CN109975193A - 测量含水层储热参数的装置及其渗漏率和热散失率计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了测量含水层储热参数的装置，包括封闭腔室、连通封闭腔室的注水管道以及计时器，注水管道连通水源，封闭腔室中设置有用于加热岩样的岩样加热器、用于检测岩样的岩样测温计以及用于检测换热水温度的换热水测温计，同时公开计算含水层渗漏率和热散失率的方法，先根据含水层储热过程，构建换热模型来体现储热过程，进而得到含水层渗漏率和热散失率计算公式，确定需要采集的参数；将所采集的参数输入含水层渗漏率和热散失率计算公式，计算得出含水层渗漏率和热散失率，同时为含水层储能效率预测提供可靠的实验数据；能够基于含水层储能的基本特征，为不同岩性储层间的渗漏和热散失分析奠定具体实验基础。
Description
技术领域
本发明属于含水层蓄热技术领域，具体涉及一种测量含水层储热参数的装置及其渗漏率和热散失率计算方法。
背景技术
地下含水层储能技术，简称ATES Aquifer Thermal Energy Storage技术，主要是指利用地下含水层与地面大气的温差，通过水循环在夏天将热量存储到地下，再在冬天取出利用，以对建筑温度进行调节。这种技术不仅节电、省煤、节水、调整用电负荷、工程费用低，收效快、管理方便，而且对控制地面沉降也起到了积极作用。该技术近30年来在欧洲已被广泛应用，中国也在尝试引入该项新型清洁能源技术，以期降低传统化石资源在能源供给方面的巨大压力。
地下含水层储能必然伴随着水渗漏和热损失，损失量的多少直接决定了含水层储能项目是否技术可行或经济可行，以及是否可在全国范围内推广适用。但是，由于目前地下含水层储能工程主要是在国外实施，我国相应的研究工作相对滞后，实际工程也尚未开展，因此直接获取相关工程实测数据较为困难。数值模拟是目前进行含水层储能研究最主要的技术手段，但由于数值模拟参数设定受人为因素影响较大，且理论模型可能会忽视一些实际情形中的重要参数，因此数值计算结果也需与实际换热情况进行对比。所以，该手段仅能用以辅助参考，具体拟合情况尚需实测手段进一步印证。
目前，尚未形成合适的实验室系统，以对含水层储能的渗透率和热散失率进行有效模拟和测试。尽管少数学者已提出模拟系统的初步设想，但并未形成实体实验系统，距实验模拟工作尚存一定差距。因此，有必要形成一种方便使用的模拟测试地下含水层储热系统渗漏率和热散失率的实验分析系统，以满足对含水层储能研究、尤其是其前期技术与经济可行性研究的实际需要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种测量含水层储热参数的装置及其渗漏率和热散失率计算方法，通过用具体的装置采集到含水层的储热过程的参数，根据储热模型进行计算得到含水层渗漏率和热散失率，为含水层储能研究提供实验数据。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种测量含水层储热参数的装置，包括封闭腔室、连通封闭腔室的注水管道以及计时器，注水管道连通水源，注水管道上沿着水流方向设置有加热段、加压段以及流量计量段；加热段中设置加热器和测温计，封闭腔室中设置有用于加热岩样的岩样加热器、用于检测岩样的岩样测温计以及用于检测换热水温度的换热水测温计，计时器用于计量换热时间；加热段与水源之间设置有第一阀门，加热段与加压段之间设置有第二阀门。
加热段单次所加热水的体积不小于封闭腔室的容积，流量计量段每分钟检测最大流量不低于加热段单次所加热水的体积。
还包括连通封闭腔室的排水管，排水管连通有废液筒，排水管上设置有第三阀门以及抽水泵；排水管出水口伸入废液筒底部。
废液筒的容量大于封闭腔室内的体积。
加热段包括加热室，加热器和测温计设置在加热室中；
