风光耦合制氢工艺仿真系统 | 图扑数字孪生

在“双碳”目标和新能源快速发展的背景下，风光储氢一体化成为促进风光消纳、推动氢能绿色转型的重要路径。但制氢过程涉及纯水处理、碱液循环、电解、气体分离、纯化干燥和储存等多个环节，传统系统存在数据分散、设备独立、协同不足等问题。

当绿电出力或生产工况变化时，运行人员需要同步关注电解槽及后处理设备状态，而传统二维监控虽能展示数据，却难以直观反映能源供给、工艺流程和异常影响之间的关系。因此，图扑(Hightopo)借助自研低代码数字孪生技术，将绿电供给、制氢生产和安全管理统一到可视化场景中。

系统围绕绿电制氢厂区构建数字孪生场景，统一展示风电、光伏出力、电解制氢工艺状态及关键设备参数，并关联 SCADA 数据，实现生产状态、工艺参数和异常信息的可视化监测。平台融合电子围栏、风险四色图、人员定位和火灾逃生推演等安全业务，联动绿电预测、生产调节、设备监测与安全处置，形成覆盖绿电制氢全流程的综合管控体系。

沉浸式空间漫游

基于 WebGL 轻量化渲染、数据模型驱动及强大的 3D 引擎能力，构建绿电制氢厂区数字孪生底座，支持大型三维场景在 Web 浏览器中直接运行，为设备监测、工艺展示和安全管理提供统一空间载体。

系统依据实际厂区布局，还原风电、光伏及制氢生产区域，覆盖综合办公区、预处理车间、冷却水站、RO 纯水车间、电解制氢车间、储氢区、液氢生产车间、火炬塔和变电站等功能单元。通过三维标签、自由漫游和预设视角，实现厂区全景浏览与重点区域快速定位。

系统内预置昼夜 2 种监控模式。白天模式用于巡检推演、工艺观摩与厂区整体态势查看；夜间模式模拟现场照明、警示灯、设备指示灯等实景光影，还原夜间作业、应急值守场景。支持管理人员评估夜间安防盲区、照明覆盖情况与应急处置视野，实现全天候工况可视化监控。

风电专题监测

系统针对风电侧建立数字孪生专题场景，还原海上风机阵列、海面环境及作业船舶，并通过动画模拟风机叶片旋转和机组运行状态。平台接入发电预测、无人机巡检和叶片受力监测数据：发电预测用于判断风电出力变化，为电解制氢负荷安排提供参考；无人机巡检用于发现塔筒、叶片和基座异常；叶片应力热力图则将结构受力映射到三维模型。

在海上风电孪生场景中，每台风机均可关联实际运行数据。通过设备弹窗，可以查看机组启停状态、转速和实时发电功率等参数；场景中的动态光效则用于表现电能从风机向输电系统传递的过程。

页面底部展示多机组发电预测图表，对比输出预测值与实际发电数据，直观呈现风电出力变化趋势。系统结合气象条件和机组运行数据形成预测结果，并传递至制氢生产侧，便于运行人员提前关注电解槽负荷，降低风电波动对制氢生产的影响。

针对海上风机人工巡检受距离、天气和作业条件限制的问题，系统模拟无人机巡检过程，通过蓝色航线展示飞行路径，并同步显示位置、高度、风速和经纬度等信息。

风机状态通过颜色区分，正常设备显示绿色，异常设备切换为红色高亮并显示告警标记。巡检结果可直接定位至叶片、塔筒和基座等故障部位，为后续检修提供位置依据。

任务面板支持新建巡检任务、查询历史记录及查看异常台账。

针对风机叶片受力监测场景，系统实现热力色彩映射渲染，将叶片空间多点采集的应力值映射至三维几何模型。模型可视化色彩随应力载荷联动变化，帮助运维人员快速识别高应力区域，判断局部过载和长期疲劳等风险。

