CN110260995B - 用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法，该系统包含测温井群，温度采集单元以及模拟和可视化单元；测温井群包含若干测温井，测温井内分别设有热电偶阵列。温度采集单元采用温度巡检仪，模拟和可视化单元采用计算机；温度巡检仪和计算机设置在地面上，温度巡检仪的两端分别连接计算机和设置在测温井内的热电偶阵列。热电偶阵列由若干个垂直设置在测温井内的热电偶组成；热电偶为K型热电偶。本发明还提供了该用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法。本发明提供的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法，是一种能够实现热修复区域热场实时监测、存储和全区域温度读取与可视的方法和系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于原位热脱附场地的热场测温方法及温度收集可视化系统，具体地，涉及一种用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法。
背景技术
作为高难度有机污染场地土壤地下水修复的一项重要技术，原位热脱附可以在较短时间内去除污染场地内大部分易挥发或者半挥发的有机污染物，并且在低渗透性场地也能取得较好的修复效果，在国外污染场地修复应用中已形成了较为成熟的技术体系。
考虑到原位热脱附技术主要依靠将电能、高温燃气或高温蒸汽等热源产生的热量，通过热传导、热对流等传热方式传递至污染土壤和地下水，促成加热区域内污染物与土壤和地下水的分离、挥发，以及污染物流动性的增加，修复区域土壤和地下水的修复效果与加热效果直接相关。通过修复区域的热场温度分布情况，可以及时判断热修复进程，评估热量在修复区域内传递的有效性和均匀性，为热修复实施的调整与决策提供依据。
在实际原位热脱附现场测温应用中，考虑到安装难度和成本，仅能在热场内有限的点位安装测温井，且所获得的测量数据只能代表特定离散点位和区域热场的温度状况，很难进行热场全区域性的温度解读。
因此，有必要针对热脱附技术开发一种能够实现热修复区域热场实时监测、存储和全区域温度读取与可视的方法和系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于热脱附场地的热场实时监测、存储和全区域温度读取与可视的方法与系统，针对热脱附场地的热场监测用于修复实施决策判断的需求，解决现有的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的系统包含测温井群，温度采集单元以及模拟和可视化单元；所述的测温井群包含若干测温井，测温井内分别设有热电偶阵列。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的温度采集单元采用温度巡检仪，所述的模拟和可视化单元采用计算机；所述的温度巡检仪和计算机设置在地面上，温度巡检仪的两端分别连接计算机和设置在测温井内的热电偶阵列。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的热电偶阵列由若干个垂直设置在测温井内的热电偶组成；所述的热电偶为K型热电偶，热电偶的探头置于目标深度处，若干个热电偶的探头之间按顺序均匀设有垂向间隔。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的热电偶的头部安装有热电偶补偿导线正负极，补偿导线延伸至地面的温度巡检仪并与温度巡检仪的输入端连接，温度巡检仪将热电偶的电信号转为温度信号，并输送至计算机。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的测温井由地面向下垂直设置在原位热脱附修复场地的若干位置处，测温井的井管采用底部密封的耐高温金属管；测温井的设置位置包含原位热脱附修复场地的修复热场热点、冷点与边缘区域。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的系统还包含设置在原位热脱附修复场地表面的隔热层，以及由地面向下垂直设置在原位热脱附修复场地内的若干加热井和抽提井。