加压段包括注水泵，注水泵的入水口连接加热室的出水口，注水泵的出水口连接流量计量段的入水口；
流量计量段包括体积流量计，体积流量计的出水口连接封闭腔室的入水口。
封闭腔室内腔腔壁与岩样之间设置有间隙，封闭腔室的外侧设置绝热材层，封闭腔室的顶部设置有排气阀。
封闭腔室采用反应釜；
计时器采用能记录时长不小于72小时且记录时间精度不低于0.1s的计时器；
注水泵的压力调节精度不低于0.01MPa；体积流量计的测量精度不低于0.1ml，耐压能力不低于注水泵的最大压力，耐热温度不低于100℃。
排水管连通有废液筒，废液筒的容量大于封闭腔室内的体积；排水管端部伸入废液筒底部。
基于本发明所述装置能够采集的参数，还提供计算含水层渗漏率和热散失率的方法，包括以下步骤：
步骤1，构建换热模型来体现储热过程，进而得到含水层渗漏率和热散失率计算公式，确定需要采集的参数，所述参数包括换热水的初始温度Tw0、岩体初始温度Tr0、初始热交换水的体积Vw0、补充换热水的体积Vadd、岩体换热之后的温度Tr1、换热水换热之后的温度Tw1以及换热时间t。
步骤2，测量并采集步骤1所述参数；
步骤3，将步骤2所采集的参数输入步骤1构建的含水层渗漏率和热散失率计算公式，计算得出含水层渗漏率和热散失率。
步骤1所述含水层渗漏率和热散失率计算公式分别为：
其中，η为渗漏率，ε为热散失率；cw为水的比热容，ρw为水的密度，h为储层厚度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明能够实验室中采用具体的装置模拟含水层渗漏和热散失过程，能够基于含水层储能的基本特征，采集相关参数，为含水层储能效率预测提供可靠的实验数据；方便、快捷地构建简化的含水储层实体模型，为不同岩性储层间的渗漏和热散失分析奠定具体实验基础。
进一步的，加热段单次所加热水的体积不小于封闭腔室的容积，确保一次加热的水量足够完成一次实验，流量计量每分钟检测最大流量不低于加热段单次所加热水的体积，流量计。
进一步的，排水管连通有废液筒，废液筒的容量大于封闭腔室内的体积，方便及时一次性处理实验用过的废液；排水管端部伸入废液筒底部，能确保废液不会溅出废液筒。
进一步的，计时器采用能记录时长不小于72小时且记录时间精度不低于0.1s的计时器，在长时间计时的情况下实现准确计时，提高本发明的精准度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明使用操作流程图。
附图中，1-封闭腔室，2-注水管道，3-计时器，4-加热段4，5-加压段，6-流量计量段，7-岩样加热器，8-岩样测温计，9-换热水测温计，10-岩样，11-阀门，12-排水管，13-抽水泵，14-废液筒，15-第二阀门，16-第三阀门。
具体实施方式
下面结合参考附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种测量含水层储热参数的装置，包括封闭腔室1、连通封闭腔室1的注水管道和排水管，注水管道连通水源，注水管道上沿着水流方向设置有加热段4、加压段5以及流量计量段6，排水管12上设置抽水装置；封闭腔室1中设置有用于加热岩样的岩样加热器7、用于检测岩样10的岩样测温计8以及用于检测换热介质温度的换热水测温计9；加热段4与水源之间设置有阀门11，加热段4与加压段5之间设置有第一阀门11；还包括计时器3，计时器采用能记录时长不小于72小时且记录时间精度不低于0.1s的计时器。
加热段4单次所加热水的体积不小于封闭腔室1的容积，流量计量段6每分钟检测最大流量不低于加热段4单次所加热水的体积；排水管12连通有废液筒14，废液筒14的容量大于封闭腔室1内的体积；排水管12上设置有第三阀门16，排水管12端部伸入废液筒14底部，防止废液溅出。
