导航：X技术最新专利计算;推算;计数设备的制造及其应用技术

  1.本发明实施例涉及模拟仿真技术，尤其涉及一种电解水制氢仿真系统和方法。

  2.电解水制氢是将水电解为氢气和氧气，不会产生污染气体，因而在现代制氢领域具备极其重大的应用。

  3.电解水制氢涉及到电气、热、化工流程等场景，由于涉及到的系统众多，仿真分析就显得格外重要；然而，现有的仿真系统无法仿真电解水制氢所涉及到的完整流程。

  4.本发明提供一种电解水制氢仿真系统和方法，以实现对电解水制氢的完整流程的仿线.第一方面，本发明实施例提供了一种电解水制氢仿真系统，所述电解水制氢仿线.第一仿真单元，用于仿真制氢电力系统以获取制氢电参数；

  8.第二仿真单元，用于根据所述制氢电参数和所述控制指令仿真所述制氢化工系统以获取制氢结果；

  9.数据交互单元，所述第一仿真单元、所述控制器单元及所述第二仿真单元能够经所述数据交互单元进行数据交互。

  10.可选地，所述数据交互单元还配置为若所述第一仿真单元与所述第二仿真单元的仿真步长不一致，则调用所述第一仿真单元与所述第二仿真单元中仿线.可选地，所述数据交互单元包括与所述第一仿真单元适配的第一数据接口、与所述第二仿真单元适配的第二数据接口以及与所述控制器单元适配的第三数据接口。

  12.可选地，所述数据交互单元还配置为实现所述第一仿真单元、所述第二仿真单元及所述控制器单元之间的数据转换适配。

  13.可选地，所述第一仿真单元、所述控制器单元及所述第二仿真单元能够经所述数据交互单元进行数据交互，包括：

  14.所述第一仿真单元将所述制氢电参数发送至所述数据交互单元，并由所述数据交互单元进行数据转换后发送至所述第二仿线.所述控制器单元将所述控制指令发送至所述数据交互单元，并由所述数据交互单元进行数据转换后发送至所述第二仿线.所述第二仿真单元将所述制氢结果发送至所述数据交互单元，，并由所述数据交互单元进行数据转换后发送至所述控制器单元。

  17.可选地，所述制氢结果包括制氢工艺参数反馈量，所述控制器单元配置为根据所

  21.可选地，所述第一仿真单元包括：热力学模块、可再次生产的能源模块、制氢电源模块和电解槽模块；

  22.所述可再次生产的能源模块与所述制氢电源模块电连接，用于模拟可再次生产的能源发电；

  23.所述制氢电源模块与所述电解槽模块电连接，用于为所述电解槽模块供电；

  24.所述热力学模块与所述电解槽模块连接，用于获取所述电解槽模块的温度。

  26.可选地，所述第二仿线.通过管路首尾依次相连的电解槽、氢气气液分离冷却器和碱液循环泵组成的第一循环回路；所述第二仿真单元还包括氧气气液分离冷却器，所述电解槽、所述氧气气液分离冷却器和所述碱液循环泵通过管路依次首尾相连组成第二循环回路。

  28.第二方面，本发明实施例还提供了一种电解水制氢仿真方法，由第一方面所述的电解水制氢仿真系统执行，所述电解水制氢仿线.利用第一仿真单元仿真制氢电力系统以获取制氢电参数；

  31.利用数据交互单元将所述制氢电参数及所述控制指令发送至第二仿线.利用所述第二仿真单元根据制氢电参数和所述控制指令仿真所述制氢化工系统以获取制氢结果。

  33.可选地，所述电解水制氢仿线.若所述第一仿真单元和所述第二仿真单元的仿真步长不一致，则控制所述第一仿真单元和所述第二仿真单元中仿真步长较小者先运行，仿线.可选地，所述利用所述第二仿真单元根据制氢电参数和所述控制指令仿真所述制氢化工系统以获取制氢结果之后还包括：

  37.其中，所述制氢结果包括制氢工艺参数反馈量，所述控制器单元根据所述制氢工艺参数反馈量调整所述控制指令。

  38.可选地，所述利用第一仿真单元仿真制氢电力系统以获取制氢电参数之前还包括：

  40.若模拟运行时间小于预设值，则执行利用第一仿真单元仿真制氢电力系统以获取制氢电参数的步骤；若模拟运行时间不小于预设值，则结束仿线.所述数据交互单元将所述制氢结果发送至所述控制器单元之后还包括：

