CN117230487A - 电解水制氢能耗监测的可视化系统 - Google Patents
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Abstract
为解决现有技术的存在问题中的至少一项，本发明提供了一种电解水制氢能耗监测的可视化系统，包括：业务总览子系统、数据统计分析子系统、数据仿真子系统、系统配置子系统，其中：业务总览子系统以3D可视化的方式显示制氢场站的能量流动以及制氢车间内工艺生产场景信息。数据统计分析子系统针对不同的分析内容采集对应的设备数据，并且按照对应的分析规则进行数据分析。数据仿真系统可以给出能效产出不同的推荐方案，并可以查看推荐方案的能效、工艺数据及设备数据的仿真信息。系统配置管理子系统对设备信息进行管理。本发明提供直观的数据可视化功能，以实时显示制氢厂站能耗生产、微观产氢等工作情况、反映实时能耗数据的趋势、变化和分布。
Description
技术领域
本发明涉及生产远程监控技术领域，尤其涉及一种电解水制氢能耗监测的可视化系统。
背景技术
传统的碱性电解水制氢技术，采用在电解质水溶液中加入硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等具有腐蚀性的电解质，用以增加溶液的导电性能，促进水的电解。由于电解水制氢是一个耗费电能和水产生氢气和氧气的生产过程，因此企业非常关注电解水制氢的能耗问题，现有技术因此常用电解水制氢能耗监测系统对电解水制氢生产过程进行能耗监测。
但是现有电解水制氢能耗监测系统存在：
1.一般以二维简化图的形式展示系统能耗情况，不利于用户直观发现能耗异常设备。
2.展示的能耗一般直接为单位时间的耗能情况，与产量关联性不强，用户无法直接判断该能耗的产出效益比。
3.可视化系统，尤其是三维可视化系统，需要较高配置的系统硬件才能支撑系统运行需要，用户的使用成本显著提高。
发明内容
为解决现有技术的存在问题中的至少一项，本发明提供了一种电解水制氢能耗监测的可视化系统，包括：业务总览子系统、数据统计分析子系统、数据仿真子系统、系统配置子系统，其中：
业务总览子系统以3D可视化的方式显示制氢场站的能量流动以及场站中制氢车间内工艺生产场景信息。
数据统计分析子系统针对不同的分析内容采集对应的设备数据，并且按照对应的分析规则进行数据分析。随后，将数据分析结果转换成所需格式，并在用户图形界面进行显示，或加载在制氢车间内工艺生产场景影像中。
数据仿真系统通过不同方案策略给出能效产出不同的推荐方案，并可以查看推荐方案的能效、工艺数据及设备数据的仿真信息。
系统配置管理子系统通过将所有设备登记在系统中，对设备信息进行管理。
进一步的，所述业务总览子系统首先获取电解水制氢工艺流程和设备信息，基于工艺流程在对应节点布置对应的3D设备模型，形成初步工艺生产场景3D场景图。然后通过人工修整的方式将初步工艺生产场景3D场景图修正为与制氢车间实际生产场景相对应的设备、管线布局方式，得到该制氢车间内工艺生产场景的3D可视化信息。
进一步的，所述业务总览子系统获取电解水制氢工艺流程，根据工艺流程得到车间内水、电在各设备间的流动信息，并根据水、电流动信息构建车间内水、电流动关系图。此时，所述业务总览子系统在水、电流动关系图中对需要耗电和/或耗水的设备进行能耗标注。
进一步的，所述业务总览子系统包括：制氢场站能量流动监测模块。所述制氢场站能量流动监测模块检测制氢场站中各个车间内的各个设备单位时间内的耗电量In和耗水量Hn，并获取车间中单个制氢设备的制氢产量Qm。
所述能耗标注包括：耗电量标注Gn，耗水量标注Jn，其中：
Gn=In/U，其中U为与In对应设备相关联的全部制氢设备的制氢产量之和。
Jn=Hn/R，其中R为与Hn对应设备相关联的全部制氢设备的制氢产量之和。
进一步的，所述获取制氢设备的制氢产量的方法包括：制氢场站能量流动监测模块检测电解槽的水位和补水速度，根据电解槽的水位变化和补水速度得到该电解槽单位时间内的总产气量，并根据总产气量中氢气的理论占比换算为该电解槽的单位时间内的制氢产量。