加热段4包括加热室，加热室中设置加热器和测温计；加压段5包括注水泵，注水泵的入水口连接加热室的出水口，注水泵的出水口连接流量计量段6的入水口；流量计量段6包括体积流量计，体积流量计的出水口连接封闭腔室1的入水口；封闭腔室1内腔腔壁与岩样之间有2～3cm的间隙，便于放置岩样，封闭腔室1的外侧设置绝热材层，封闭腔室1的顶部设置有排气阀。
本发明优选的，封闭腔室1采用反应釜。
注水泵和抽水泵13采用能提供0-1MPa范围内的注水和抽水动力，调节精度均不低于0.01MPa；体积流量计的测量精度不低于0.1ml，耐压能力不低于注水泵的最大压力，耐热温度不低于100℃；加热器采用功率不小于200kW的加热器，岩样加热器7采用不小于200kW的加热器；加热器采用功率不小于200kW的加热器，加热器采用不小于200kW的加热器能确保足够快的加热速率，实验在能在设定时间内进行完毕，而且能满足加热室持续保温的需求。
本发明采用储水罐储存冷水作为检测用的冷水水源，检测含水层渗漏率和热散失率的系统，包括装有冷水的储水罐，储水罐和第一阀门11通过注水管道2与加热室相接，加热室中设置加热器和测温计，加热室、第二阀门15以及注水泵通过注水管道相接，注水泵通过注水管道2与体积流量计相连，体积流量计通过注水管道2与封闭腔室1入水口相接，封闭腔室1内置岩样10，岩样10中设置岩样加热器7和岩样测温计8，岩样10内槽盛水部位也配备换热水测温计9，封闭腔室1出水口通过排水管12与抽水泵13连接，抽水泵13和阀门23通过排水管12连通废液筒14；本装置中还设置有计时器3以供计时使用；
储水罐内盛有冷水，冷水温度低于注入封闭腔室1的水温，储水容量不低于2000ml；加热室内的储水容量不低于2000ml；体积流量计的流量测试范围为0-2000ml/min，测量精度不低于0.1ml，耐压能力不低于1MPa，耐热温度不低于100℃；废液筒14内至少可盛2000ml的废液。
测温计6、岩样测温计8和换热水测温计9的量程均为0-100℃，测量精度不低于0.1℃，测温计的测温点应分别伸入加热室、岩样10的岩体内和岩样凹槽内，测温计的示数可在加热室外和封闭腔室1外读取；
加热器和岩样加热器7可在1h内分别将加热室内冷水和岩样从室温加热至100℃。
注水泵和抽水泵13可提供0-1MPa范围内的注水/抽水动力，调节精度不低于0.01MPa。
封闭腔室1内腔尺寸设计为能正好放入20cm×20cm×20cm的岩样10，封闭腔室1外缘添加绝热材料以保证釜内换热过程为封闭绝热过程；封闭腔室1顶面一侧设置可开启/关闭的排气阀，以保证顺利向釜内抽/注液体。
岩样10尺寸外缘尺寸为20cm×20cm×20cm，其凹槽尺寸横截面为10cm×10cm，凹槽深度据模拟储层深度设定，岩样10在封闭腔室1内呈皿状放置，即凹槽开口朝上。
排水管12伸入废液筒14底部，防止废液溅出污染。
计时器3具备记录时长功能，所记录的最长时间为72h，最小时间精度不低于0.1s；
系统中所有阀门、管道和设备连接处密封性与绝热性良好，在1MPa压力和100℃温度条件下不发生显著变形与漏液。
参照图1，根据本发明所述装置的操作步骤的一种实施方式如下：
步骤1，根据含水层储热过程，构建储热模型，确定实验参数；
明确实验参数，首先，根据需研究的含水层储热场景，设定注入水温度Tw0、岩体温度Tr0、岩体岩性、换热时间t和储层厚度h，并约定模拟储层厚度h与岩样10的凹槽高度一致；
步骤2，根据封闭腔室1尺寸和储热规模，制备相应岩石样品；
根据步骤1中设定的岩体岩性，挑选对应岩性的完整岩样，制备尺寸为20cm×20cm×20cm的岩石样品；同时根据预设的储层模拟厚度h，将岩样顶面中心部位挖出10cm×10cm×h的内槽，用于盛放热交换和渗透用的热水；岩样10的内槽顶缘平整，使得在后续步骤中能够清晰地进行观测；