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的隔热层由铺设在原位热脱附修复场地表面的8～10cm厚轻质混凝土组成；所述的抽提井与设置在地面的抽提物质处理系统连接；所述的加热井的深度小于测温井的深度，加热井由电加热管和井套管构成，电加热管放置于井套管内部，电加热管和井套管均采用碳钢或不锈钢；电加热管内装有电热丝，并设有绝缘和导热层。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，其中，所述的测温井安装于加热场地内距离加热井较近的位置、距离加热井较远的位置和热场边缘，分别用来监测场地内热源、冷区和场地边界的区域温度；K型热电偶探头放置于测温井内的不同深度处，位置最深的热电偶探头的深度大于电加热管底部的深度。
本发明还提供了上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其中，该方法包含：在安装系统后，通过计算机接收温度采集单元获得的在不同时刻的温度数据，并对数据进行三维插值处理，将热场空间内相对离散的温度数据连续化，并输出热场可视化三维或二维图像，然后获取未监测点位的温度或进行其他应用。
上述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其中，所述的测温方法包含：使用计算机接收和存储温度巡检仪传递来的温度数据，并根据需求对实测点位某固定时刻温度数据或某一周期内平均温度进行三维或二维热场建模，建模中采用三维反距离权重方法进行热场空间温度变化解析与评价，使用有限监测点位的已知温度数据对未测量点的温度进行插值，并通过得到的插值点的温度数据计算新的插值点的温度数据；首先将某测温点位在某特定时刻的位置数据和温度数据组合组转换为四维坐标，用来表示该测温点在热场中的水平方向和垂直方向的位置；然后进行多元插值计算，利用有限和相对离散的监测点位的坐标和温度测量数据，生成三维连续的温度分布模型，将热场数字化并具备数据连续性；该方法中的应用除了获得三维或二维温度连续分布图，填补热场温度数据空缺外，还包含将实测和预测的温度数据来计算场地内平均加热速率和修复区域内平均温度，并将其与设计数据进行比较，以评估场地的能量平衡状态，并为能量输入端的反馈调节提供前端数据；所述的方法中还包含：采用三维连续的温度分布模型，通过手动输入未测点位坐标，获得该坐标在热场中对应实际点位在某指定时刻的温度；或者在三维模型建立后，从空间角度直观判断加热效果，有效识别热场内的高温区和低温区；或者通过获得不同定时刻热场温度空间图，回溯加热过程，观察热场周期性变化，来推导热场内不同区域的加热速率，用来调整和优化加热策略；或者除三维插值外，使用热场地同一深度处温度实测数据进行二维插值，以获得热场内某深度地层剖面的温度分布。
本发明提供的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法具有以下优点：
本发明可广泛应用于土壤和地下水原位热修复场地。监测系统现场安装部署方便灵活，可收集热修复区域不同点位(包括热源、冷区和热场边界)不同深度的温度；通过温度巡检仪将电信号转换为温度信号，并在巡检仪屏幕上显示；通过计算机模拟，可通过已知热场内特定点位的实测温度值合理推算未知位置同时刻的温度值，从而获得整个热场的温度分布信息。这有助于及时判断热修复进程，为热修复实施提供决策依据；同时，全过程的热场监测与记录，可随时调用回顾，通过案例经验与加热数据的积累反馈，不断优化热修复设计。
附图说明
图1为本发明的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的示意图。
图2为原位热脱附场地测温井位置分布图。
图3为某原位热脱附应用热场温度场模拟剖面图。
其中：1、测温井；2、温度巡检仪；3、计算机；4、第一热电偶探头；5、第二热电偶探头；6、第三热电偶探头；7、加热井；8、电加热管；9、井套管；10、补偿导线；11、处理区域上边缘；12、处理区域下边缘；13、隔热层；14、抽提井；15、抽提物质处理系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，包含测温井群，温度采集单元以及模拟和可视化单元；测温井群包含若干测温井1，测温井1内分别设有热电偶阵列。