进一步的，所述获取制氢设备的制氢产量的方法包括：制氢场站能量流动监测模块检测氢气产品气输出管线中的氢气流量，根据氢气产品气流量得到单位时间内的制氢产量。
进一步的，所述数据统计分析子系统包括以下数据分析服务：综合查询统计分析服务、运行工况分析服务、物质能流分析服务、公辅系统分析服务、制氢系统分析服务、能耗计算法分析服务、设备分析服务。
进一步的，所述数据统计分析子系统通过采集程序实时读取PCL工控机的数据，并按照设置的时间主动调取运行数据，并将数据进行清洗后推送至监测服务器存入采集时序数据库。
数据分析服务读取时序数据库，并按照分析规则获取对应的数据进行数据分析，并得到相应的分析结果。
分析结果进行数据转化，以restful api 形式提供给页面用于用户图形界面渲染，并向用户进行展示。
进一步的，所述数据仿真子系统首先构建制氢厂站整体能耗模型。然后通过配置电源参数、供水参数、设备控制参数、控制阀控制参数，形成模拟控制状态，并以模拟控制状态在制氢厂站整体能耗模型中模拟制氢能耗。最后结合能耗模型和图标对比的方式展示该模拟控制状态与当前系统实际运行状态之间的能耗和制氢量对比。
进一步的，所述构建制氢厂站整体能耗模型的过程中引入自然环境元素，以实际环境中自然环境对制氢厂站能耗的影响修正对应自然环境元素中制氢厂站整体能耗模型。
进一步的，所述制氢厂站整体能耗模型一侧，以桑基图的形式表现系统总能量输入至各设备的能耗分布情况，并按照能量的流动方向，在顺着制氢车间内工艺生产场景的设备线路动态显示。
当设备故障时，将情况实时反馈在图中，流向管线即刻停止流动显示。
进一步的，所述业务总览子系统包括：对3D效果进行优化，具体包括采用如下技术手段中的至少一种进行优化：
（1）优化三维模型和纹理，具体包括：
减少模型的多边形数量，使用简化算法对模型进行优化。
减小纹理的分辨率，使用压缩算法对纹理进行优化。
删除不必要的细节和无关的物体，简化场景。
（2）选择轻量级渲染技术，具体包括：
使用基于点云或体素的渲染技术，或使用基于半透明的渲染方法进行轻量级渲染。
（3）采用硬件加速和流式处理,具体包括：
利用显卡的图形处理单元来加速渲染，减轻处理器的负担。
将三维场景分为多个小块，采用流式处理的方式进行加载和渲染，减少内存的占用。
（4）实现多层次细节管理，具体包括：
根据观察距离和物体重要性，动态地调整模型的细节层次。
使用LOD技术，根据视角距离远近自动切换模型的细节层次，减少多边形数量和纹理分辨率。
（5）数据压缩和优化，具体包括：
使用压缩算法对三维模型和纹理进行压缩，减小数据的体积，降低加载和渲染的时间。
对数据进行优化，减少不可见物体的渲染和动态加载。
（6）部分离线渲染，具体包括：
对于静态场景或预先制作的效果，将部分或全部渲染结果保存为离线数据。
调取对应场景或效果时，直接调取对应场景或效果渲染后的离线数据，避免二次重复渲染。
本发明至少具有以下有益效果之一：
1.本发明提供直观的数据可视化功能，以实时显示制氢厂站能耗生产、微观产氢等工作情况、反映实时能耗数据的趋势、变化和分布。
2.本发明显示的耗电、耗水数据与制氢产量相关，可反映能耗的产出比，更具有参考性。
3.本发明进行数据仿真时引入了自然环境因素对能耗的影响，使得仿真结果更贴合实际生产系统的能耗情况。
4.本发明对3D显示信息进行了必要的优化，从而使得本发明可视化系统即使在低配置硬件设备上也能流畅运行。
附图说明
图1所示为采用B/S架构设置的本发明电解水制氢能耗监测的可视化系统结构示意图。
图2所示为本发明系统主要功能模块的展示图。
图3所示为本发明实际车间内工艺生产场景对应的3D可视化模型。
图4所示为本发明数据统计分析子系统各项数据分析服务的基本分析流程图。
图5所示为本发明制氢厂站整体能耗模型图和能量桑吉图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
