CN113030162B - 一种地热换热器运行参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地热换热器运行参数优化方法，涉及地热能开发应用技术领域。本发明包括如下步骤；步骤一，换热器内部流态模拟，以地热现场的换热器为参照，利用软件对换热器内部流道结构进行建模；然后。本发明通过本发明的参数优化方法可以判断换热设备运行参数的优劣程度，并对其进行筛选和优化，本发明中的测试条件均基于现场实际工况以及针对实际工况所进行的模拟数值，实验结果更接近现场实际，例如，动态电化学测试的基准参数为依据实际换热现场设备模拟取得，工况参数的上下浮动测试范围则选自实际现场设备的工况阈值区间，从而使得出的结论更具有现场针对性和参考性。

Description

一种地热换热器运行参数优化方法

技术领域

本发明属于地热能开发应用技术领域，特别是涉及一种地热换热器运行参数优化方法。

背景技术

随着国际能源结构调整，新型清洁能源的快速发展，对地热资源的利用已是新型能源结构中必不可少的一部分。现阶段的地热能开发利用属于粗放型快速发展阶段，换热器作为核心设备，在工况的选择上大多仅以换热量为标准进行设置。但地热水作为一种元素含量丰富的高矿化度介质，其在核心设备内的腐蚀结垢现象严重的影响到了设备寿命及能量的有效利用，然而目前针对水质层面的换热器运行参数合理性往往被忽略，得出的结论现场针对性和参考性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地热换热器运行参数优化方法，通过本发明的参数优化方法可以判断换热设备运行参数的优劣程度，并对其进行筛选和优化，本发明中的测试条件均基于现场实际工况以及针对实际工况所进行的模拟数值，实验结果更接近现场实际，例如，动态电化学测试的基准参数为依据实际换热现场设备模拟取得，工况参数的上下浮动测试范围则选自实际现场设备的工况阈值区间，从而使得出的结论更具有现场针对性和参考性，解决了上述现有技术中存在的问题。

为达上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种地热换热器运行参数优化方法，包括如下步骤；

步骤一，换热器内部流态模拟，以地热现场的换热器为参照，利用软件对换热器内部流道结构进行建模；然后，运用CFD软件模拟分析地热水在流经换热器内部时的流动状态参数，得到主要的换热器内部流速分布情况和主要的换热面温度分布情况，以上述所得参数用于作为优化方法中的基准测试数值；

步骤二，动态换热过程模拟，用实际现场地热水作为动态模拟实验的工作液，以实际设备选材作为模拟实验的工作电极进行测试，根据所述步骤一中的温度、流速数值进行动态换热过程的基准条件参数，进行动态换热模拟实验；

用于以实际换热量需求为准，对所述步骤一中的主要温度、流速参数进行小范围的上下梯度变化，分别进行动态换热过程模拟实验；

步骤三，动态电化学分析，对所述步骤二中温度、流速参数的梯度变化条件进行电化学测试，采用3电极系统对动态换热过程中电极表面对腐蚀结垢行为进行测试，用于分析工作电极在动态换热过程中的电化学阻抗图谱，当所述步骤三中的电化学阻抗图谱中出现一条完整的高频电荷转移信号和低频物质转移信号时，判定为出现结垢现象触发腐蚀程度加剧的行为，对不同参数条件下出现该行为的时效作为分析依据，用作换热设备参数匹配优化的判定方式；

步骤四，数据分析，根据所述步骤二中的温度、流速基准参数及梯度变化调整，所述步骤三中得到的动态电化学数据，分析不同参数条件下材料表面的腐蚀结垢行为，及结垢对腐蚀程度加剧行为的触发效力，用于得出不同换热参数条件下的腐蚀结垢效力差异，从而判定最优的换热器参数优化方案。

可选的，所述步骤三中所述工作电极为现场换热器材料，所述工作液为现场地热水，起始测试参数为所述步骤一中所得数据。

可选的，所述步骤三中，在测得所述电化学阻抗图谱后，还包括：将所述电极进行干燥称重，得到最终结垢量，随后将所述电极进行酸洗干燥，称重测得腐蚀速率。

可选的，所述步骤二、所述步骤三中的工作电极为未打磨的原始状态，工作液为不含任何添加剂的现场地热水原液。

可选的，所述步骤二、所述步骤三中的动态换热模拟及电化学测试周期至少为连续进行的3天；所述3电极系统为以换热器材质为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极。

可选的，所述步骤一中的CFD模拟以实际现场换热器内部结构参数为原型，所述步骤二中的基准模拟参数与所述步骤三中的软件模拟结果一一对应，所述步骤二及所述步骤三中的参数梯度变化也以所述步骤一中的模拟结果为起始条件。

可选的，所述步骤一中得到的主要温度分布为65℃，主要流速分布为0.12m/s；所述步骤二及所述步骤三中的温度参数梯度区间为55℃～75°C，流速梯度为0.08m/s～0.2m/s。