步骤3，确认本发明所述装置各部件完好无损并进行组装，关闭所有阀门，向储水罐中注入冷水，冷水温度应不高于检测时的注入水温度Tw0；同时，将制好的岩样10凹槽开口朝上状平稳放入封闭腔室1内，岩样10底面和顶面应分别配备岩样加热器7和岩样测温计8，岩样加热器7和岩样测温计8的作用端应置于岩样10内部，岩样加热器7和测温计的控制端和显示端置于封闭腔室1外侧；换热水测温计9的作用端置于岩样凹槽内且不与岩样10直接接触，换热水测温计9的控制端和显示端置于封闭腔室1外侧；岩样10的初始温度不高于模型岩体加热温度Tr0；注水泵、抽水泵13、体积流量计以及阀门均调至关闭状态，废液筒14保留少量液体以防废液溅出；
步骤4，打开第一阀门11，将储水罐中冷水注入加热室；待加热室内液量足够后，关闭第一阀门11，启动加热器，并随时观察测温计的示数变化，待测温计示数达到模型注入水温度Tw0后，关闭加热器；若在关闭加热器后仍出现少许升温，则开启第一阀门11向加热室中注入冷水混合平衡后关闭第一阀门11；
步骤5，启动岩样加热器7加热岩样10，并随时观察岩样测温计8的示数变化，待岩样测温计8示数达到模型岩体温度Tr0后，关闭岩样加热器7；
步骤6，待加热室内注入水温度和岩样17温度分别达到预设温度后，打开第二阀门15，打开封闭腔室1排气阀，启动注水泵和体积流量计，并向封闭腔室1内注入足量温度为Tw0的水；待水刚好与岩样10内槽顶缘平齐后，立即从体积流量计上读取并记录注入热水总体积Vw0，关闭注水泵和体积流量计，关闭第二阀门15和排气阀，同时启动计时器3，观测岩样测温计8和换热水测温计9的示数变化；
步骤7，待换热时间达到t时，记录岩样测温计8和换热水测温计9示数，分别为Tr1和Tw1；由于岩石内存在孔隙和裂缝，会造成岩样凹槽内的热水发生渗漏，造成凹槽内液面下降；此时，打开封闭腔室1排气阀，打开第二阀门15、注水泵和体积流量计，向岩样内槽内补充热水至液面重新达到顶缘，从体积流量计上读取并记录补充液量Vadd，关闭注水泵和体积流量计；
步骤9，打开阀门23，启动抽水泵13，迅速抽走封闭腔室1内所有液体，待不再有残余液体从排水管12排出时，关闭抽水泵13；所有观测分析完毕且系统停止稳定后，关闭注水泵和抽水泵13，关闭第一阀门11、第二阀门15和第三阀门16，依次拆卸系统中各仪器设备，利用洗涤剂或清水清洗系统各仪器管路和封闭腔室1，将废液筒14内残液倒入专门容器进行后续处理，储水罐内冷水可放入专门储液容器以备后续实验开展。
最后，通过多次测量求平均值，逐项记录所有实验参数：换热水的初始温度Tw0、岩体初始温度Tr0、初始热交换水的体积Vw0、补充换热水的体积Vadd、岩体换热之后的温度Tr1、换热水换热之后的温度Tw1以及换热时间t。
根据步骤7的测试结果，分别计算在储水时间t条件下的含水层渗漏率η为：
热散失率ε为：
式中，cw为水的比热容，ρw为水的密度。
本发明克服了目前无法在实验室条件下便捷地测试含水层渗漏率和热散失率的缺点，能够利用实验室手段，制作不同岩性的含水层储能模型，模拟在一定岩性、初始温度和换热时间条件下的储热和热散失过程；同时，本发明所构建的皿状岩石样品模型，既简化了样品制作流程，也保留了原始含水层储能系统的基本特点，使得在实验室构建地下储能微缩模型成为可能；本发明利用相对简易的模拟手段，制备出皿状岩石样品，可方便、快捷地测试不同含水层储能系统的渗漏率和热散失率，在地下含水层储能和利用方面具有较好的推广意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明的实施范围，所以其等同组件的置换，或依本发明保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本发明涵盖的范畴。
Claims (10)