一种电解水制氢能耗监测的可视化系统，包括：业务总览子系统、数据统计分析子系统、数据仿真子系统、系统配置子系统，其中：
业务总览子系统以3D可视化的方式显示制氢场站的能量流动以及场站中制氢车间内工艺生产场景信息。
数据统计分析子系统针对不同的分析内容采集对应的设备数据，并且按照对应的分析规则进行数据分析。随后，将数据分析结果转换成所需格式，并在用户图形界面进行显示，或加载在制氢车间内工艺生产场景影像中。
数据仿真系统通过不同方案策略给出能效产出不同的推荐方案，并可以查看推荐方案的能效、工艺数据及设备数据的仿真信息。
系统配置管理子系统通过将所有设备登记在系统中，对设备信息进行管理。
根据需要，本发明电解水制氢能耗监测的可视化系统可采用B/S架构设置，如图1所示，系统框架主要分为客户端、负载均衡、网关、服务注册配置中心、微服务集群、缓存、数据库集群、文件存储。
基于微服务架构开发分为数据层、服务层、网关层、表现层。系统微服务各功能通过表现层的web端展示，微服务子系统用来完成业务总览、数据统计分析、数据仿真和系统配置管理几个功能，上述功能是基于包括系统配置、用户服务、数据采集、数据同步、数据分析、数据仿真、三维可视化和实时监测等模块完成。
系统的主要功能模块可如图2所示，在系统界面进行展示。
本发明可提供直观的数据可视化功能，以实时显示制氢厂站能耗生产、微观产氢等工作情况、反映实时能耗数据的趋势、变化和分布，从而使得用户可以非常直观的观察系统运行情况，当出现设备异常点时也可以十分直观的对应至异常点所属设备和区域，便于用户及时进行异常点分析和排查。
实施例2
基于实施例1所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，所述业务总览子系统首先获取电解水制氢工艺流程和设备信息，基于工艺流程在对应节点布置对应的3D设备模型，形成初步工艺生产场景3D场景图。然后通过人工修整的方式将初步工艺生产场景3D场景图修正为与制氢车间实际生产场景相对应的设备、管线布局方式，得到该制氢车间内工艺生产场景的3D可视化信息。
所述业务总览子系统获取电解水制氢工艺流程，根据工艺流程得到车间内水、电在各设备间的流动信息，并根据水、电流动信息构建车间内水、电流动关系图。此时，所述业务总览子系统在水、电流动关系图中对需要耗电和/或耗水的设备进行能耗标注。
如图3所示，本发明通过业务总览子系统不仅生成了与实际车间内工艺生产场景对应的3D可视化模型，而且构建了水、电流动关系图，并在关键点上进行了运行参数和能耗情况标注。
实施例3
基于实施例2所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，所述业务总览子系统包括：制氢场站能量流动监测模块。所述制氢场站能量流动监测模块检测制氢场站中各个车间内的各个设备单位时间内的耗电量In和耗水量Hn，并获取车间中单个制氢设备的制氢产量Qm。
所述能耗标注包括：耗电量标注Gn，耗水量标注Jn，其中：
Gn=In/U，其中U为与In对应设备相关联的全部制氢设备的制氢产量之和。
Jn=Hn/R，其中R为与Hn对应设备相关联的全部制氢设备的制氢产量之和。
本发明分析设备能耗时，不仅考虑了设备单位时间内消耗的电能或水的量，并且将与设备关联的制氢设备的制氢产量引入分析，因此得到的设备能耗数据Gn和Jn，不仅体现了设备本身的能耗情况，也反应了其产出比关系，使得工作人员可以更明确的判断当前生产系统运行条件下的能源-产出比，以判断能源利用率是否达到最佳。
实施例4
基于实施例3所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，所述获取制氢设备的制氢产量的方法包括：制氢场站能量流动监测模块检测电解槽的水位和补水速度，根据电解槽的水位变化和补水速度得到该电解槽单位时间内的总产气量，并根据总产气量中氢气的理论占比换算为该电解槽的单位时间内的制氢产量。