温度采集单元采用温度巡检仪2，模拟和可视化单元采用计算机3；温度巡检仪2和计算机3设置在地面上，温度巡检仪2的两端分别连接计算机3和设置在测温井1内的热电偶阵列。
热电偶阵列由若干个垂直设置在测温井1内的热电偶组成；热电偶为K型热电偶，热电偶的探头置于目标深度处，若干个热电偶的探头之间按顺序均匀设有垂向间隔。
热电偶的头部安装有热电偶补偿导线10正负极，补偿导线10延伸至地面的温度巡检仪2并与温度巡检仪2的输入端连接，温度巡检仪2将热电偶的电信号转为温度信号，并输送至计算机3。温度巡检仪2和计算机3位于地面以上操作间内，温度巡检仪2与放置于测温井1内的K型热电偶阵列通过热电偶补偿导线10连接。温度巡检仪2用来接收热电偶所测量的电信号，并将电信号转换为温度信号；温度巡检仪2为现有设备，其型号(特别是输入端数量)根据所连接热电偶数量确定。温度巡检仪2屏幕可显示输入端即时温度。
测温井1由地面向下垂直设置在原位热脱附修复场地的若干位置处，测温井1的井管采用底部密封的耐高温金属管；测温井1的设置位置包含原位热脱附修复场地的修复热场热点、冷点与边缘区域。测温井1用于放置热电偶阵列，井口直径根据管内放置热电偶数量确定。测温井1井壁和井底材质优选为不锈钢。测温井管安装后，将K型热电偶放置于井管中，并将热电偶探头置于目标深度处，可根据目标测温深度设计探头垂向间隔。再将热电偶补偿导线10正负极安装于热电偶探头顶部，并延伸至地面温度巡检仪2。温度巡检仪2型号及路数可根据测温热电偶数量选择，若热电偶数量较多，可使用多个温度巡检仪2分别收集热场内不同区域温度数据。
该系统还包含设置在原位热脱附修复场地表面的隔热层13，以及由地面向下垂直设置在原位热脱附修复场地内的若干加热井7和抽提井14。
隔热层13由铺设在原位热脱附修复场地表面的8～10cm厚轻质混凝土组成；抽提井14与设置在地面的抽提物质处理系统15连接；加热井7的深度小于测温井1的深度，加热井7由电加热管8和井套管9构成，电加热管8放置于井套管9内部，电加热管8和井套管9均采用碳钢或不锈钢；电加热管8内装有电热丝，并设有绝缘和导热层。
测温井1安装于加热场地内距离加热井7较近的位置、距离加热井7较远的位置和热场边缘，分别用来监测场地内热源、冷区和场地边界的区域温度；为了考虑测温井1能够垂向覆盖加热温度范围区间，测温井1深度不小于加热井7深度；优选地，测温井1深度需略深于加热井7底端；测温井1管径由井内所放置热电偶类型和数量确定。K型热电偶探头放置于测温井1内的不同深度处，位置最深的热电偶探头的深度大于电加热管8底部的深度。
本发明还提供了该用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其包含：在安装系统各部件后，计算机3内设有温度存储单元和模拟单元，预装有模拟软件，通过计算机3接收温度采集单元获得的在不同时刻的温度数据，并对数据进行三维插值处理，如反距离权重插值，将热场空间内相对离散的温度数据连续化，并输出热场可视化三维或二维图像，然后获取未监测点位的温度或进行其他应用。
优选地，该测温方法包含：使用计算机3接收和存储温度巡检仪2传递来的温度数据，并根据需求对实测点位某固定时刻温度数据或某一周期内平均温度进行三维或二维热场建模，建模中采用三维反距离权重方法(Inverse Distance Weighted，IDW)进行热场空间温度变化解析与评价。三维IDW方法广泛应用于地球科学领域，考虑到原位热修复中热量传递主要依靠热传导和热对流原理，对未加热的区域，受到其相邻的已被加热区域影响较大；该机理与IDW方法更为接近，在IDW方法中，与距离预测位置较远的测量值相比，距离预测位置最近的测量值对预测值影响更大。因此，IDW方法可在热场模拟时作为插值方法使用。
通过三维IDW方法，使用有限监测点位的已知温度数据对未测量点的温度进行插值，并通过得到的插值点的温度数据计算新的插值点的温度数据；考虑到插值方法对边界数据的要求，在实际热场中，需在热场边界安装测温井1获得实测数据，以提高模拟的准确性。其过程包含：首先将某测温点位在某特定时刻的位置数据和温度数据组合组转换为四维坐标，用来表示该测温点在热场中的水平方向和垂直方向的位置；然后进行多元插值计算，利用有限和相对离散的监测点位的坐标和温度测量数据，生成三维连续的温度分布模型，将热场数字化并具备数据连续性。
