中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。主要有以下步驟和內(nèi)容：第一步，根據(jù)地?zé)峋卣鳎該Q熱系統(tǒng)與熱儲(chǔ)間可實(shí)現(xiàn)的換熱量作為測(cè)試目標(biāo)設(shè)定試驗(yàn)方案，包括設(shè)定換熱組件在井內(nèi)的安裝方式和位置以及測(cè)試組次和按組次開展測(cè)試的方向順序；第二步，按試驗(yàn)方案開展測(cè)試，記錄換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口和地?zé)峋畠?nèi)兩個(gè)系列的測(cè)試數(shù)據(jù)，包括試驗(yàn)開展全過(guò)程對(duì)應(yīng)的井內(nèi)、外的溫度、壓力數(shù)據(jù)；第三步，分析評(píng)價(jià)井內(nèi)熱儲(chǔ)熱力均衡條件下的單井換熱系統(tǒng)的換熱量，包括對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制換熱量與熱儲(chǔ)段溫差的均衡關(guān)系曲線，評(píng)價(jià)可持續(xù)實(shí)現(xiàn)的換熱量邊界。該方法著眼于自然資源的有限供給，為開展地?zé)崮芄こ烫峁┛茖W(xué)的依據(jù)。
【專利說(shuō)明】中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地?zé)峋囼?yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]地?zé)崾堑厍蜃陨硭邆涞哪茉促Y源。中高溫地?zé)豳Y源可用于制備能源(如發(fā)電、供暖等)，對(duì)滿足人類能源需求而言具有巨大的潛力。在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，中高溫地?zé)豳Y源的勘查開發(fā)，對(duì)實(shí)現(xiàn)非化石能源目標(biāo)、推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、緩解我國(guó)能源資源供給壓力、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。利用地?zé)豳Y源制備能源，是地?zé)豳Y源開發(fā)利用的終極目標(biāo)。中高溫地?zé)豳Y源具有如下三項(xiàng)重要的基本特征:①中高溫地?zé)豳Y源是地球本身固有的特征物質(zhì)屬性，具有限供給性；②各類地質(zhì)體均有可能是賦存中高溫地?zé)豳Y源的載體介質(zhì)；③中高溫地?zé)豳Y源存在的形式具有多樣性，以當(dāng)前人類科技能力可以涉足開發(fā)利用的，既有地?zé)崃黧w與熱能共同伴隨者，也有僅純粹熱表現(xiàn)而無(wú)地?zé)崃黧w的形式(如干熱巖)。
[0003]基于以上目標(biāo)和特征，本發(fā)明人提出如下地?zé)崮芄こ?Engineering ofGeothermal Power,簡(jiǎn)稱EGP)概念:地?zé)崮芄こ?是指針對(duì)中高溫地?zé)豳Y源，以最小的環(huán)境影響代價(jià)(此影響的量化評(píng)價(jià)在安全、可持續(xù)等方面能夠被接受)為先決條件，以實(shí)現(xiàn)有持續(xù)供給意義的熱能萃取為目標(biāo)，人工開采或制備熱能的技術(shù)方法和工藝的集合。有持續(xù)供給意義是指以相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)考察，地?zé)崮艿墓┙o相對(duì)穩(wěn)定，即在滿足經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)所開發(fā)的地?zé)岬刭|(zhì)單元而言，若持續(xù)提取一定規(guī)模的熱能，地質(zhì)體的溫度在一定范圍內(nèi)可以保持穩(wěn)定。
[0004]本發(fā)明人認(rèn)為，中高溫地?zé)峋衣兜臒醿?chǔ)賦存地?zé)崃黧w時(shí)，以地?zé)峋c熱儲(chǔ)為研究對(duì)象，地?zé)崃黧w作為熱能載體介質(zhì)從熱儲(chǔ)進(jìn)入地?zé)峋⒈恢苯娱_采，熱力過(guò)程是通過(guò)地?zé)崃黧w的質(zhì)量傳遞發(fā)生能量的傳遞；地?zé)峋衣兜臒醿?chǔ)，無(wú)論賦存任何流體與否，構(gòu)建由地?zé)峋途畠?nèi)換熱器(組件)組成的換熱系統(tǒng)，以換熱系統(tǒng)與熱儲(chǔ)為研究對(duì)象，熱力過(guò)程是通過(guò)換熱器內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成換熱系統(tǒng)與熱儲(chǔ)間的熱交換，能量傳遞是換熱過(guò)程。上述兩種情形，被萃取熱能的地質(zhì)體發(fā)生溫度變化，是地?zé)豳Y源的有限供給使然，故地?zé)釂尉漠a(chǎn)量試驗(yàn)或換熱量試驗(yàn)均應(yīng)著眼于熱力均衡問(wèn)題。
[0005]由中高溫地?zé)峋途畠?nèi)換熱組件構(gòu)成的地?zé)釂尉畵Q熱系統(tǒng)，針對(duì)其換熱量的量化評(píng)價(jià)，目前尚未見有成熟的評(píng)價(jià)方法和試驗(yàn)成果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法，采用該方法可科學(xué)的量化評(píng)價(jià)由地?zé)峋途畠?nèi)換熱組件構(gòu)成的中高溫地?zé)釂尉畵Q熱系統(tǒng)可獲得的換熱量邊界，為利用中高溫地?zé)釂尉畵Q熱系統(tǒng)建設(shè)地?zé)崮芄こ烫峁┲匾夹g(shù)依據(jù)。