该方法以电解槽的水位变化得到被分解的水的体积，进而得到被分解水的质量，从而得到被分解水的摩尔量，最后可以得到分解产生的氢气和氧气的摩尔量。该方法从电解槽中水的消耗量直观反映了电解产生的氢气产量，可直观反映消耗的能耗与产出的氢气的关系，且随着系统控制参数的变化会出现实时的变化，数据灵敏度较高。
实施例5
基于实施例3所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，所述获取制氢设备的制氢产量的方法包括：制氢场站能量流动监测模块检测氢气产品气输出管线中的氢气流量，根据氢气产品气流量得到单位时间内的制氢产量。
该方法在生产系统平稳生产时，由于产品气的流量相对固定且易于检测，可直观反映氢气的产量。
实施例6
基于实施例1所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，所述数据统计分析子系统包括以下数据分析服务：综合查询统计分析服务、运行工况分析服务、物质能流分析服务、公辅系统分析服务、制氢系统分析服务、能耗计算法分析服务、设备分析服务。
数据统计分析子系统各项数据分析服务的基本分析流程如图4所示，包括：
数据统计分析子系统通过采集程序实时读取PCL工控机的数据，并按照设置的时间主动调取运行数据，并将数据进行清洗后推送至监测服务器存入采集时序数据库。
数据分析服务读取时序数据库，并按照分析规则获取对应的数据进行数据分析，并得到相应的分析结果。
分析结果进行数据转化，以restful api 形式提供给页面用于用户图形界面渲染，并向用户进行展示。
数据统计分析子系统为本发明系统提供了多项可选的数据分析服务，使得系统的综合服务能力较强。
实施例7
基于实施例1所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，如图5所示，所述数据仿真子系统首先构建制氢厂站整体能耗模型。然后通过配置电源参数、供水参数、设备控制参数、控制阀控制参数，形成模拟控制状态，并以模拟控制状态在制氢厂站整体能耗模型中模拟制氢能耗。最后结合能耗模型和图标对比的方式展示该模拟控制状态与当前系统实际运行状态之间的能耗和制氢量对比。
该方法使得本发明数据仿真子系统可以直观的方式向用户展示各种不同能耗状态下系统的模拟运行状态，有利于用户根据需要对实际的生产系统根据模拟形成的控制参数进行相应控制。
所述构建制氢厂站整体能耗模型的过程中引入自然环境元素，以实际环境中自然环境对制氢厂站能耗的影响修正对应自然环境元素中制氢厂站整体能耗模型。
本发明在构建能耗模型时，将可能引起能耗变化的自然环境因素引入模型进行分析，从而使得仿真系统的模拟准确性得到进一步提升。
实施例8
基于实施例6所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，如图5所示，所述制氢厂站整体能耗模型一侧，以桑基图的形式表现系统总能量输入至各设备的能耗分布情况，并按照能量的流动方向，在顺着制氢车间内工艺生产场景的设备线路动态显示。
当设备故障时，将情况实时反馈在图中，流向管线即刻停止流动显示。
该方法可向用户直观的展示生产系统的能量流动情况，并直观展示设备故障导致的能量流动变化，有利于用户及时进行设备排障处理。
实施例9
基于实施例1所述的电解水制氢能耗监测的可视化系统，所述业务总览子系统包括：对3D效果进行优化，具体包括采用如下技术手段中的至少一种进行优化：
（1）优化三维模型和纹理，具体包括：
减少模型的多边形数量，使用简化算法对模型进行优化。
减小纹理的分辨率，使用压缩算法对纹理进行优化。
删除不必要的细节和无关的物体，简化场景。
（2）选择轻量级渲染技术，具体包括：
使用基于点云或体素的渲染技术，或使用基于半透明的渲染方法进行轻量级渲染。
（3）采用硬件加速和流式处理,具体包括：
利用显卡的图形处理单元来加速渲染，减轻处理器的负担。