1.测量含水层储热参数的装置，其特征在于，包括封闭腔室(1)、连通封闭腔室(1)的注水管道以及计时器(3)，注水管道连通水源，注水管道上沿着水流方向设置有加热段(4)、加压段(5)以及流量计量段(6)；加热段(4)中设置加热器和测温计，封闭腔室(1)中设置有用于加热岩样的岩样加热器(7)、用于检测岩样(10)的岩样测温计(8)以及用于检测换热水温度的换热水测温计(9)，计时器(3)用于计量换热时间；加热段(4)与水源之间设置有第一阀门(11)，加热段(4)与加压段(5)之间设置有第二阀门(15)。
2.根据权利要求1所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，加热段(4)单次所加热水的体积不小于封闭腔室(1)的容积，流量计量段(6)每分钟检测最大流量不低于加热段(4)单次所加热水的体积。
3.根据权利要求1所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，封闭腔室(1)还连通有排水管(12)，排水管(12)连通有废液筒(14)，排水管(12)上设置有第三阀门(16)以及抽水泵(13)；排水管(12)出水口伸入废液筒(14)底部。
4.根据权利要求1所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，废液筒(14)的容量大于封闭腔室(1)内的体积。
5.根据权利要求1所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，加热段(4)包括加热室，加热器和测温计设置在加热室中；
加压段(5)包括注水泵，注水泵的入水口连接加热室的出水口，注水泵的出水口连接流量计量段(6)的入水口；
流量计量段(6)包括体积流量计，体积流量计的出水口连接封闭腔室(1)的入水口。
6.根据权利要求5所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，封闭腔室(1)内腔腔壁与岩样之间设置有间隙，封闭腔室(1)的外侧设置绝热材层，封闭腔室(1)的顶部设置有排气阀。
7.根据权利要求6所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，封闭腔室(1)采用反应釜。
8.根据权利要求6所述的测量含水层储热参数的装置，其特征在于，计时器采用能记录时长不小于72小时且记录时间精度不低于0.1s的计时器；
注水泵的压力调节精度不低于0.01MPa；
体积流量计的测量精度不低于0.1ml，耐压能力不低于注水泵的最大压力，耐热温度不低于100℃。
9.根据权利要求1～8任一项所述装置测量的储热参数计算含水层渗漏率和热散失率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，构建体现储热过程的换热模型，进而得到含水层渗漏率和热散失率计算公式，确定需要采集的参数，所述参数包括换热水的初始温度Tw0、岩体初始温度Tr0、初始热交换水的体积Vw0、补充换热水的体积Vadd、岩体换热之后的温度Tr1、换热水换热之后的温度Tw1以及换热时间t；
步骤2，测量并采集步骤1所述参数；
步骤3，将步骤2所采集的参数输入步骤1构建的含水层渗漏率和热散失率计算公式，计算得出含水层渗漏率和热散失率。
10.根据权利要求9所述的计算含水层渗漏率和热散失率的方法，其特征在于，步骤1所述含水层渗漏率和热散失率计算公式分别为：
其中，η为渗漏率，ε为热散失率；cw为水的比热容，ρw为水的密度，h为储层厚度。
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2019
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Patent Citations (6)
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