光电区监测

光电区域按照实际场站还原水上漂浮式光伏阵列，为光伏组串设置独立编号，并结合光照效果展示场站布局。系统集成发电预测与无人机巡检两大监测能力。

该模块无人机巡检接入现场视频和红外热成像数据。正常组件显示绿色，异常组串切换为红色高亮并显示故障标识。巡检任务支持暂停、终止及辅助巡检、远程禁用功能等操作。

组件热斑、损坏等异常可直接定位至具体组串，便于判断故障位置和影响范围。当光伏组件大规模故障造成出力下降时，平台会联动推送告警信息至监控界面，辅助调度人员及时调整电解槽工作负荷，规避绿电供给异常带来的生产风险。

平台接入气象数据及光伏设备实时数据，对比预测与实际发电曲线，并展示逆变器转换效率、综合效率、理论发电量、实际发电量、等效利用小时和设备工况占比等指标。

场站数据通过趋势图、统计图和仪表盘集中呈现，便于判断光伏发电效率和运行状态。预测结果同步传递至制氢侧，为电解槽负荷及相关工艺参数调整提供参考。

电解制氢工艺流程

新能源侧关注绿电来源和出力预测，制氢工艺侧则关注绿电进入厂区后的转化过程。基于图扑(Hightopo)二三维引擎，系统对纯水处理、碱液配制、电解制氢和氢气后处理装置进行三维建模，并结合流体动画，展示从原料处理到氢气存储的完整工艺过程。

纯水处理：砾石过滤→保安过滤→RO 反渗透→EDI 超纯水制备→纯水箱→碱液配制/循环系统→碱性电解槽（配套整流供电）→氢侧气液分离器、氧侧气液分离器（碱液回流至碱液配制/循环系统）→氢气纯化干燥→氢气缓冲罐。

场景内通过连续播放或分步执行流程动画开展工艺培训和运行复盘。用户还可以点击砾石过滤器、RO、EDI、电解槽等设备查看详细数据。

界面内的水、碱液、氢气和氧气采用不同材质和流动效果区分，直观展示介质在管道、罐体和设备中的流向。将各设备与 SCADA 测点绑定，集中展示压力、流量、液位、温度以及电解槽电压、电流等参数。

电解槽是绿电制氢的主要设备，其供电和碱液循环状态直接影响电解过程。

系统接入直流电流、直流电压、碱液进出口温度等监测数据，在电解槽三维模型上悬浮看板呈现实时工况。电流、电压或温度越限时，设备通过变色、闪烁等方式提示，便于及时检查供电系统和碱液换热状态。

氢氧气液分离环节重点监测氢侧、氧侧压力和温度。系统将相关数据与三维分离设备绑定，点击设备即可查看实时参数并对比两侧运行状态。

完成气液分离后，氢气需经过脱氧和干燥处理。系统展示脱氧塔及干燥塔 A、B、C 的实时温度，并通过三维模型反映设备状态。

塔体温度异常时，可直接定位对应设备，便于检查纯化干燥工况，降低对氢气品质的影响。

本次场景内电解监测与工艺流程动画保持联动。设备测点异常时，监测面板和三维场景同步告警；结合风电、光伏预测数据，运行人员可观察绿电出力变化对电解槽电流、电压等参数的影响。

厂区安全监管

氢气具有特殊的储运和安全管理要求，制氢厂区数字孪生系统需同时关注生产设备、人员、区域和消防信息。系统还原厂房、设备区、道路及作业分区，并将电子围栏、风险四色图、人员定位和火灾报警逃生推演整合到三维场景中，帮助管理人员判断风险位置、周边人员及疏散路径。

