基于數(shù)字孿生技術(shù)的儲(chǔ)能裝置熱點(diǎn)溫度計(jì)算與分析

摘要：隨著我國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，電儲(chǔ)熱技術(shù)作為能源消納已廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)熱池溫度過(guò)高會(huì)帶來(lái)儲(chǔ)熱流體氣化和加熱柱損壞等問(wèn)題，且熱點(diǎn)溫度不能直接測(cè)量。本文基于有限元分析技術(shù)建立儲(chǔ)熱裝置溫度場(chǎng)數(shù)值分析模型，對(duì)儲(chǔ)熱池內(nèi)部流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算與分析，通過(guò)光纖測(cè)溫對(duì)儲(chǔ)熱裝置壁面的溫度進(jìn)行采集，基于數(shù)字孿生技術(shù)建立儲(chǔ)能裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)，由該系統(tǒng)推算儲(chǔ)熱池內(nèi)的熱點(diǎn)溫度。最后，通過(guò)儲(chǔ)熱裝置模型驗(yàn)證本文方法的正確性，本文建立的熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)熱裝置的溫度。

關(guān)鍵詞：電儲(chǔ)熱、數(shù)字孿生、熱點(diǎn)溫度、新能源

引言

能源是人民生活和社會(huì)進(jìn)步的源泉，隨著十四五規(guī)劃“碳達(dá)峰、碳中和”的提出，我國(guó)可再生能源的占比不斷升高。由于新能源發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性，電網(wǎng)的調(diào)峰能力明顯下降，多余電量就地消納困難，出現(xiàn)“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象，客觀的影響了新能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。因此，我國(guó)大力發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，由于電儲(chǔ)熱可以就地消納，在儲(chǔ)能技術(shù)中脫穎而出，電儲(chǔ)熱技術(shù)可極大地促進(jìn)我國(guó)新能源儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展[1-3]。

電儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)部的熱源一般選取高溫流體，利用電力系統(tǒng)中的低谷電加熱熱源，將電能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存在蓄熱池內(nèi)，到電網(wǎng)用電高峰期，熱源放熱向電力系統(tǒng)發(fā)電，以供使用。儲(chǔ)熱池內(nèi)的溫度可達(dá)幾百攝氏度，熱點(diǎn)溫度過(guò)高會(huì)使儲(chǔ)熱流體氣化發(fā)生爆炸，也會(huì)使加熱柱損壞影響壽命，同時(shí)，由于熱點(diǎn)溫度過(guò)高導(dǎo)致不能直接測(cè)量。因此，如何建立一套儲(chǔ)熱裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)是十分必要的。

本文采用有限元分析技術(shù)建立儲(chǔ)熱裝置溫度場(chǎng)數(shù)值分析模型，對(duì)儲(chǔ)熱裝置的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算與分析，通過(guò)光纖測(cè)溫對(duì)儲(chǔ)熱裝置的壁面溫度進(jìn)行采集，基于數(shù)字孿生技術(shù)建立儲(chǔ)能裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)，由該系統(tǒng)推算儲(chǔ)熱池內(nèi)的熱點(diǎn)溫度，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)熱裝置的溫度，最后，通過(guò)儲(chǔ)熱裝置模型驗(yàn)證本文方法的正確性。

1儲(chǔ)熱裝置的物理計(jì)算模型

本文建立的儲(chǔ)熱裝置模型基本參數(shù)如表1所示。儲(chǔ)熱裝置模型如圖1所示。

儲(chǔ)熱裝置中的蓄熱流體采用熔融鹽，其具體參數(shù)如表2所示。

2儲(chǔ)熱裝置的數(shù)學(xué)計(jì)算模型

本文基于數(shù)值孿生技術(shù)建立儲(chǔ)能裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。系統(tǒng)的分析流程圖如圖3所示。

3計(jì)算結(jié)果分析

儲(chǔ)熱裝置區(qū)域的流體流線圖如圖4所示，可知，加熱管通電發(fā)出熱量加熱熔融鹽流體，使熔融鹽流體在加熱池內(nèi)從下至上往復(fù)流動(dòng)。

儲(chǔ)熱裝置中部切面的流速分布如圖5所示，由圖可得，兩個(gè)加熱管之間的熔融鹽流體流速快，靠近儲(chǔ)熱池壁流速慢，這是由于隨著熔融鹽流體溫度升高，流體密度降低，產(chǎn)生浮升力，使熔融鹽加速向上流動(dòng)，而兩個(gè)加熱管之間的熔融鹽流體溫度最高，因此流速最快。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3所示，由表可知，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算誤差最大值為13.56%，最小誤差為2.1%。由分析可知，采用本文建立的系統(tǒng)，可以有效地預(yù)測(cè)儲(chǔ)熱區(qū)域熱點(diǎn)溫升，有利于對(duì)熱點(diǎn)溫度進(jìn)行控制。

4結(jié)論

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)建立了儲(chǔ)能裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)熱裝置模型進(jìn)行了計(jì)算與分析，得到的結(jié)論如下：

（1）本文建立的基于數(shù)字孿生技術(shù)的儲(chǔ)熱裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)可通過(guò)壁面低溫區(qū)的溫度推測(cè)熱點(diǎn)溫度，使儲(chǔ)熱裝置溫度監(jiān)測(cè)成為可能;

（2）采用本文建立的系統(tǒng)計(jì)算的溫度與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，誤差最大值為13.56%，最小誤差為-2.1%，滿足實(shí)際需要;

（3）通過(guò)本文建立的系統(tǒng)，可以預(yù)警儲(chǔ)熱裝置的高溫限值，有利于改善儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行性能，提升儲(chǔ)熱裝置的使用壽命。

由上述分析可知，通過(guò)本文方法建立的儲(chǔ)熱裝置熱點(diǎn)溫度感知系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)熱池內(nèi)的熱點(diǎn)溫度，該方法對(duì)儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行質(zhì)量的提高有較大幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]凌兆偉，王順江，句容濱等，高壓超大容量電儲(chǔ)熱接納風(fēng)電調(diào)度方法[J]. 東北電力技術(shù)，2020，41（11）：59～62.

[2]金齊，劉紅，尹洪超.耦合電鍋爐和儲(chǔ)熱的熱電聯(lián)合系統(tǒng)風(fēng)電消納分析[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)，2021，5（281）：30-35.

[3]劉光宇，朱凌，俞瑋捷等，數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2021，8（367）：52～58.

作者簡(jiǎn)介：劉晨熙（2005-），女，遼寧沈陽(yáng)人，滿族，高中生，研究方向：多能源互聯(lián)網(wǎng)。