[0007]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于開展中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定試驗(yàn)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，易于控制。
[0008]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法，主要包括以下步驟:
[0009]第一步，根據(jù)地?zé)峋卣?，?gòu)建包括地?zé)峋桶惭b在地?zé)峋械膿Q熱組件在內(nèi)的中高溫地?zé)釂尉畵Q熱系統(tǒng)，以該換熱系統(tǒng)與熱儲(chǔ)間可實(shí)現(xiàn)的換熱量作為測(cè)試目標(biāo)，設(shè)定開展換熱量測(cè)定的試驗(yàn)方案；
[0010]第二步，按試驗(yàn)方案開展多組次測(cè)試，采集換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口和地?zé)峋畠?nèi)兩個(gè)系列的測(cè)試數(shù)據(jù)；所述測(cè)試數(shù)據(jù)包括在設(shè)定的各組次進(jìn)口流量下試驗(yàn)開展全過(guò)程對(duì)應(yīng)的井內(nèi)、外的溫度、壓力數(shù)據(jù)；
[0011]第三步，根據(jù)第二步得到的各組次測(cè)試數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)井內(nèi)熱儲(chǔ)熱力均衡條件下的換熱量與熱儲(chǔ)段的平均溫差的關(guān)系，計(jì)算求得熱儲(chǔ)熱力均衡條件下的換熱量邊界值Qo。
[0012]進(jìn)一步,第一步中設(shè)定試驗(yàn)方案的具體內(nèi)容包括:
[0013](a)根據(jù)地?zé)峋卣?、熱?chǔ)溫度范圍和換熱組件型式特征，確定試驗(yàn)方案的實(shí)現(xiàn)形式為多組次定流量的換熱量測(cè)定試驗(yàn)；
[0014](b)根據(jù)地?zé)峋卣?、熱?chǔ)溫度范圍和換熱組件型式特征，設(shè)定換熱組件和用于測(cè)溫、測(cè)壓的測(cè)試儀器在地?zé)峋畠?nèi)的安裝方式和位置，并設(shè)定測(cè)試組次及按組次開展測(cè)試的方向順序。
[0015]再進(jìn)一步，第二步的具體實(shí)現(xiàn)方法如下:
[0016](a)按照方案建立換熱系統(tǒng)，安裝用于測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)流量的測(cè)試儀器；
[0017](b)測(cè)定熱儲(chǔ)段的原始溫度T0 ；
[0018](c)對(duì)每一組次試驗(yàn)測(cè)試，調(diào)節(jié)換熱系統(tǒng)進(jìn)口流量，換熱量測(cè)定的試驗(yàn)的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間保持相對(duì)時(shí)長(zhǎng)，記錄換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口和地?zé)峋畠?nèi)兩個(gè)系列的測(cè)試數(shù)據(jù)。
[0019]進(jìn)一步，所述試驗(yàn)方法還包括:在進(jìn)入第三步之前，結(jié)合第二步獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)所反映各熱儲(chǔ)段的熱貢獻(xiàn)空間分布權(quán)重，分析熱儲(chǔ)的主要貢獻(xiàn)部位(井段)，校核第一步中井特征內(nèi)容和優(yōu)化換熱組件、測(cè)試儀器的安裝方案，并根據(jù)校核后的試驗(yàn)方案進(jìn)行第二步和第三步。
[0020]再進(jìn)一步，第三步中，先對(duì)換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口的測(cè)試數(shù)據(jù)和地?zé)峋畠?nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別繪制井內(nèi)、外的溫度-時(shí)間關(guān)系曲線、壓力-時(shí)間關(guān)系曲線以及換熱量-時(shí)間關(guān)系曲線。
[0021]更進(jìn)一步，第三步的具體實(shí)現(xiàn)方法包括:
[0022](a)對(duì)每組次試驗(yàn)測(cè)試:
[0023](al)利用換熱系統(tǒng)的進(jìn)、出口測(cè)試數(shù)據(jù)，采用式①、②計(jì)算該組試驗(yàn)測(cè)試的換熱量Qi,
[0024]Qi = CllIiii (T、- Tin)-1- /'/?./, + (Tl-T^) + c2iii2 (T7-T )①；
[0025]M = MljTih2 ②；
[0026]式中:
[0027]i——測(cè)試組次；
[0028]Th——換熱系統(tǒng)進(jìn)口水的流量；
[0029]M1-換熱系統(tǒng)出口水蒸汽的流量；
