CN106442618B - 双工况恒功率岩土热响应现场测试装置以及三级控制方法 - Google Patents

双工况恒功率岩土热响应现场测试装置以及三级控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及浅层地温能开发利用技术领域，具体涉及一种双工况恒功率岩土热响应现场测试装置以及三级控制方法，包括测试装置以及对测试装置实现控制的控制系统，测试装置主要包括依次通过管道连接的制冷机、加热器、流量计、地埋管以及水泵；本发明通过测试装置的三级调控措施，可以得到较稳定的降低波动的输出，可使测试装置工作时自身的功率消耗降低，良好的保温措施使环境温度变化影响降到最低，水流方向转换开关消除了测试装置在吸热与排热工况时的部分系统误差,适合冬夏不同工况下的参数研究，在常规的工程应用中提高了测试精度，给出了更准确的热响应参数。

Description

双工况恒功率岩土热响应现场测试装置以及三级控制方法
技术领域
本发明涉及浅层地温能开发利用技术领域，具体涉及一种双工况恒功率岩土热响应现场测试装置以及三级控制方法。
背景技术
一般物质材料的热导率在常温下为常数，随温度变化热导率有微小的变化，这种依附关系在一定温度范围内可用近似线性关系表达。如石英在5-30℃之间，热导率相差约3-4％，水在5-30℃之间，热导率相差约7-8％。由于地下岩土体的物质成分复杂多样，目前对各种不同类别的岩土体在不同温度下的热导率随温度变化的依附关系并不完全明确。地下岩土体孔隙比较大、富含大量水分时，水体粘度随温度的变化而变化，影响了热湿迁移作用，使在不同温差下的地层热导率变化更加明显。在浅层地温能开发利用地埋管换热器工程设计中，由于地层较为复杂，必须进行现场热响应测试，得到地层的综合热导率等参数。由于岩土体温度在冬季吸热与夏季排热模式温度也介于5-30℃之间，测试装置如果只进行夏季工况测试，得到的综合地层热导率与冬季吸热相差较大。
岩土热响应测试过主要采用“恒热流法”和“恒温法”。“恒热流法”通过冷热源向岩土体施加一定的加热或吸热功率的方式进行测试。该方法的理论基础为线热源模型，对地埋管进出口温度数据可通过导热反问题解法反算出地层的综合热响应参数。“恒温法”方法是试验中设法保持回路的进口温度不变，再由测得的流量和回水温度得到回路中的换热量，这种方法的主要是确定在一定工况下的钻孔单位延米的传热量。
在“恒热流法”中，制热的恒功率电控模式容易实现；制冷工况时则相对困难，由于制冷机组结构特性，输入输出变化反馈缓慢，调节时间滞后，影响因素较多，不易做到精确控制，一般测试仪器均在冬季工况时采用恒温模式进行吸热能力测试，得到钻孔单位延米的传热量数据，而不进行岩土热响应参数求取。
现有的技术提供了多种控制冬季制冷模式下的测试装置，但仍达不到恒热流测试精度要求，即使采用不同辅助调节的方式进行吸热恒热流测试，也仍存在一定周期性的波动，达不到研究冬夏差别的精度要求。
对测试结果精度产生的影响有两种温度波动，短周期波动与长周期波动。测试介质流体一般为水，其比热容大，热惯性较高，并且流经管道存在一定时间，温度传感器等热敏元件对短时间突然变化的温度会有一定的延迟反应，使某一时刻测得的温度数值可能与执行元件处的温度变化趋势不同，从而使温度波动变大。由于实际测试中不同流量、不同温度时有不同的传热特征，采用PID比例积分方式也不能很好的消除波动。虽然短周期波动的数据经过平滑处理后有消除波动的明显改善，但其波动周期与测试温度数据采样周期重合或存在倍数关系时，会在较长时间的数据中产生偏离误差。
对热导率求解的另一影响因素为长周期波动，主要为环境影响，如天气温度。由于测试系统实际上不能完全绝热，在外部环境和系统之间，存在一小部分能量传递。完整的测试时间一般2-3天，特别是在测试后期进回水温度变化很小时，受环境温度变化影响而产生的周期24小时的波动就会变得明显。如在测试末期的12小时产生0.1度的偏差，一般会使热导率计算数值产生1.5％-2％的误差，达不到制冷和制热工况综合研究的精度。
此外，测试系统的温度传感器的精度与管道的保温情况也会带来一定的误差。
发明内容
为了解决上述技术问题中的不足，本发明的目的在于：提供一种双工况恒功率岩土热响应现场测试装置，能够提高冬季与夏季两种工况下的测量精度，减少波动，避免气温变化的干扰，实现较高精度和稳定程度的冷热功率输出。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
