一种基于数字孪生的液氢制取系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于数字孪生的液氢制取系统，所述基于数字孪生的液氢制取系统基于物理系的液氢制取装备直观建立对应的数字孪生系统，并将液氢制取装备上的各种压力传感器、温度传感器、流量计、转速计、氢浓度传感器和远程摄像等传感数据基于大数据、物联网、人工智能和5G通信等技术，同步显示在所述数字孪生系统上，通过对所述数字孪生系统的远程监测、动态仿真、能效优化分析、故障预警与FMECA分析等服务，充分展示所述液氢制取装备的运行状态、处理分析及自动监测预警，本发明专利技术交互手段好，可视化程度高，能够直观实时地展现液氢制取装备的运行状态，有效保障液氢制取装备的运行安全和现场运行人员的安全。全和现场运行人员的安全。全和现场运行人员的安全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的液氢制取系统


[0001]本专利技术涉及液氢制取和氢气液化
，特别是涉及一种基于数字孪生的液氢制取系统。

技术介绍

[0002]氢能能量密度高、清洁环保、使用方便，在燃烧时生成水，不产生任何污染物，被认为是一种理想的能源载体；发展氢能经济能够减少温室气体和细颗粒物的排放，实现能源多元化。一方面，氢能与现有的能源系统匹配和兼容，能方便、高效地转换成电或热，有较高的转化效率，通过可再生能源获取的剩余电力，可以将其转换为氢气储存起来，并运输到各地，在需要的时候随时随地使用。
[0003]在大规模运输过程中，液氢储氢密度高，可大幅度提高运输效率、降低储运压力和提高系统安全性。液氢制取装备也称为氢液化器，是使氢气液化成液体的关键装备。液氢制取装备通常由室温压缩机组、冷箱(含氢透平膨胀机组、多级低温换热器、内吸附器、低温工质预冷子系统等)、液氢储罐等组成。目前，国际上液氢制取装备主要供应商有美国空气产品公司、瑞士林德集团、法国液空集团、日本岩谷产业株式会社、日本川崎重工业株式会社等。现有液氢制取装备是采用基于工业PLC控制系统对当地液氢制取装备运行数据的远程监测，存在方法单一、交互手段弱等缺点，随着液氢制取装备规模达到几十吨/天甚至上百吨/天液化规模，现场维护、运行保障和人员成本等问题凸显。而且液氢制取装备中设备潜在故障或老化等，也会导致液氢制取装备运行过程中的安全问题逐渐增多，现有基于工业PLC控制系统难以做出预判，如何保障液氢制取装备运行安全已成为迫切需要解决的问题。

