[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

权利要求书

1.一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求3所述的一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述的温升特性模型的表达式为：

其中，t为槽温从起始温度达到指定温度所需的时间，T_k为槽温，T_0k为电解槽起始温度，S为电解槽内参与反应的物料面积，J_wi为组分w的带入流量，M_wi为组分w的带入摩尔质量，C_P,wi为组分w的带入等压比热，T_ck为试验环境温度，J_wo为组分w的带出流量，M_wo为组分w的带出摩尔质量，C_P,wo为组分w的带出等压比热，I为电解电流，V为电解电压，ΔH为电化学反应的焓变，n为参与反应电子数，F为法拉第常数，k_v为组分v的传热系数，S_v为组分v的传热面积，ΔT为槽温T与环境温度T_c之差，Q₄为单位时间电解槽内热交换器带入或引出的热量，mC_P为反应器内物质每升高1℃所需吸收的热量。

6.根据权利要求5所述的一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，对于功率调节特性，根据热平衡方程获取电解槽的保温功率，则有：

其中，P_Tmin为电解槽的保温功率，P_emax为最高槽温对应的槽经济额定功率，且P_emax＝P_Tmax(T_max)，ω表示比例系数，为电解槽工程上安全运行的最小功率占比。

7.根据权利要求6所述的一种碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建方法，其特征在于，当电解槽工作条件稳定后，电解槽保温功率泛化为以槽温为唯一变量的一元一次方程，当环境温度变化时，保温功率与环境温度呈负相关。