所述双工况恒功率岩土热响应现场测试装置，包括测试装置以及对测试装置实现控制的控制系统，测试装置主要包括依次通过管道连接的制冷机、加热器、流量计、地埋管以及水泵，还包括温度传感器T1、T2、T3和T4，水流方向转换开关S1、S2和S3，温度传感器T1设置在地埋管的出水端，温度传感器T2设置在制冷机出口端的管路上，温度传感器T3设置在地埋管的进水端，温度传感器T4设置在测试装置的外壳处，水流方向转换开关S1设置在地埋管的进水端与流量计之间，并通过管路与水泵相连接，水流方向转换开关S2设置在地埋管的出水端与流量计之间，并通过管路与水泵相连接，水流方向转换开关S3设置在制冷机的进口端与水泵之间的管路上，并通过管路与加热器相连接。
进一步优选，控制系统包括PLC控制器，PLC控制器设置在电气柜内，PLC控制器分别通过数据线连接着制冷机变频器、水泵变频器、可控硅调功器、功率传感器、信息采集单元和输入输出单元。
进一步优选，加热器的上部依次安装球阀和排气阀。
进一步优选，制冷机的进口端设置细过滤器，水泵的进口端处设置粗过滤器。
所述双工况恒功率岩土热响应现场测试装置的三级控制方法，包括以下步骤：
第一级调控，第一级调控的数据来源于制冷机的变工况特征，利用温度传感器T4测得的环境温度、制冷机的额定功率及功率调节系数、设定的测试功率，调节步长取5-10分钟，计算需调节的制冷机频率，再增加一部分调节余量，传送给制冷变频器执行；计算公式如下：
f需调节的制冷机频率
Pf设定的测试功率
K1功率调节的余量系数，一般取1.2—1.3
K2制冷机的变工况特征系数，一般取-0.01—-0.015
K3制冷机的变工况特征系数，一般取1.1—1.3
Pc制冷机的额定功率
fc制冷机的额定频率
T4环境温度
第二级调控，PLC控制器给出设定的测试功率与制冷机输出功率的差值，使可控硅调功器执行输出，通过功率传感器，反馈实际功率数值，计算加热器需要的调节功率，再使加热器调控的功率更精确；计算公式如下：
Pe＝(T2-T1)·Q·ρc-Pf
Pe加热器需要的调节功率
T1测试装置进水温度
T2制冷机与加热器之间的温度
Q流体流量
ρc水的体积热容
第三级调控，计算需要调节的补偿功率，将此功率数值传送给可控硅调功器，累加到第二级调控的功率输出数值之上；计算公式如下：
Pe'＝Pe-ΔPe
ΔPe需要调节的补偿功率
T3测试装置出水温度
R加热器与外界环境之间的热阻，一般取0.2—1
Pe'需要调节的补偿功率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过测试装置的三级调控措施，可以得到较稳定的降低波动的输出，可使测试装置工作时自身的功率消耗降低，良好的保温措施使环境温度变化影响降到最低，水流方向转换开关消除了测试装置在吸热与排热工况时的部分系统误差，适合冬夏不同工况下的参数研究，在常规的工程应用中提高了测试精度，给出了更准确的热响应参数。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2本发明测试装置的主视图；
图3本发明测试装置的俯视图；
图4本发明三级控制方法流程框图；
图5本发明对同一测试孔采用该测试装置的多级调控措施前后的测试效果对比图。
图中：1、制冷变频器；2、水泵变频器；3、可控硅调功器；4、功率传感器；5、PLC控制器；6、信息采集单元；7、输入输出单元；8、温度传感器T4；9、排气阀；10、球阀；11、水流方向转换开关S1；12、温度传感器T3；13、保温层；14、温度传感器T1；15、水流方向转换开关S2；16、流量计；17、粗过滤器；18、水泵；19、细过滤器；20、波纹管；21、水流方向转换开关S3；22、制冷机；23、温度传感器T2；24、加热器；25、电气柜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
如图1-4所示，本发明所述双工况恒功率岩土热响应现场测试装置，包括测试装置以及对测试装置实现控制的控制系统，测试装置主要包括依次通过管道连接的制冷机22、加热器24、流量计16、地埋管以及水泵18，还包括温度传感器T114、T2、T3和T4，水流方向转换开关S111、S2和S3，并使用PVC材质，能够减少进回水之间由于温差存在的热短路现象，温度传感器T114设置在地埋管的出水端，温度传感器T223设置在制冷机22出口端的管路上，温度传感器T312设置地埋管的进水端，温度传感器T48设置在测试装置的外壳处，测量环境温度，水流方向转换开关S111设置在地埋管的进水端与流量计16之间，并通过管路与水泵18相连接，水流方向转换开关S215设置在地埋管的出水端与流量计16之间，并通过管路与水泵18相连接，水流方向转换开关S321设置在制冷机22的进口端与水泵18之间的管路上，并通过管路与加热器24相连接；水流方向转换开关S111和水流方向转换开关S215可以使系统误差予以抵消。