[0030]M2——換熱系統(tǒng)出口水的流量；
[0031 ] Ts——7jC的飽和溫度；
[0032]r——水的汽化潛熱；
[0033]Tin——換熱系統(tǒng)進(jìn)口水的溫度；
[0034]T1——換熱系統(tǒng)出口蒸氣的溫度；
[0035]T2——換熱系統(tǒng)出口水的溫度
[0036]C11——Tin至Ts溫度段內(nèi)水的比熱；
[0037]Cgl—Ts至T1溫度段內(nèi)蒸汽的比熱；
[0038]C2——Tin至T2溫度段內(nèi)水的比熱；
[0039](a2)根據(jù)該組次測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到地?zé)峋袩醿?chǔ)段的平均溫差A(yù)Th ；
[0040](b)將各組次測(cè)試所獲得的換熱量Qi與熱儲(chǔ)段的平均溫差Λ Tri繪制Q- Δ T均衡曲線，Q-ΛΤ均衡曲線上存在Q對(duì)AT—階導(dǎo)數(shù)為零的拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)處的切線平行于AT軸，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Qtl值，即為熱儲(chǔ)熱力均衡條件下?lián)Q熱量的邊界值，如不考慮周邊開采情況的干擾，則換熱系統(tǒng)的換熱量不能大于Qtl ;將Q- Δ T均衡曲線表達(dá)為式③所示的函數(shù)形式，求解系數(shù)Α、B,該函數(shù)形式表達(dá)了在Qtl約束之下的Q- Λ T關(guān)系，

【權(quán)利要求】
1.中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定的試驗(yàn)方法，主要包括以下步驟: 第一步，根據(jù)地?zé)峋卣?，?gòu)建包括地?zé)峋桶惭b在地?zé)峋械膿Q熱組件在內(nèi)的中高溫地?zé)釂尉畵Q熱系統(tǒng)，以該換熱系統(tǒng)與熱儲(chǔ)間可實(shí)現(xiàn)的換熱量作為測(cè)試目標(biāo)，設(shè)定開展換熱量測(cè)定的試驗(yàn)方案； 第二步，按試驗(yàn)方案開展多組次測(cè)試，采集換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口和地?zé)峋畠?nèi)兩個(gè)系列的測(cè)試數(shù)據(jù)；所述測(cè)試數(shù)據(jù)包括在設(shè)定的各組次進(jìn)口流量下試驗(yàn)開展全過(guò)程對(duì)應(yīng)的井內(nèi)、外的溫度、壓力數(shù)據(jù)； 第三步，根據(jù)第二步得到的各組次測(cè)試數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)井內(nèi)熱儲(chǔ)熱力均衡條件下的換熱量與熱儲(chǔ)段的平均溫差的關(guān)系，計(jì)算求得熱儲(chǔ)熱力均衡條件下的換熱量邊界值Qo。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，第一步中設(shè)定試驗(yàn)方案的具體內(nèi)容包括: (a)根據(jù)地?zé)峋卣骱蛽Q熱組件型式特征，確定試驗(yàn)方案的實(shí)現(xiàn)形式為多組次定流量的換熱量測(cè)定試驗(yàn)； (b)根據(jù)地?zé)峋卣骱蛽Q熱組件型式特征，設(shè)定換熱組件和用于測(cè)溫、測(cè)壓的測(cè)試儀器在地?zé)峋畠?nèi)的安裝方式和位置，并設(shè)定測(cè)試組次及按組次開展測(cè)試的方向順序。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，第二步的具體實(shí)現(xiàn)方法如下: (a)按照方案建立換熱系統(tǒng)，安裝用于測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)流量的測(cè)試儀器； (b)測(cè)定熱儲(chǔ)段的原始溫度Ttl； (C)對(duì)每一組次試驗(yàn)測(cè)試，調(diào)節(jié)換熱系統(tǒng)進(jìn)口流量，換熱量測(cè)定的試驗(yàn)的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間保持相對(duì)時(shí)長(zhǎng)，記錄換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口和地?zé)峋畠?nèi)兩個(gè)系列的測(cè)試數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，所述試驗(yàn)方法還包括:在進(jìn)入第三步之前，結(jié)合第二步獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)所反映各熱儲(chǔ)段的熱貢獻(xiàn)空間分布權(quán)重，分析熱儲(chǔ)的主要貢獻(xiàn)部位(井段)，校核第一步中井特征內(nèi)容和優(yōu)化換熱組件、測(cè)試儀器的安裝方案，并根據(jù)校核后的試驗(yàn)方案進(jìn)行第二步和第三步。