该方法中的应用除了在计算机3模拟单元内，获得三维或二维温度连续分布图，填补热场温度数据空缺外，还包含将实测和预测的温度数据来计算场地内平均加热速率(以℃/天为单位)和修复区域内平均温度等，并将其与设计数据(能量供应速率、平均温度等)进行比较，以评估场地的能量平衡状态，并为能量输入端的反馈调节提供前端数据。
该方法中还包含：采用三维连续的温度分布模型，通过手动输入未测点位坐标，获得该坐标在热场中对应实际点位在某指定时刻的温度；或者在三维模型建立后，从空间角度直观判断加热效果，有效识别热场内的高温区和低温区；或者通过获得不同定时刻热场温度空间图，回溯加热过程，观察热场周期性变化，来推导热场内不同区域的加热速率，用来调整和优化加热策略；或者除三维插值外，使用热场地同一深度处温度实测数据进行二维插值，以获得热场内某深度地层剖面的温度分布。
下面结合实施例对本发明提供的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法做更进一步描述。
实施例1
一种用于原位热脱附修复场地的温度收集系统，包含测温井群，温度采集单元以及模拟和可视化单元。主要由测温井1、温度巡检仪2和内置模拟软件的计算机3构成，处理区域为处理区域上边缘11到处理区域下边缘12之间的区域，参见图1所示。
图1中双箭头代表信号流向，单箭头代表抽提流体流向。加热之前，场地表面铺设8～10cm厚轻质混凝土作为隔热层13。在该原位电加热修复场地中，加热井7主要由电加热管8和井套管9构成，电加热管8放置于井套管9内部，两者为碳钢或不锈钢材质；井套管9的尺寸根据内嵌电加热管8的类型而定，电加热管8内装有电热丝，并填充绝缘和导热材料，构成绝缘和导热层。
测温井1可安装于场地内多个位置，测温井1为不锈钢材质，外径可根据内装热电偶类型和数量进行调整；为纵向覆盖加热区间，测温井1底部深度不低于电加热管8。K型热电偶探头放置于测温井1内不同深度，其包含第一热电偶探头4、第二热电偶探头5、第三热电偶探头6等。位置最深的热电偶探头即第三热电偶探头6，其深度超过电加热管8底部；热电偶探头通过补偿导线10连接至温度巡检仪2的输入端，温度巡检仪2输入路数可根据其监控的热电偶数量而定，补偿导线10须根据所使用的热电偶类型配套、所在区域的温度范围和允许误差范围进行选择。接收到多路电信号后，温度巡检仪2将电信号转为温度信号，并输送至计算机3中的模拟软件。计算机3模拟软件可根据设定时间间隔记录加热后固定时刻温度(例如每隔半小时温度)。该原位热脱附修复场地还设有抽提井14，抽提井14与地面的抽提物质处理系统15连接。
如图2所示，对于正三角形加热井7布局场地：测温井1可安装于加热井7旁①，用于监测热源温度；安装于加热井7三角形中心点②，用于监测热场内冷区温度(即距离加热井7较远位置)；安装于场地边缘③，用于监测场地边缘温度。不同点位，可根据所监测区域温度范围选择适宜的热电偶类型。
本实施例还提供了该用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其包含：在安装系统各部件后，计算机3内设有温度存储单元和模拟单元，预装有模拟软件，通过计算机3接收温度采集单元获得的在不同时刻的温度数据，并对数据进行三维插值处理，如反距离权重插值，将热场空间内相对离散的温度数据连续化，并输出热场可视化三维或二维图像，然后获取未监测点位的温度或进行其他应用。
模拟软件首先将某测温点位在某特定时刻的位置数据和温度数据组合组转换为四维坐标，例如x、y、z、T(℃)，x、y、z用来表示该测温点在热场中的水平方向和垂直方向的位置；然后进行多元插值计算。在实际操作中，可使用水文地质模拟或地理信息系统模拟软件(例如GMS等)建立三维热场温度分布图，使用软件的插值工具进行IDW法三维温度空间插值估算。利用有限和相对离散的监测点位的坐标和温度测量数据，生成三维连续的温度分布模型，将热场数字化并具备数据连续性，在此基础上可进行：
(1)通过手动输入未测点位坐标，可获得该坐标在热场中对应实际点位在某指定时刻的温度。
(2)三维模型建立后，可从空间角度直观判断加热效果，有效识别热场内的高温区和低温区。
(3)通过获得不同定时刻热场温度空间图，回溯加热过程，观察热场周期性变化，来推导热场内不同区域的加热速率，用来调整和优化加热策略，例如更改供能强度、调整加热井7位置等.