控制系统包括PLC控制器5，对测试过程进行自动控制，PLC控制器5放置在电气柜25内，PLC控制器5分别通过数据线连接着控制制冷机22功率的制冷机22变频器，控制水泵18的水泵变频器2，对加热器24调节功率的可控硅调功器3，反馈加热功率的功率传感器4，以及负责信息传递的信息采集单元6和输入输出单元7。
温度传感器T114、T2、T3采用铠装PT1000型，温度传感器T4采用PT100型，
制冷机22为测试装置提供冷源，通过改变频率调整输出功率，使之超出测试装置输出功率一定的范围，制冷机22单独置于一壳体内，通过柔性管道与其他管路连接，柔性管道为波纹管20，便于搬运和减少运行时的震动。随测试工况不同，可以调整管路与制冷机22的连通情况，通过水流方向转换开关S321与球阀10实现水路循环的改变。
为有利于充水排气，水流方向转换开关S111和水流方向转换开关S215安装高度同补水口一致，在加热器24上部位置引出管道至测试装置壳体外部，依次安装球阀10和排气阀9。
制冷机22的进口端设置细过滤器19，水泵18的进口端处设置粗过滤器17，细过滤器19和粗过滤器17采用Y型过滤器，在制热工况下，水流可以只通过粗过滤器17，制冷工况下，为防止水流通过制冷机22蒸发器发生堵塞，水流也通过细过滤器19。
所述双工况恒功率岩土热响应现场测试装置的三级控制方法，冬季吸热测试工况时，包括以下步骤：
第一级调控，第一级调控的数据来源于制冷机22的变工况特征，利用温度传感器T48测得的环境温度、制冷机22的额定功率及功率调节系数、设定的测试功率，调节步长取5-10分钟，计算需调节的制冷机22频率，再增加一部分调节余量，传送给制冷变频器1执行；计算公式如下：
f需调节的制冷机22频率
Pf设定的测试功率
K1功率调节的余量系数，一般取1.2—1.3
K2制冷机22的变工况特征系数，一般取-0.01—-0.015
K3制冷机22的变工况特征系数，一般取1.1—1.3
Pc制冷机22的额定功率
fc制冷机22的额定频率
T4环境温度
由于制冷机22输出功率相对各种工况变化反应时间较长，所以在设置控制时间步长适当加大，以尽可能使输出功率的曲线平滑，减少波动，选择合适的调节余量系数，可以减少测试中的测试装置自身的功率。
第二级调控，PLC控制器5给出设定的测试功率与制冷机22输出功率的差值，使可控硅调功器3执行输出，通过功率传感器4，反馈实际功率数值，计算加热器24需要的调节功率，再使加热器24调控的功率更精确；计算公式如下：
Pe＝(T2-T1)·Q·ρc-Pf
Pe加热器24需要的调节功率
T1测试装置进水温度
T2制冷机22与加热器24之间的温度
Q流体流量
ρc水的体积热容
鉴于一级调控输出已较平稳，变化缓慢，所以二级调控步长可以适当变小，但每步骤变动幅度要小，防止产生新的波动。由于是对一级输出的另外控制，功率传感器4只是对可控硅调功器3输出的监测，也可称为开环调控方式。
第三级调控，计算需要调节的补偿功率，气温变化会使温度测试曲线产生随时间的长周期的波动，如果对测试装置进出口的水温进行反馈控制的话，就会因此产生短周期的波动，所以也可采用开环控制的方式给予调节。一般对于一个固定的加热器24来说，理论上说是与外界绝热的，实际应用中，由于水管连接、电器连接、排水口、固定支撑部件的存在，加热器24的内部流体与外环境之间存在一定量的热交换，有着相对固定的热阻，在一定温差条件下，所以测试仪采集的逐时气温数据与加热器24内部流体温度对比，然后根据固定的热阻值，二者乘积即为需要补偿的功率，此值可能为正值也可能为负值。将此功率数值传送给可控硅调功器3，累加到第二级调控的功率输出数值之上；计算公式如下：
Pe'＝Pe-ΔPe
ΔPe需要调节的补偿功率
T3测试装置出水温度
R加热器24与外界环境之间的热阻，一般取0.2—1
Pe'需要调节的补偿功率。
在模拟测试夏季工况时，将制冷机22关停，第二级调控直接给可控硅调功器3一个设定功率数值，第三级步骤仍按与冬季吸热工况相同的步骤进行。
此外，为进一步减少天气因素导致的近地表的岩土体温度变化影响，除测试装置进出口至测试孔之间加装保温层13，从测试孔地表至地下一定深度处同样做好管道保温。
具体的操作步骤为：
