH_IMAGE005
为铝水制氢反应时间
Figure 386344DEST_PATH_IMAGE006
的内热源单位体积散发的热量，
Figure 349752DEST_PATH_IMAGE007
为制氢反应时间阈值，
Figure 69315DEST_PATH_IMAGE008
为单个水滴在第一时间段内产生的热量，
Figure 673077DEST_PATH_IMAGE009
为单个水滴在第二时间段内产生的热量，
Figure 279639DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 725533DEST_PATH_IMAGE011
分别为第一时间段和第二时间段进水管阀门开关系数，
Figure 417545DEST_PATH_IMAGE012
为进水管的体积，
Figure 544770DEST_PATH_IMAGE013
为单个水滴的体积，
Figure 271418DEST_PATH_IMAGE014
为铝水反应制氢装置圆柱体底面半径，
Figure 888213DEST_PATH_IMAGE015
为第一时间段内水滴能够到达的高度，
Figure 522981DEST_PATH_IMAGE016
为水滴上升高度衰减系数。
4.根据权利要求1所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
所述对铝水反应制氢装置进行分区，具体包括：
内热源区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 1367DEST_PATH_IMAGE017
，底面半径为
Figure 831788DEST_PATH_IMAGE018
，上顶面圆心坐标为
Figure 307900DEST_PATH_IMAGE019
，其中，
Figure 223772DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 505849DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 190777DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 621146DEST_PATH_IMAGE023
为内热源区半径系数，内热源区的温度为
Figure 509468DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 782186DEST_PATH_IMAGE025
、b分别为高度分区阈值，
Figure 337932DEST_PATH_IMAGE026
；
内热源衰减区圆柱体下底面圆心坐标为
Figure 467431DEST_PATH_IMAGE027
，底面半径为
Figure 295579DEST_PATH_IMAGE028
，上顶面圆心坐标为
Figure 653879DEST_PATH_IMAGE029
，其中
Figure 581908DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 633041DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 745222DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 110476DEST_PATH_IMAGE033
为内热源衰减区半径系数，内热源衰减区的温度为
Figure 624502DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 299066DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 649276DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 121016DEST_PATH_IMAGE037
为内热源衰减区第i点的半径；hmin为单个水滴上升最小高度，hmax为单个水滴上升最大高度；R为圆柱体底面半径；
非内热源区为铝水反应制氢装置中除内热源区、内热源衰减区的其他区域。
5.根据权利要求1所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
建立铝水反应制氢装置的传热模型具体包括：
根据水滴蒸发和反应模型计算内热源区的热量
Figure 240282DEST_PATH_IMAGE038
、内热源衰减区释放的热量
Figure 820167DEST_PATH_IMAGE039
；
根据内热源区的热量、内热源衰减区释放的热量计算传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量
Figure 923253DEST_PATH_IMAGE040
，其中
Figure 676314DEST_PATH_IMAGE041
为非内热源区吸收的热量；
根据铝水反应制氢装置壁面温度分布计算铝水反应制氢装置管壁的总热量，得到传热模型：
Figure 368195DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 932032DEST_PATH_IMAGE043
传递至铝水反应制氢装置管壁的总热量，
Figure 509031DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 19778DEST_PATH_IMAGE045
分别为内热源区和内热源衰减区的平均比定压热容，
Figure 362904DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 550171DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 96690DEST_PATH_IMAGE048
分别为内热源区、内热源衰减区和管壁的温度，
Figure 722713DEST_PATH_IMAGE049
为热量传递损耗。
6.根据权利要求1所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
所述步骤S4具体包括：
导入步骤S3建立的传热模型和步骤S1建立的反应器结构模型，读入初始条件参数和温度场初值；计算内热源区、内热源衰减区的热源放热功率以获得内热源区和内热源衰减区的温度；对反应器结构模型进行有限元剖分，基于内热源区和内热源衰减区的温度迭代计算铝水反应制氢装置管壁温度分布变化。
7.根据权利要求6所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
对反应器结构模型进行有限元剖分具体包括：铝水反应制氢装置模型整体为第一区域，铝水反应制氢装置内放置反应物的区域为第二区域，所述第一区域包括所述第二区域；
对第一区域进行有限元网格剖分，根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；
对优化后的第二区域的网格进行检查，若通过检查，则完成铝水反应制氢装置制氢的建模，否则，返回根据第一约束条件对第二区域进行有限元网格剖分优化；
所述第一约束条件为网格尺寸大小与网格距离水滴位置远近的函数；三维空间内函数在y轴方向上的自变量变化对网格尺寸大小的影响大于在x轴方向上的自变量及在z轴方向上的自变量的变化对网格尺寸大小的影响。
8.根据权利要求7所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
三维空间内第一约束条件为：
Figure 874339DEST_PATH_IMAGE051
其中，Smax为设定的面积最大值，Smin为设定的面积最小值，S(i,j,k)为面积约束公式，i0为水滴位置在x轴方向上的像素坐标值，j0为水滴位置在y轴方向上的像素坐标值，k0为水滴位置在z轴方向上的像素坐标值，i,j,k为节点坐标，n为指数系数，a1、a2、a3为匹配系数，
Figure 297755DEST_PATH_IMAGE052
为范围系数。
9.根据权利要求1所述的铝水反应制氢装置的故障检测方法，其特征在于：
所述步骤S5具体包括：
基于铝水反应制氢装置结构参数计算铝水反应制氢装置管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 331570DEST_PATH_IMAGE053
；
基于铝水反应制氢装置管壁温度分布变化计算铝水制氢反应过程管壁各个位置的实际温升
Figure 433387DEST_PATH_IMAGE054
；
对比管壁各个位置能够承受的最大温升
Figure 751105DEST_PATH_IMAGE053
和实际温升
Figure 30908DEST_PATH_IMAGE054
，若
Figure 66866DEST_PATH_IMAGE055
，则位置k为预测故障点，其中
Figure 709724DEST_PATH_IMAGE056
为铝水反应制氢装置管壁位置k处能够承受的最大温升，
Figure 632681DEST_PATH_IMAGE057
为铝水制氢反应过程管壁位置k处的实际温升，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为温升承受阈值。
10.一种基于铝水制氢过程仿真的故障预测系统，包括：
模型建立模块，用于建立铝水反应制氢装置结构模型，建立铝水反应制氢装置的水滴蒸发和反应模型，并基于水滴蒸发和反应模型建立铝水反应制氢装置的传热模型；
仿真计算模块：用于基于传热模型和反应器结构模型仿真计算铝水制氢过程中铝水反应制氢装置管壁温度分布变化；
故障预测模块，用于基于管壁温度分布变化和铝水反应制氢装置结构参数预测铝水反应制氢装置故障点；
其中，建立铝水反应制氢装置的传热模型包括建立铝水反应制氢装置参考坐标系，根据水滴蒸发和反应模型中水滴的上升高度对铝水反应制氢装置进行分区，获得内热源区、内热源衰减区和非内热源区；故障预测模块还被配置为用于统计历史制氢过程中各时刻的铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量，基于铝水反应制氢装置底部杂质历史高度和历史产氢量预测杂质超量故障。
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