  43.本发明实施例的技术方案，采用的电解水制氢仿真系统包括：第一仿真单元，用于仿真制氢电力系统以获取制氢电参数；控制器单元，用于输出控制指令以控制制氢化工系统中制氢工艺参数；第二仿真单元，用于根据制氢电参数和控制指令仿真制氢化工系统以

  获取制氢结果；数据交互单元，第一仿真单元、控制器单元及第二仿真单元能够经数据交互单元进行数据交互。通过第一仿真单元和第二仿真单元分别仿真模拟制氢电力系统和制氢化工系统，通过设置控制器单元实现制氢过程中的相关控制，通过数据交互单元实现不同仿真单元和控制器单元间的数据传输与交互，也即通过数据交互单元，第一仿真单元、第二仿真单元和控制器单元之间可以有效的进行数据交互，以此来实现了对电解水制氢完整过程的仿线为本发明实施例提供的一种电解水制氢仿线为本发明实施例提供的一种第一仿真单元中制氢电力系统的结构示意图；

  46.图3为本发明实施例提供的一种第二仿真单元中制氢化工系统的结构示意图；

  47.图4为本发明实施例提供的一种电解水制氢仿线为本发明实施例提供的又一种电解水制氢仿真方法的流程图。

  49.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。能够理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

  50.图1为本发明实施例提供的一种电解水制氢仿真系统的结构示意图，参考图1，电解水制氢仿真系统包括：第一仿线，用于仿真制氢电力系统以获取制氢电参数；控制器单元12，用于输出控制指令以控制制氢化工系统中制氢工艺参数；第二仿线，用于根据制氢电参数和控制指令仿真制氢化工系统以获取制氢结果；数据交互单元14，第一仿线及第二仿线.具体地，电解水制氢过程为将直流电加载在电解槽的两端，将电解槽内的水电解成氢气和氧气；制氢电力系统用于模拟制氢过程中涉及到的电力部分，并向制氢化工系统提供制氢电参数，制氢电参数例如可以是功率、电压和电流中的至少一种，本发明不作限定；制氢电力系统可通过专业的电力系统仿真平台做仿真，从而极大地提高仿真的准确性；制氢化工系统用于仿真制氢过程中所有的化工流程，例如根据接收到的控制指令来控制制氢工艺参数(制氢工艺参数例如可以包括温度、液位、流量和压力等)，并可根据制氢电参数和控制指令仿真出制氢结果，制氢结果例如可以包括制氢速率、气液分离物料信息和碱液温度等；制氢化工系统可通过专业的化工系统仿真平台做仿真，来提升仿线可输出控制指令，进而控制制氢化工系统中的各项参数，例如冷却水流量等信息；由于第一仿线和第二仿线为不同的仿真单元，接口并不统一，无法直接进行交互，从而也就无法联合仿真。因此，本实施例中通过设置数据交互单元14作为接口环境，数据交互单元14具有与所述第一仿线适配的第一数据接口、与所述第二仿线适配的第二数据接口以及与所述控制器单元12适配的第三数据接口，从而使得第一仿线进行交互，第二仿线进行交互；也即通过数据交互单元14，第一仿线、第二仿线之间可以有效的进行数据交互，

  从而实现了电解水制氢完整过程的仿线为硬件平台，本发明还可以通过数据交互单元14实现软件和硬件的联合仿线.本实施例的技术方案，采用的电解水制氢仿真系统包括：第一仿真单元，用于仿真制氢电力系统以获取制氢电参数；控制器单元，用于输出控制指令以控制制氢化工系统中制氢工艺参数；第二仿真单元，用于根据制氢电参数和控制指令仿真制氢化工系统以获取制氢结果；数据交互单元，第一仿真单元、控制器单元及第二仿真单元能够经数据交互单元进行数据交互。通过第一仿真单元和第二仿真单元分别仿真模拟制氢电力系统和制氢化工系统，通过设置控制器单元实现制氢过程中的相关控制，通过数据交互单元实现不同仿真单元和控制器单元间的数据传输与交互，也即通过数据交互单元，第一仿真单元、第二仿真单元和控制器单元之间可以有效的进行数据交互，以此来实现了对电解水制氢完整过程的仿线.需要说明的是，本实施例以第一仿真单元仿真制氢电力系统，第二仿真单元仿真制氢化工系统为例进行了说明；在其它一些实施方式中，还可通过一个联合仿真单元，联合仿真单元既可以仿真制氢电力系统，又可以仿真制氢化工系统；联合仿真单元、控制器单元能够经由数据交互单元进行数据交互。

