在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)受到各國(guó)的關(guān)注和研究。這種技術(shù)用超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，超臨界狀態(tài)的二氧化碳在經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后，由外部熱源加熱，加熱后的高溫超臨界二氧化碳驅(qū)動(dòng)渦輪，由渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和對(duì)外輸出功率，作功之后的二氧化碳再回到壓氣機(jī)再被壓縮，如此循環(huán)往復(fù)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢(shì)是它僅需外界提供500到800℃的溫度，利用太陽(yáng)能聚光器和吸熱器技術(shù)就能很容易達(dá)到這樣的溫度。

由于超臨界二氧化碳循環(huán)在極高的壓力下運(yùn)行，系統(tǒng)的微小參數(shù)波動(dòng)都有可能造成不可預(yù)知的事故。這對(duì)控制系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛要求。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，印度科技學(xué)院建立了該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）。

圖1 超臨界二氧化碳循環(huán)實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，印度科技學(xué)院開(kāi)發(fā)了基于物理機(jī)理的數(shù)字孿生體。該數(shù)字孿生體以一維熱流體系統(tǒng)仿真軟件Flownex為核心，利用其內(nèi)嵌的部件模塊，如管道、閥門(mén)、泵、壓縮機(jī)、換熱器、PID控制器等搭建了和實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)完全相同的數(shù)字孿生體（圖2）。

圖 2 Flownex搭建的超臨界二氧化碳循環(huán)仿真系統(tǒng)

Flownex具有強(qiáng)大的仿真能力，可計(jì)算氣體、液體、兩相流的流動(dòng)、傳熱和相變過(guò)程。超臨界CO2的物性變化很劇烈，F(xiàn)lownex內(nèi)嵌的物性庫(kù)里加入了超臨界CO2的完整數(shù)據(jù)，可以模擬過(guò)冷、過(guò)熱、兩相混合各個(gè)區(qū)間的物性變化（圖3）。此外，F(xiàn)lownex還分析快速變化及慢速變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；能夠計(jì)算流體和固體間的熱交換，計(jì)算系統(tǒng)各元件的壓力變化和換熱情況；具有電氣模塊和控制模塊，可以在仿真系統(tǒng)中添加各種控制元件，能夠?qū)λ矐B(tài)控制過(guò)程進(jìn)行仿真。

圖 3 Flownex中CO2的焓溫圖

在數(shù)據(jù)鏈接和人機(jī)界面方面，研究人員采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的硬件設(shè)備來(lái)控制物理實(shí)體，利用NI的LabVIEW把采集的參數(shù)通過(guò)接口傳遞給Flownex軟件。在獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，F(xiàn)lownex的動(dòng)態(tài)模擬就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真（圖4）。

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圖 4 超臨界二氧化碳循環(huán)數(shù)字孿生體的人機(jī)界面

在超臨界二氧化碳系統(tǒng)中，壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的設(shè)備范圍，其控制系統(tǒng)的小幅度調(diào)整，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。利用Flownex搭建的數(shù)字孿生體，研究人員能在數(shù)字孿生體中模擬各個(gè)控制操作引發(fā)的后果，確認(rèn)其滿足調(diào)試要求后再去操作物理系統(tǒng)，從而保證了該系統(tǒng)的安全運(yùn)行。