(4)除三维插值外，可使用热场地同一深度处温度实测数据进行二维插值，以获得热场内某深度地层剖面的温度分布。
某原位燃气热脱附中试现场中，地面以下3m处地层剖面在加热第10天的二维可视图参见图3所示。
本发明提供的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统及其测温方法，该系统包括测温井群、温度采集单元和计算机模拟单元，可应用于包括原位电加热脱附、原位燃气加热脱附等不同类型技术的原位热脱附场地。本发明中测温井安装灵活，可根据不同测温目的安装于加热井7附近、场地内冷区和加热场地边缘位置。本装置通过将热电偶放置于测温井内，收集目标加热区域内温度信号，传递至地面以上温度巡检仪进行信号转换，计算机模拟软件接收所存储的温度数据，并通过多元插值获得三维可视且数据连续的温度场。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的系统包含测温井群，温度采集单元以及模拟和可视化单元；所述的测温井群包含若干测温井，测温井内分别设有热电偶阵列；
所述的方法包含：在安装系统后，通过计算机接收温度采集单元获得的在不同时刻的温度数据，并对数据进行三维插值处理，将热场空间内相对离散的温度数据连续化，并输出热场可视化三维或二维图像，然后获取未监测点位的温度或进行其他应用；
所述的测温方法包含：使用计算机接收和存储温度巡检仪传递来的温度数据，并根据需求对实测点位某固定时刻温度数据或某一周期内平均温度进行三维或二维热场建模，建模中采用三维反距离权重方法进行热场空间温度变化解析与评价，使用有限监测点位的已知温度数据对未测量点的温度进行插值，并通过得到的插值点的温度数据计算新的插值点的温度数据；首先将某测温点位在某特定时刻的位置数据和温度数据组合组转换为四维坐标，用来表示该测温点在热场中的水平方向和垂直方向的位置；然后进行多元插值计算，利用有限和相对离散的监测点位的坐标和温度测量数据，生成三维连续的温度分布模型，将热场数字化并具备数据连续性；该方法中的应用除了获得三维或二维温度连续分布图，填补热场温度数据空缺外，还包含将实测和预测的温度数据来计算场地内平均加热速率和修复区域内平均温度，并将其与设计数据进行比较，以评估场地的能量平衡状态，并为能量输入端的反馈调节提供前端数据；所述的方法中还包含：采用三维连续的温度分布模型，通过手动输入未测点位坐标，获得该坐标在热场中对应实际点位在某指定时刻的温度；或者在三维模型建立后，从空间角度直观判断加热效果，有效识别热场内的高温区和低温区；或者通过获得不同定时刻热场温度空间图，回溯加热过程，观察热场周期性变化，来推导热场内不同区域的加热速率，用来调整和优化加热策略；或者除三维插值外，使用热场地同一深度处温度实测数据进行二维插值，以获得热场内某深度地层剖面的温度分布。
2.根据权利要求1所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的温度采集单元采用温度巡检仪，所述的模拟和可视化单元采用计算机；所述的温度巡检仪和计算机设置在地面上，温度巡检仪的两端分别连接计算机和设置在测温井内的热电偶阵列。
3.根据权利要求2所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的热电偶阵列由若干个垂直设置在测温井内的热电偶组成；所述的热电偶为K型热电偶，热电偶的探头置于目标深度处，若干个热电偶的探头之间按顺序均匀设有垂向间隔。
4.根据权利要求3所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的热电偶的头部安装有热电偶补偿导线正负极，补偿导线延伸至地面的温度巡检仪并与温度巡检仪的输入端连接，温度巡检仪将热电偶的电信号转为温度信号，并输送至计算机。
5.根据权利要求3所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的测温井由地面向下垂直设置在原位热脱附修复场地的若干位置处，测温井的井管采用底部密封的耐高温金属管；测温井的设置位置包含原位热脱附修复场地的修复热场热点、冷点与边缘区域。
6.根据权利要求1所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的系统还包含设置在原位热脱附修复场地表面的隔热层，以及由地面向下垂直设置在原位热脱附修复场地内的若干加热井和抽提井。
7.根据权利要求6所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的隔热层由铺设在原位热脱附修复场地表面的8～10cm厚轻质混凝土组成；所述的抽提井与设置在地面的抽提物质处理系统连接；所述的加热井的深度小于测温井的深度，加热井由电加热管和井套管构成，电加热管放置于井套管内部，电加热管和井套管均采用碳钢或不锈钢；电加热管内装有电热丝，并设有绝缘和导热层。
8.根据权利要求7所述的用于原位热脱附修复场地的温度收集系统的测温方法，其特征在于，所述的测温井安装于加热场地内距离加热井较近的位置、距离加热井较远的位置和热场边缘，分别用来监测场地内热源、冷区和场地边界的区域温度；K型热电偶探头放置于测温井内的不同深度处，位置最深的热电偶探头的深度大于电加热管底部的深度。
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