  54.控制器单元12例如可以是plc，当然也可以是dsp、arm或服务器等，本发明对此不作具体限定。

  55.可选地，数据交互单元14还配置为若第一仿线与第二仿线的仿真步长不一致，则调用第一仿真单元和第二仿真单元中仿线.具体地，第一仿线和第二仿线的仿真步长不一致时，无法直接进行联合仿真，可通过仿真步长较小者先运行，仿真步长较大者后运行，以此来实现两者的联合仿真。在本实施例中，第一仿线为仿真制氢电力系统的平台，电力系统的仿真平台通常步长较小，例如计算步长为10e-6秒，而化工系统的计算步长往往为秒级，因此第一仿线和第二仿线的联合仿真存在比较大的困难；因此，本实施例中，通过设置数据交互单元14调用第一仿线先仿真出制氢电参数，随后再调用第二仿线根据制氢电参数和控制指令来进行仿真，也即先执行第一仿线的仿真，再执行第二仿线的仿真，从而解决了两者步长不同无法联合仿线.可选地，数据交互单元14包括与第一仿线适配的第一数据接口、与第二仿线适配的第二数据接口及与控制器单元适配的第三数据接口。

  58.具体地，本实施例中为数据交互单元14配置不同的数据接口来实现不同模块之间的数据传输。示例性地，第一仿线包含dymola时，第一数据接口可配置为api或fmi接口；第二仿线包含aspenplus时，第二数据接口可配置为activex com接口；控制器单元12为可编程逻辑控制器plc时，第三数据接口可配置为modbus接口或iec104接口。

  59.可选地，数据交互单元14还配置为实现第一仿线、第二仿线之间的数据转换适配。

  60.具体地，第一仿线、第二仿线各自的数据格式可能不同，例如数据的进制不同，直接进行交互有极大几率会出现交互异常的现象。因此，可通过数据交互单元将三者的数据格式进行匹配，如将一个模块接收的数据转换为将要发送的目标模块所需的数据格式后再传输至目标模块。

  61.示例性地，第一仿线将制氢电参数发送至数据交互单元14，并由数据交互

  单元14进行数据转换后发送至第二仿线将控制指令发送至数据交互单元14，并由数据交互单元14进行数据转换后发送至第二仿线；第二仿线将制氢结果发送至数据交互单元14，并由数据交互单元14进行数据转换后发送至控制器单元12。

  62.具体地，第一仿线的数据格式例如是第一格式，第二仿线的数据格式例如是第二格式，控制器单元12的数据格式例如是第三格式；第一格式、第二格式和第三格式例如是进制不同。第一仿线将第一格式的制氢电参数发送至数据交互单元14，数据交互单元14将其转换为第二格式的数据后发送至第二仿线将第三格式的控制指令发送至数据交互单元14，数据交互单元14将其转换为第二格式的数据后发送至第二仿线。第二仿线将第二格式的制氢结果发送至数据交互单元14，数据交互单元14将其转换为第三格式后发送至控制器单元12。另外，制氢结果还可包括制氢工艺参数反馈量，控制器单元12配置为根据制氢工艺参数反馈量调整控制指令。制氢结果包括制氢工艺参数反馈量(制氢工艺参数反馈量例如可以包括温度反馈量、液位反馈量、流量反馈量和压力反馈量等)，控制器单元12能够准确的通过制氢工艺参数反馈量自动调整控制指令，从而调整第二仿真单元的仿真状态，实现电解水制氢仿真系统的闭环控制(例如能轻松实现对温度、液位、流量、压力的闭环控制等)，来保证制氢过程的安全运行。

  64.具体地，第一控制器例如可以是服务器，第一控制器上安装有python软件；python软件可实现支持多种协议，例如支持与第一仿线、第二仿线间的通讯协议，例如通过modbus协议获取控制器单元的控制指令，并发送控制指令至第二仿真单元。python具有灵活性高，支持的协议众多等优点，因此将搭载python的第一控制器作为数据交互单元，可以简洁方便的完成数据交互单元的功能，开发难度也较低，从而能够降低电解水制氢仿真系统的成本。当然，数据交互单元还可以是搭载其它软件的控制器，只要搭载的软件能够与第一仿真单元、第二仿真单元及控制器单元进行交互即可。