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，第三步中，先對(duì)換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口的測(cè)試數(shù)據(jù)和地?zé)峋畠?nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別繪制井內(nèi)、外的溫度-時(shí)間關(guān)系曲線、壓力-時(shí)間關(guān)系曲線以及換熱量-時(shí)間關(guān)系曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，第三步的具體實(shí)現(xiàn)方法包括: (a)對(duì)每組試驗(yàn)測(cè)試: (al)利用換熱系統(tǒng)的進(jìn)、出口測(cè)試數(shù)據(jù)，采用式①、②計(jì)算該組試驗(yàn)測(cè)試的換熱量Qi, Qi = cn!ih (I — Τι?) + nh' + Γ廠—7O + C7ljh (T2 — Ti? )①; m =/" Vm1 ②； 式中: i—測(cè)試組次； …-換熱系統(tǒng)進(jìn)口水的流量； ——換熱系統(tǒng)出口水蒸汽的流量； lh2——換熱系統(tǒng)出口水的流量； Ts——水的飽和溫度； r-水的汽化潛熱； Tin——換熱系統(tǒng)進(jìn)口水的溫度； T1——換熱系統(tǒng)出口蒸氣的溫度； T2——換熱系統(tǒng)出口水的溫度 C11——Tin至Ts溫度段內(nèi)水的比熱； Cgl—Ts至T1溫度段內(nèi)蒸汽的比熱； C2——Tin ST2溫度段內(nèi)水的比熱； (a2)根據(jù)該組次測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到地?zé)峋袩醿?chǔ)段的平均溫差A(yù)IVi ； (b)將各組次測(cè)試所獲得的換熱量Qi與熱儲(chǔ)段的平均溫差A(yù)IVi繪制Q-ΛΤ均衡曲線，Q-ΛΤ均衡曲線上存在Q對(duì)AT—階導(dǎo)數(shù)為零的拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)處的切線平行于AT軸，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Qtl值，即為熱儲(chǔ)熱力均衡條件下?lián)Q熱量的邊界值，如不考慮周邊開采情況的干擾，則換熱系統(tǒng)的換熱量不能大于Qtl ;將Q- Δ T均衡曲線表達(dá)為式③所示的函數(shù)形式，求解系數(shù)A、B,該函數(shù)形式表達(dá)了在Qtl約束之下的Q- Λ T關(guān)系， Q —込―lg(A7；.+5)③。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，(a2)步驟中，根據(jù)式④計(jì)算得到第i組次測(cè)試中熱儲(chǔ)段的平均溫差λτη，
Λ Tri = Tr1-T0 ④； 式④中: Tri—第i組次測(cè)試中熱儲(chǔ)段的平均溫度； T0——熱儲(chǔ)段的原始溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)方法，其特征在于，(a2)步驟中，第i組次測(cè)試中熱儲(chǔ)段的平均溫差A(yù)Th采用換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口的溫差表示。
9.用于開展中高溫地?zé)釂尉畵Q熱量測(cè)定試驗(yàn)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，所述試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)與高溫地?zé)釂尉畵Q熱系統(tǒng)相連，其特征在于， 所述試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括與換熱系統(tǒng)進(jìn)口相連的換熱負(fù)載、與換熱系統(tǒng)出口相連的水汽分離器，以及地表數(shù)據(jù)采集裝置、井內(nèi)測(cè)壓裝置、井內(nèi)測(cè)溫裝置； 地表數(shù)據(jù)采集裝置包括分別設(shè)在換熱系統(tǒng)進(jìn)、出口的溫度傳感器和壓力傳感器，以及分別設(shè)在水汽分離器的汽、液兩相出口處的溫度傳感器和壓力傳感器；以及設(shè)在換熱系統(tǒng)進(jìn)口的流量計(jì)，以及分別設(shè)在水汽分離器的汽、液兩相出口處的流量計(jì)； 井內(nèi)測(cè)壓裝置包括壓力采集設(shè)備以及與壓力采集設(shè)備相連并深入到地?zé)峋畠?nèi)的壓力傳感器； 井內(nèi)測(cè)溫裝置包括溫度采集設(shè)備以及與溫度采集設(shè)備相連并深入到地?zé)峋畠?nèi)的溫度傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱負(fù)載為除地?zé)崃黧w以外的自然流體或人工流體。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)還包括換熱系統(tǒng)進(jìn)口流量控制模塊，所述換熱系統(tǒng)進(jìn)口流量控制模塊包括與換熱負(fù)載相連的水泵和用于連接水泵和換熱系統(tǒng)的連通管，以及與水泵相連的流量控制箱。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK104132962SQ201410328138
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】姜再新, 畢文明 申請(qǐng)人:姜再新