基于数字孪生技术的储能装置热点温度计算与分析

摘要：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。本文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，基于数字孪生技术建立储能装置热点温度感知系统，由该系统推算储热池内的热点温度。最后，通过储热装置模型验证本文方法的正确性，本文建立的热点温度感知系统可实时监测储热装置的温度。

关键词：电储热、数字孪生、热点温度、新能源

引言

能源是人民生活和社会进步的源泉，随着十四五规划“碳达峰、碳中和”的提出，我国可再生能源的占比不断升高。由于新能源发电的波动性和不确定性，电网的调峰能力明显下降，多余电量就地消纳困难，出现“弃风弃光”现象，客观的影响了新能源发电的经济性。因此，我國大力发展储能技术，由于电储热可以就地消纳，在储能技术中脱颖而出，电储热技术可极大地促进我国新能源储能技术的发展[1-3]。

电储热系统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。因此，如何建立一套储热装置热点温度感知系统是十分必要的。

本文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，基于数字孪生技术建立储能装置热点温度感知系统，由该系统推算储热池内的热点温度，该系统可实时监测储热装置的温度，最后，通过储热装置模型验证本文方法的正确性。

1储热装置的物理计算模型

本文建立的储热装置模型基本参数如表1所示。储热装置模型如图1所示。

储热装置中的蓄热流体采用熔融盐，其具体参数如表2所示。

2储热装置的数学计算模型

本文基于数值孪生技术建立储能装置热点温度感知系统，结构示意图如图2所示。系统的分析流程图如图3所示。

本文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，加热问题的方程组由质量、动量和能量守恒方程以及k、和紊流粘度方程组成，其中守恒方程的通用表达式为：

式中，为平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项，C1ε，C2ε为常量，σk，σε为k方程和ε方程的紊流普朗特数（Pr数）。

热传递的方式有传导、辐射和对流，变压器温度场计算主要考虑传导和对流。

3计算结果分析

储热装置区域的流体流线图如图4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。

实验测得的数据如表3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，采用本文建立的系统，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。

4结论

本文基于数字孪生技术建立了储能装置热点温度感知系统，并通过该系统对储热装置模型进行了计算与分析，得到的结论如下：

（1）本文建立的基于数字孪生技术的储热装置热点温度感知系统可通过壁面低温区的温度推测热点温度，使储热装置温度监测成为可能;

（2）采用本文建立的系统计算的温度与实验进行对比，误差最大值为13.56%，最小误差为-2.1%，满足实际需要;

（3）通过本文建立的系统，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。

由上述分析可知，通过本文方法建立的储热装置热点温度感知系统可实时监测储热池内的热点温度，该方法对储热装置的设计和运行质量的提高有较大帮助。

参考文献

[1]凌兆伟，王顺江，句容滨等，高压超大容量电储热接纳风电调度方法[J].东北电力技术，2020，41（11）：59～62.

[2]金齐，刘红，尹洪超.耦合电锅炉和储热的热电联合系统风电消纳分析[J].应用能源技术，2021，5（281）：30-35.

[3]刘光宇，朱凌，俞玮捷等，数字孪生虚拟仿真实验平台在实践教学中的应用，中国现代教育装备，2021，8（367）：52～58.

作者简介：刘晨熙（2005-），女，辽宁沈阳人，满族，高中生，研究方向：多能源互联网。