[发明专利]一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法

说明书

本发明涉及一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，包括以下步骤：1)根据碱性电解槽相关试验及工作机理，以槽温作为唯一孪生关联变量构建碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型；2)基于碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型，将数学驱动模型和电化学机理模型融合，以电解槽总电压、总电流、槽体温度、运行功率以及产氢量的特性表征参数作为观测变量，实现碱性电解槽运行特性的数字孪生建模，具体包括温升特性、功率调节特性、产氢效率特性和分离罐特性。与现有技术相比，本发明具有通用性强、流程简单、准确性高、工程可用性强等优点。

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法。

背景技术

氢能具有能量密度高、清洁无污染、高效可再生等特点，是解决能源资源危机和环境危机的最佳途径，因而被誉为“21世纪的终极能源”。氢能产业的发展离不开绿色、高效和安全的氢气制备，利用风、光等可再生能源发电制氢目前已表现出了巨大的应用前景，以电解水制氢技术为核心的可再生能源制氢已被多国列入各自的能源战略中。电解槽作为可再生能源电解水制氢系统的核心设备，随着其在制氢领域应用规模的不断扩大，电解槽的稳定与安全运行问题日益突出，尤其是其动态响应能力缺陷带来的负面影响不容忽视。当电解槽与风、光发电耦合应用时，由于风能和太阳能的间歇性和波动性，输送到电解槽的功率非恒定且波动范围较大，会引起系统频繁启停和负荷变动等问题，一方面会缩短设备使用寿命，另一方面会使设备工作效率降低，产氢量减少，这将严重制约可再生能源大规模发电的发展。构建碱性电解槽模型并仿真，实现对系统运行状态的实时监控，掌握其工作特性与状态对保障电解水制氢系统运行的科学性、稳定性和安全性均具有重要价值。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，包括以下步骤：

1)根据碱性电解槽相关试验及工作机理，以槽温作为唯一孪生关联变量构建碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型；

2)基于碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型，将数学驱动模型和电化学机理模型融合，以电解槽总电压、总电流、槽体温度、运行功率以及产氢量的特性表征参数作为观测变量，实现碱性电解槽运行特性的数字孪生建模，具体包括温升特性、功率调节特性、产氢效率特性和分离罐特性。

所述的步骤1)中，碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型通过二项式拟合得到，其表达式为：

其中，R_i(T)为电解槽等效电阻抗，A为二次项系数，B为一次项系数，C为常数项系数，且参数A、B、C均为一个数量级，[T_min,T_max]为槽温T的拟合取值范围。

所述的步骤2)中，构建碱性电解槽温升特性模型的具体步骤为：

将电解槽等效电阻抗基于电路理论的数学表达式转换为仅与温度相关的数学特征表达式；

基于阻抗泛化模型，以槽温为唯一变量获取电解槽经济额定功率，并将其作为电解槽运行功率上限；

以电化学反应热平衡方程为基础获取电-热模型数学方程，并得到电解槽保温功率仅与温度相关的模型，作为电解槽运行功率下限；

根据电-热模型数学方程对时间积分，进而获得碱性电解槽的温升特性模型。

所述的电化学反应热平衡方程具体为：

反应器内热量积累速率＝物料带入热量的速率+电化学反应器内产生热的速率-物料带出热量的速率-反应器散热速率±反应器内换热器的换热速率。

所述的温升特性模型的表达式为：