冬季工况取热恒功率模式：管道连接后，管道保温，充水排气，水流方向转换开关S111置于AC连通BC截止位置，水流方向转换开关S215置于AC截止BC连通位置，水流方向转换开关S321置于AC截止BC连通位置。开机加电，设定流量、设定测试功率和采样间隔等参数，依次启动水泵18、制冷机22与加热器24调控装置，测试系统正常工作，存储装置每间隔一段时间采取温度数据和流量数据，符合测试要求后，停止系统工作，传输数据。
夏季排热工况下，需要水流方向转换开关S111置于AC截止BC联通位置、水流方向转换开关S215置于AC联通BC截止位置。此时温度传感器T312处为测试装置进水，温度传感器T114处为测试装置回水。关停制冷机22，使用加热器24执行设定的输出功率数值。由于温度传感器T312至T2流经环路较长，系统采集的温度传感器T223和T3的温度可能有差别，为减少影响，可将制冷机22断开，水流方向转换开关S321置于AC联通BC截止位置，关闭该处的球阀10,使内部环路另行连通。
图5为对同一测试孔采用该测试装置的多级调控措施前后的测试效果对比，1、2为改进措施之前的进出口温度曲线，3、4为采用多级调控措施后的进出口温度曲线，可以看出，温度曲线3、4的波动得到明显改善，精度相应提高。

Claims (4)

1.一种双工况恒功率岩土热响应现场测试装置的三级控制方法，包括测试装置以及对测试装置实现控制的控制系统，测试装置主要包括依次通过管道连接的制冷机(22)、加热器(24)、流量计(16)、地埋管以及水泵(18)，其特征在于，还包括温度传感器T1(14)、T2、T3和T4，水流方向转换开关S1(11)、S2和S3，温度传感器T1(14)设置在地埋管的出水端，温度传感器T2(23)设置在制冷机(22)出口端的管路上，温度传感器T3(12)设置在地埋管的进水端，温度传感器T4(8)设置在测试装置的外壳处，水流方向转换开关S1(11)设置在地埋管的进水端与流量计(16)之间，并通过管路与水泵(18)相连接，水流方向转换开关S2(15)设置在地埋管的出水端与流量计(16)之间，并通过管路与水泵(18)相连接，水流方向转换开关S3(21)设置在制冷机(22)的进口端与水泵(18)之间的管路上，并通过管路与加热器(24)相连接；包括以下步骤：
第一级调控，第一级调控的数据来源于制冷机(22)的变工况特征，利用温度传感器T4(8)测得的环境温度、制冷机(22)的额定功率及功率调节系数、设定的测试功率，调节步长取5-10分钟，计算需调节的制冷机(22)频率，再增加一部分调节余量，传送给制冷变频器(1)执行；计算公式如下：
f需调节的制冷机(22)频率
Pf设定的测试功率
K1功率调节的余量系数，一般取1.2—1.3
K2制冷机(22)的变工况特征系数，一般取-0.01—-0.015
K3制冷机(22)的变工况特征系数，一般取1.1—1.3
Pc制冷机(22)的额定功率
fc制冷机(22)的额定频率
T4环境温度
第二级调控，PLC控制器(5)给出设定的测试功率与制冷机(22)输出功率的差值，使可控硅调功器(3)执行输出，通过功率传感器(4)，反馈实际功率数值，计算加热器(24)需要的调节功率，再使加热器(24)调控的功率更精确；计算公式如下：
Pe＝(T2-T1)·Q·ρc-Pf
Pe加热器(24)需要的调节功率
T1测试装置进水温度
T2制冷机(22)与加热器(24)之间的温度
Q流体流量
ρc水的体积热容
第三级调控，计算需要调节的补偿功率，将此功率数值传送给可控硅调功器(3)，累加到第二级调控的功率输出数值之上；计算公式如下：
Pe'＝Pe-△Pe
△Pe需要调节的补偿功率
T3测试装置出水温度
R加热器(24)与外界环境之间的热阻，一般取0.2—1
Pe'需要调节的补偿功率。
2.根据权利要求1所述的双工况恒功率岩土热响应现场测试装置的三级控制方法，其特征在于，控制系统包括PLC控制器(5)，PLC控制器(5)分别通过数据线连接着制冷机(22)变频器、水泵(18)变频器(2)、可控硅调功器(3)、功率传感器(4)、信息采集单元(6)和输入输出单元(7)。
3.根据权利要求1所述的双工况恒功率岩土热响应现场测试装置的三级控制方法，其特征在于，加热器(24)的上部依次安装球阀(10)和排气阀(9)。
4.根据权利要求1所述的双工况恒功率岩土热响应现场测试装置的三级控制方法，其特征在于，制冷机(22)的进口端设置细过滤器(19)，水泵(18)的进口端处设置粗过滤器(17)。
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