利用三维空间标绘功能，系统可在数字孪生场景中划定安全、检修和危险区域，并根据检修计划和生产状态调整管控范围。

人员或作业车辆进入限制区域时，围栏高亮闪烁并同步显示告警。结合人员位置、周边设备和区域环境，可提升告警研判与处置效率。

平台利用三维材质渲染形成风险四色图：安全区域为蓝色，一般区域为黄色，风险区域为橙色，高危区域为红色。

点击风险区域可查看危险源说明、风险等级、管控要求和隐患台账，使风险信息与实际空间位置对应，便于识别高风险区域。

通过对接 UWB 人员定位系统数据，在三维场景中完成人员实时位置展示，点位标签同步呈现人员信息，包含岗位、工号、所属班组等内容。

系统支持历史轨迹回放。人员长时间停留在高风险区域或违规进入受限区域时，点位触发闪烁告警。结合电子围栏和风险区域，可判断人员是否处于潜在危险位置。

若触发火灾报警后，起火点位加载火焰、烟雾特效进行仿真渲染，并结合厂区建筑、道路、通道和安全出口计算疏散路径，三维动态显示逃生路线、安全通道和应急集合点。模拟演练模式支持指定起火点，推演人员疏散过程，用于检验消防预案和逃生线路。

安全监管模块与电解制氢工艺监测数据互通，当生产环节出现超温、超压、气体泄漏等等异常时，生产告警可联动安全场景，进一步展示风险等级、周边人员和疏散路径，实现从设备异常到人员安全处置的延伸。

工艺组态监测

基于图扑 Hightopo 自研低代码平台，可快速搭建工艺流程 SCADA/HMI/MMI 组态监控界面。系统实现二维组态与三维数字孪生双向联动，二维画面可定位三维设备，三维场景可调取组态面板。依托 2D 组件与 3D 模型的数据绑定能力，保障组态图标与 3D EDI 装置状态同步、数据同源，破除传统二维 SCADA 和三维可视化系统信息割裂的问题。

二维工艺组态画面内，完整还原砾石过滤、保安过滤、RO 反渗透、EDI、纯水箱、各类泵阀管线等工艺单元组态图标。画面实时展示各设备测点、阀门状态、压力、流量等工艺参数。

在二维组态面板点击任意设备图标，即可跳转定位至数字孪生场景中对应装置旁，完成二维监控点位与三维设备的漫游查阅，快速调取设备空间信息与实时工艺数据。

氢氧分离器、电解槽、整流器和碱液冷却器等二维图元，与三维设备按照唯一标识关联，共用 SCADA 下发的设备状态、启停指令、压力温度测点数据。

在组态画面点击启动/停止按钮下发控制指令，泵、分离器、阀门及介质流动状态同步更新至三维场景。相关设备切换运行状态，管道介质流体动画同步启停，压力和温度数据持续刷新。完整复现氢氧分离生产工况变化，以便监测氢氧两侧压力、温度及碱液回流等情况。

系统覆盖脱氧塔及干燥塔 A、B、C，通过统一数据对象和测点映射，将二维组态与三维模型关联。当干燥塔 B、C 出现温度异常或运行告警时，二维图元和三维塔体同步变色、高亮并弹出告警信息，确保不同监控界面显示一致。

二维组态用于查看工艺流程，三维场景用于定位设备、周边环境及异常所在环节，二者相互补充。

当系统监测到设备参数越限或故障告警时，二维组态图标触发变色闪烁，同步驱动三维孪生场景内对应装置模型高亮告警，并弹出设备异常信息窗口。针对各类工艺点位异常，平台可直观呈现工况扰动在上下游工序间的连锁影响，支撑运维人员结合设备位置与工艺链路排查问题。

绿电制氢涵盖新能源发电、电解制氢、工艺控制、安全管理等多套子系统。本系统打通各环节分散数据，关联发电出力变化、设备运行状态、工艺参数与安全风险，将风光绿电入厂、电解制氢、设备运维、应急处置全流程纳入统一数字化管理体系，构建可观察、可定位、可追溯的生产管理链路，为绿电制氢项目安全稳定运行、多系统协同调度与生产精细化管理提供有力支撑。

图扑软件 (Hightopo) 长期专注于 Web 可视化领域，自主研发 HT for Web 2D 和 3D 图形渲染引擎、低代码数字孪生组态平台及相关工具。目前产品已广泛应用于工业组态、电力能源、孪生工厂、电信机房、智慧交通、智慧城市、园区楼宇、智慧水务、航天军工等行业领域，为客户提供可靠的一站式数字孪生解决方案。

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