将三维场景分为多个小块，采用流式处理的方式进行加载和渲染，减少内存的占用。
（4）实现多层次细节管理，具体包括：
根据观察距离和物体重要性，动态地调整模型的细节层次。
使用LOD技术，根据视角距离远近自动切换模型的细节层次，减少多边形数量和纹理分辨率。
（5）数据压缩和优化，具体包括：
使用压缩算法对三维模型和纹理进行压缩，减小数据的体积，降低加载和渲染的时间。
对数据进行优化，减少不可见物体的渲染和动态加载。
（6）部分离线渲染，具体包括：
对于静态场景或预先制作的效果，将部分或全部渲染结果保存为离线数据。
调取对应场景或效果时，直接调取对应场景或效果渲染后的离线数据，避免二次重复渲染。
通过上述优化可以实现在普通配置电脑上流畅运行系统三维效果，以满足用户应用需求。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (12)
1.一种电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，包括：业务总览子系统、数据统计分析子系统、数据仿真子系统、系统配置子系统，其中：
业务总览子系统以3D可视化的方式显示制氢场站与场站的能量流动以及场站中制氢车间内工艺生产场景信息；
数据统计分析子系统针对不同的分析内容采集对应的设备数据，并且按照对应的分析规则进行数据分析；随后，将数据分析结果转换成所需格式，并在用户图形界面进行显示，或加载在制氢车间内工艺生产场景影像中；
数据仿真系统通过不同方案策略给出能效产出不同的推荐方案，并可以查看推荐方案的能效、工艺数据及设备数据的仿真信息；
系统配置管理子系统通过将所有设备登记在系统中，对设备信息进行管理。
2.根据权利要求1所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述业务总览子系统首先获取电解水制氢工艺流程和设备信息，基于工艺流程在对应节点布置对应的3D设备模型，形成初步工艺生产场景3D场景图；然后通过人工修整的方式将初步工艺生产场景3D场景图修正为与制氢车间实际生产场景相对应的设备、管线布局方式，得到该制氢车间内工艺生产场景的3D可视化信息。
3.根据权利要求1所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述业务总览子系统获取电解水制氢工艺流程，根据工艺流程得到车间内水、电在各设备间的流动信息，并根据水、电流动信息构建车间内水、电流动关系图；此时，所述业务总览子系统在水、电流动关系图中对需要耗电和/或耗水的设备进行能耗标注。
4.根据权利要求3所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述业务总览子系统包括：制氢场站能量流动监测模块；所述制氢场站能量流动监测模块检测制氢场站中各个车间内的各个设备单位时间内的耗电量In和耗水量Hn，并获取车间中单个制氢设备的制氢产量Qm；
所述能耗标注包括：耗电量标注Gn，耗水量标注Jn，其中：
Gn=In/U，其中U为与In对应设备相关联的全部制氢设备的制氢产量之和；
Jn=Hn/R，其中R为与Hn对应设备相关联的全部制氢设备的制氢产量之和。
5.根据权利要求4所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，获取制氢设备的制氢产量的方法包括：制氢场站与场站能量流动监测模块检测电解槽的水位和补水速度，根据电解槽的水位变化和补水速度得到该电解槽单位时间内的总产气量，并根据总产气量中氢气的理论占比换算为该电解槽的单位时间内的制氢产量。
6.根据权利要求4所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，获取制氢设备的制氢产量的方法包括：制氢场站与场站能量流动监测模块检测氢气产品气输出管线中的氢气流量，根据氢气产品气流量得到单位时间内的制氢产量。