  66.具体地，第二控制器例如可以是服务器，第二控制器上安装有dymola软件；dymola软件为基于modelica语言建模的软件平台，可以运行包含分布式能源的电力系统模型，从而极大地提高制氢电参数仿真的准确性。当然，第一仿真单元还可以是搭载其它可以模拟制氢电力系统软件的控制器，例如openmodelica、mworks等。

  67.示例性地，图2为本发明实施例提供的一种第一仿真单元中制氢电力系统的结构示意图，参考图2，第一仿真单元包括可再次生产的能源模块111、制氢电源模块112、电解槽模块113和热力学模块114；可再次生产的能源模块111与制氢电源模块112电连接，用于模拟可再次生产的能源发电；制氢电源模块112与电解槽模块113电连接，用于为电解槽模块113供电；热力学模块114与电解槽模块113连接，用于获取电解槽的温度。

  68.具体地，本实施例的制氢电力系统可由光伏提供能源，也即可再次生产的能源模块111为光伏发电模块，当然，在其它一些实施方式中，还可以是由风力发电或者生物能发电等，只需要将可再次生产的能源模块111替换为其它的模块即可。可再次生产的能源模块111产生的电能不稳定，可通过制氢电源模块112将可再次生产的能源模块111发出的电能转换为能够使得电解槽模块113稳定工作的直流电；电解槽模块113根据制氢电源模块112提供的直流电进行电解，电解

  过程中由于会进行热量交换，例如可能会升温或者降温，通过热力学模块114获取电解槽模块113的温度。需要说明的是，在其它一些实施方式中，例如在制氢化工系统的仿真中包含电解槽时，第一仿真单元也可不包含电解槽模块和热力学模块。此外，第一仿真单元仿真的制氢电力系统的结构中可包含更多或更少的部件，本发明对此不作限定。

  69.优选地，第一仿线为搭载dymola的第二控制器时，其仿真处理流程为：模型源代码经过平坦化处理，所有的方程组会根据方程组之间的数据依赖关系进行拓扑排序，对于微分代数方程组，将方程系数矩阵变换为下三角形式，然后通过包含代数化简算法和符号指标约减法等的优化器消除大部分方程至最小方程集，最后生成c代码与数值方程求解器链接，求解处理后的简化方程。

  71.具体地，第三控制器例如可以是服务器，第三控制器上搭载aspenplus软件；aspenplus软件在制氢化工流程建模方面拥有非常良好的仿真效果，可以对制氢化工系统来进行较为精确的仿真。当然，在其它一些实施方式中，第二仿线还可以是搭载其它软件的控制器，只要能够对制氢化工系统来进行仿线为本发明实施例提供的一种第二仿真单元中制氢化工系统的结构示意图，参考图3，第二仿真单元中制氢化工系统包括：通过管路首尾相连的电解槽121、氢气气液分离冷却器122和碱液循环泵123组成的第一循环回路；第二仿真单元中制氢化工系统还包括氧气气液分离冷却器124，电解槽121、氧气气液分离冷却器124和碱液循环泵123通过管路依次首尾相连组成第二循环回路。

  73.具体地，电解槽121将水电解后生成的氢气进入氢气气液分离冷却器122中，氢气气液分离冷却器122中的液体部分由于重力作用向下流入碱液循环泵123中；同时电解槽121中生成的氧气进入氧气气液分离冷却器124中，氧气气液分离冷却器124中的液体部分由于重力作用向下流入碱液循环泵123中，碱液循环泵123中的碱液最终又流入电解槽121中，从而完成循环过程。氢气气液分离冷却器122上可包括冷却水出口、冷却水进口以及手动截止阀等；另外还可包括除盐水；氧气气液分离冷却器124上可包括冷却水出口、冷却水进口和手动截止阀等；制氢化工系统还可包括冷却水系统127，具体可包括冷却水循环泵和风冷等设备；制氢化工系统还可包括换热器125和过滤器126等装置，换热器125和过滤器126通过管路连接在第一循环回路和第二循环回路中，具体连接在碱液循环泵123和气液分离循环泵之间。制氢化工系统还可包括氧分析仪、氢气纯化流程模块以及氢分析仪等模块。