技术实现思路
r/>[0004]基于此，本专利技术的一目的是，提供一种基于数字孪生的液氢制取系统，通过对液氢制取装备的数字孪生系统的远程监测、动态仿真、能效优化分析、故障预警与FMECA分析等服务，充分展示物理系液氢制取装备的运行状态自动监测、处理分析及故障预警；能够直观实时地展现液氢制取装备的运行状态，有效保障液氢制取装备的运行安全和现场运行人员的安全。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种基于数字孪生的液氢制取系统，包括液氢制取装备、对应于所述液氢制取装备的数字孪生系统、可通信地连接于所述液氢制取装备和所述数字孪生系统的孪生数据平台、以及可通信地连接于所述孪生数据平台的应用服务平台；所述液氢制取装备用于测量和采集自身的数据信息，并将数据信息传输至所述孪生数据平台；所述孪生数据平台用于建立所述液氢制取装备和所述数字孪生系统之间的网络通信；所述数字孪生系统用于基于所述液氢制取装备测量和采集的数据信息，构建所述液氢制取装备的模型和模型库；所述应用服务平台用于基于大数据、物联网、人工智能和5G通信技术，建立与所述孪生数据平台之间的网络通信，所述应用服务平台包括可通信地连接于所述孪生数据平台的远程在线监测服务模块、动态调控服务模块、能效优化分析服务模
块以及故障预警与FMECA分析服务模块；所述远程在线监测服务模块用于实时获取所述液氢制取装备的运行状态数据，实时监控所述液氢制取装备的安全状态，对异常数据进行报警；所述动态调控服务模块用于根据所述液氢制取装备的动态调控规律，构建所述液氢制取装备的控制器的控制规律；所述能效优化分析服务模块用于获取所述液氢制取装备长期运行的历史数据，并基于历史数据比较所述液氢制取装备的运行顺序、子任务执行顺序以及交互顺序，根据比较差异，调整所述液氢制取装备的所述数字孪生系统的全局优化运行参数；所述故障预警与FMECA分析服务模块用于模拟生成故障数据，并对所述液氢制取装置进行故障分析。
[0006]在本专利技术的一实施例中，所述远程在线监测服务模块的报警类型包括压缩机监测报警、电源监测报警、透平膨胀机监测报警、低温容器监测报警、冷箱真空监测报警、氢泄漏报警、系统超压监测报警、烟雾报警中的一种或多种。
[0007]在本专利技术的一实施例中，所述数字孪生系统构建的所述液氢制取装备的模型包括传感器模型和电器元件模型；所述电器元件模型包括依次构建的压缩机模型、冷箱模型、低温容器模型、连接管路模型以及阀门模型，所述数字孪生系统根据所述液氢制取装备的各部分连接特点，选择相应的连接组件模块将各部分子模型连接，完成所述液氢制取装备的模型的构建；并根据所述液氢制取装备的实际功能和运行的要求，将所述传感器模型和所述电器元件模型安装在对应位置，和将构建的所述传感器模型和所述电器元件模型保存在所述液氢制取装备的模型库中。
[0008]在本专利技术的一实施例中，所述数字孪生系统包括传感数据模块和可通信地连接于所述传感数据模块的执行器模块，所述执行器模块用于基于所述传感数据模块传输的传感数据控制所述数字孪生系统的工作，所述数字孪生系统通过所述传感数据模块与所述孪生数据平台形成可通信连接。
[0009]在本专利技术的一实施例中，所述液氢制取装备包括主控制器和可通信地连接于所述主控制器的主执行器、温度传感器、压力传感器、流量计、阀位传感器、转速传感器、湿度传感器、液位计、摄像头、氢浓度传感器、痕量检测传感器以及烟雾报警器；其中，
[0010]所述主执行器用于接收所述主控制器的控制信号，来控制所述液氢制取装备的工作；
[0011]所述温度传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的温度信息，并将所述温度信息发送至所述主控制器；
[0012]所述压力传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的压力信息，并将所述压力信息发送至所述主控制器；
[0013]所述流量计用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的流量信息，并将所述流量信息发送至所述主控制器；
[0014]所述阀位传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的阀门的阀位信息，并将所述阀位信息发送至所述主控制器；
[0015]所述转速传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的转速信息，并将所述转速信息发送至所述主控制器；
[0016]所述湿度传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的湿度信息，并将所述湿度信息发送至所述主控制器；
[0017]所述液位计用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的液位信息，并将所述液位信息发送至所述主控制器；
[0018]所述摄像头用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备周边环境的视频图像信息，并将所述视频图像信息发送至所述主控制器；
[0019]所述氢浓度传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备的关键位号的氢浓度信息，并将所述氢浓度信息发送至所述主控制器；
[0020]所述痕量检测传感器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备内氮、水和碳氢化合物的浓度信息，并将所述浓度信息发送至所述主控制器；
[0021]所述烟雾报警器用于在所述主控制器的控制下，采集所述液氢制取装备周围烟雾信息，并将所述烟雾信息发送至所述主控制器。
[0022]在本专利技术的一实施例中，所述液氢制取装备还包括可通信地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的液氢制取系统，其特征在于,包括液氢制取装备、对应于所述液氢制取装备的数字孪生系统、可通信地连接于所述液氢制取装备和所述数字孪生系统的孪生数据平台、以及可通信地连接于所述孪生数据平台的应用服务平台；所述液氢制取装备用于测量和采集自身的数据信息，并将数据信息传输至所述孪生数据平台；所述孪生数据平台用于建立所述液氢制取装备和所述数字孪生系统之间的网络通信；所述数字孪生系统用于基于所述液氢制取装备测量和采集的数据信息，构建所述液氢制取装备的模型和模型库；所述应用服务平台用于基于大数据、物联网、人工智能和5G通信技术，建立与所述孪生数据平台之间的网络通信，所述应用服务平台包括可通信地连接于所述孪生数据平台的远程在线监测服务模块、动态调控服务模块、能效优化分析服务模块以及故障预警与FMECA分析服务模块；所述远程在线监测服务模块用于实时获取所述液氢制取装备的运行状态数据，实时监控所述液氢制取装备的安全状态，对异常数据进行报警；所述动态调控服务模块用于根据所述液氢制取装备的动态调控规律，构建所述液氢制取装备的控制器的控制规律；所述能效优化分析服务模块用于获取所述液氢制取装备长期运行的历史数据，并基于历史数据比较所述液氢制取装备的运行顺序、子任务执行顺序以及交互顺序，根据比较差异，调整所述液氢制取装备的所述数字孪生系统的全局优化运行参数；所述故障预警与FMECA分析服务模块用于模拟生成故障数据，并对所述液氢制取装置进行故障分析。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的液氢制取系统，其特征在于，所述远程在线监测服务模块的报警类型包括压缩机监测报警、电源监测报警、透平膨胀机监测报警、低温容器监测报警、冷箱真空监测报警、氢泄漏报警、系统超压监测报警、烟雾报警中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的液氢制取系统，其特征在于，所述数字孪生系统构建的所述液氢制取装备的模型包括传感器模型和电器元件模型；所述电器元件模型包括依次构建的压缩机模型、冷箱模型、低温容器模型、连接管路模型以及阀门模型，所述数字孪生系统根据所述液氢制取装备的各部分连接特点，选择相应的连接组件模块将各部分子模型连接，完成所述液氢制取装备的模型的构建；并根据所述液氢制取装备的实际功能和运行的要求，将所述传感器模型和所述电器元件模型安装在对应位置，和将构建的所述传感器模型和所述电器元件模型保存在所述液氢制取装备的模型库中。4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的液氢制取系统，其特征在于，所述数字孪生系统包括传感数据模块和可通信地连接于所述传感数据模块的执行器模块，所述执行器模块用于基于所述传感数据模块传输的传感数据控制所述数字孪生系统的工作，所述数字孪生系统通过所述传感数据模块与所述孪生数据平台形成可通信连接。5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于数字孪生的液氢制取系统，其特征在于，所述液氢制取装备包括主控制器和可通信地连接于所述主控制器的主执行...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢秀娟，薛瑞，杨少柒，王云龙，龚领会，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：