7.根据权利要求1所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述数据统计分析子系统包括以下数据分析服务：综合查询统计分析服务、运行工况分析服务、物质能流分析服务、公辅系统分析服务、制氢系统分析服务、能耗计算法分析服务、设备分析服务。
8.根据权利要求1或7任一所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述数据统计分析子系统通过采集程序实时读取PCL工控机的数据，并按照设置的时间主动调取运行数据，并将数据进行清洗后推送至监测服务器存入采集时序数据库；
数据分析服务读取时序数据库，并按照分析规则获取对应的数据进行数据分析，并得到相应的分析结果；
分析结果进行数据转化，以restful api 形式提供给页面用于用户图形界面渲染，并向用户进行展示。
9.根据权利要求1所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述数据仿真子系统首先构建制氢厂站整体能耗模型；然后通过配置电源参数、供水参数、设备控制参数、控制阀控制参数，形成模拟控制状态，并以模拟控制状态在制氢厂站整体能耗模型中模拟制氢能耗；最后结合能耗模型和图标对比的方式展示该模拟控制状态与当前系统实际运行状态之间的能耗和制氢量对比。
10.根据权利要求9所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述构建制氢厂站整体能耗模型的过程中引入自然环境元素，以实际环境中自然环境对制氢厂站能耗的影响修正对应自然环境元素中制氢厂站整体能耗模型。
11.根据权利要求9所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述制氢厂站整体能耗模型一侧，以桑基图的形式表现系统总能量输入至各设备的能耗分布情况，并按照能量的流动方向，在顺着制氢车间内工艺生产场景的设备线路动态显示；
当设备故障时，将情况实时反馈在图中，流向管线即刻停止流动显示。
12.根据权利要求1所述电解水制氢能耗监测的可视化系统，其特征在于，所述业务总览子系统包括：对3D效果进行优化，具体包括采用如下技术手段中的至少一种进行优化：
（1）优化三维模型和纹理，具体包括：
减少模型的多边形数量，使用简化算法对模型进行优化；
减小纹理的分辨率，使用压缩算法对纹理进行优化；
删除不必要的细节和无关的物体，简化场景；
（2）选择轻量级渲染技术，具体包括：
使用基于点云或体素的渲染技术，或使用基于半透明的渲染方法进行轻量级渲染；
（3）采用硬件加速和流式处理,具体包括：
利用显卡的图形处理单元来加速渲染，减轻处理器的负担；
将三维场景分为多个小块，采用流式处理的方式进行加载和渲染，减少内存的占用；
（4）实现多层次细节管理，具体包括：
根据观察距离和物体重要性，动态地调整模型的细节层次；
使用LOD技术，根据视角距离远近自动切换模型的细节层次，减少多边形数量和纹理分辨率；
（5）数据压缩和优化，具体包括：
使用压缩算法对三维模型和纹理进行压缩，减小数据的体积，降低加载和渲染的时间；
对数据进行优化，减少不可见物体的渲染和动态加载；
（6）部分离线渲染，具体包括：
对于静态场景或预先制作的效果，将部分或全部渲染结果保存为离线数据；
调取对应场景或效果时，直接调取对应场景或效果渲染后的离线数据，避免二次重复渲染。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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- 2023-11-14 CN CN202311509870.7A patent/CN117230487A/zh active Pending
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