  74.本发明实施例还提供了一种电解水制氢仿线为本发明实施例提供的一种电解水制氢仿真方法的流程图，电解水制氢仿真方法由本发明任意实施例提供的电解水制氢仿真系统执行，上述的仿线,利用第一仿真单元仿真制氢电力系统以获取制氢电参数；

  76.步骤s102，利用控制器单元输出控制指令以控制制氢化工系统中制氢工艺参数；

  77.步骤s103，利用数据交互单元将制氢电参数及控制指令发送至第二仿线，利用第二仿真单元根据制氢电参数和控制指令仿真制氢化工系统以获取制氢结果。

  79.具体地，由于第一仿真单元、控制器单元和第二仿真单元为不同的仿真单元，接口并不统一，无法直接进行交互，从而也就无法联合仿真，本实施例中通过设置数据交互单元

  作为接口环境，数据交互单元支持第一仿真单元的接口协议，支持第二仿真单元的接口协议，同时还支持控制器单元的接口协议，使得第一仿真单元能够和数据交互单元进行交互，第二仿真单元能够与数据交互单元进行交互，控制器单元也能够与数据交互单元进行交互；也即通过数据交互单元，第一仿真单元、第二仿真单元和控制器单元之间可以有效的进行数据交互，以此来实现了电解水制氢完整过程的仿真。且由于控制器单元为硬件平台，本发明还可以通过数据交互单元实现软件和硬件的联合仿线.需要说明的是，步骤s101和步骤s102的顺序可以互换。

  81.可选地，电解水制氢仿真方法还包括：若第一仿真单元和第二仿真单元的仿真步长不一致，则控制第一仿真单元和第二仿真单元中仿真步长较小者先运行，仿线.本实施例采用的电解水制氢仿真方法，通过设置数据交互单元，第一仿真单元能够和数据交互单元进行交互，第二仿真单元能够与数据交互单元进行交互，控制器单元也能够与数据交互单元进行交互；也即通过数据交互单元，第一仿真单元、第二仿真单元和控制器单元之间可以有效的进行数据交互，以此来实现了电解水制氢完整过程的仿真。另外通过设置仿真步长较小者先运行，例如设置第一仿真单元先仿真出制氢电参数，随后再由仿真步长较大者后运行，例如第二仿真单元根据制氢电参数和控制指令来进行仿真，也即先执行仿真步长较小的仿真单元的仿真，再执行仿真步长较大的仿真单元的仿真，从而解决了不同仿真单元间因仿真步长不同无法联合仿线为本发明实施例提供的又一种电解水制氢仿线，利用第二仿真单元根据制氢电参数和控制指令仿真制氢化工系统以获取制氢结果之后还包括：

  84.步骤s105，数据交互单元将制氢结果发送至控制器单元；其中，制氢结果包括制氢工艺参数反馈量，控制器单元根据制氢工艺参数反馈量调整控制指令。

  85.具体地，制氢结果包括制氢工艺参数反馈量，控制器单元12能够准确的通过制氢工艺参数反馈量自动调整控制指令，从而调整第二仿真单元的仿真状态，实现电解水制氢仿真系统的闭环控制，来保证制氢过程的安全运行。

  86.具体地，当第二仿真单元仿真出制氢结果后，还可经由数据交互单元将制氢结果发送至控制器单元，例如修改控制器单元中相应的寄存器值，进而将制氢结果保存；可根据制氢结果手动或自动地调整控制器单元输出的控制指令，来保证制氢过程的安全运行。

  87.可选地，继续参考图5，利用第一仿真单元仿真制氢电力系统以获取制氢电参数之前还包括：

  89.若模拟运行时间小于预设值，则执行步骤s101，也即利用第一仿真单元仿真制氢电力系统以获取制氢电参数的步骤；若模拟运行时间不小于预设值，则结束仿线.数据交互单元将制氢结果发送至控制器单元之后还包括：

  92.具体地，本实施例的制氢仿真方法为循环过程，只要预设时间不超过预设值，则一直循环执行，从而模拟制氢完整系统的长时间的运行结果。需要说明的是，在步骤s106之前，还可包括对python进行模型搭建的过程，如可先导入dymola_interface、pyfmu、dymat、

  os、win32com、numpy、modbus_tk等python包，建立tcp链接，并进行初始化；随后再创建ap本地服务器，设置ap版本、ap模型文件夹地址和bkp文件名；随后再设置系统运行的预设值，fum间隔运行时间等；之后再执行步骤s106。

  93.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说可以有效的进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。