可选的，参数优化判定依据出现的越慢则代表换热器运行参数越优。

可选的，所述步骤一中CFD软件为Fluent软件，所述步骤二中的工作电极安放位置为垂直于液体流动方向的检测池中心。

本发明的实施例具有以下有益效果：

本发明的一个实施例通过本发明的参数优化方法可以判断换热设备运行参数的优劣程度，并对其进行筛选和优化，本发明中的测试条件均基于现场实际工况以及针对实际工况所进行的模拟数值，实验结果更接近现场实际，例如，动态电化学测试的基准参数为依据实际换热现场设备模拟取得，工况参数的上下浮动测试范围则选自实际现场设备的工况阈值区间，从而使得出的结论更具有现场针对性和参考性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1A、1B、1C分别为现场换热器内部结构模型、主要换热温度分布及主要流速分布；

图2为动态换热过程模拟装置；

图3A、3B、3C、3D、3E为流速参数优化筛选过程的电化学阻抗图谱；

图4为不同流速条件下的结垢触发腐蚀程度加剧行为的时效曲线；

图5A、5B、5C、5D、5E为温度参数优化筛选过程的电化学阻抗图谱；

图6为不同温度条件下的结垢触发腐蚀程度加剧行为的时效曲线；

图7A、7B、7C为最优流速条件及未达最优参数状况下的腐蚀结垢实物结果；

图8A、8B、8C为最优流速条件及未达最优参数状况下的腐蚀结垢实物结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。

在本实施例中提供了一种地热换热器运行参数优化方法，包括：如下步骤；

步骤一，换热器内部流态模拟，以地热现场的换热器为参照，利用软件对换热器内部流道结构进行建模；然后，运用CFD软件模拟分析地热水在流经换热器内部时的流动状态参数，得到主要的换热器内部流速分布情况和主要的换热面温度分布情况，以上述所得参数用于作为优化方法中的基准测试数值；

步骤二，动态换热过程模拟，用实际现场地热水作为动态模拟实验的工作液，以实际设备选材作为模拟实验的工作电极进行测试，根据所述步骤一中的温度、流速数值进行动态换热过程的基准条件参数，进行动态换热模拟实验；

用于以实际换热量需求为准，对所述步骤一中的主要温度、流速参数进行小范围的上下梯度变化，分别进行动态换热过程模拟实验；

步骤三，动态电化学分析，对所述步骤二中温度、流速参数的梯度变化条件进行电化学测试，采用3电极系统对动态换热过程中电极表面对腐蚀结垢行为进行测试，用于分析工作电极在动态换热过程中的电化学阻抗图谱，当所述步骤三中的电化学阻抗图谱中出现一条完整的高频电荷转移信号和低频物质转移信号时，判定为出现结垢现象触发腐蚀程度加剧的行为，对不同参数条件下出现该行为的时效作为分析依据，用作换热设备参数匹配优化的判定方式；

步骤四，数据分析，根据所述步骤二中的温度、流速基准参数及梯度变化调整，所述步骤三中得到的动态电化学数据，分析不同参数条件下材料表面的腐蚀结垢行为，及结垢对腐蚀程度加剧行为的触发效力，用于得出不同换热参数条件下的腐蚀结垢效力差异，从而判定最优的换热器参数优化方案。

本实施例的所述步骤三中所述工作电极为现场换热器材料，所述工作液为现场地热水，起始测试参数为所述步骤一中所得数据。

本实施例的所述步骤三中，在测得所述电化学阻抗图谱后，还包括：将所述电极进行干燥称重，得到最终结垢量，随后将所述电极进行酸洗干燥，称重测得腐蚀速率。

本实施例的所述步骤二、所述步骤三中的工作电极为未打磨的原始状态，工作液为不含任何添加剂的现场地热水原液。

本实施例的所述步骤二、所述步骤三中的动态换热模拟及电化学测试周期至少为连续进行的3天；所述3电极系统为以换热器材质为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极。

本实施例的所述步骤一中的CFD模拟以实际现场换热器内部结构参数为原型，所述步骤二中的基准模拟参数与所述步骤三中的软件模拟结果一一对应，所述步骤二及所述步骤三中的参数梯度变化也以所述步骤一中的模拟结果为起始条件。

本实施例的所述步骤一中得到的主要温度分布为65℃，主要流速分布为0.12m/s；所述步骤二及所述步骤三中的温度参数梯度区间为55℃～75℃，流速梯度为0.08m/s～0.2m/s。

本实施例的参数优化判定依据出现的越慢则代表换热器运行参数越优。

本实施例的所述步骤一中CFD软件为Fluent软件，所述步骤二中的工作电极安放位置为垂直于液体流动方向的检测池中心。

通过本发明所构建的以上技术方案，与现有的换热器参数设定方式相比，由于综合了软件建模、动态换热模拟、动态电化学测试及数据分析这四个相互独立又前后关联的测试步骤，以实际换热器核心内部结构为依据，以换热过程中的腐蚀结垢相互作用作为设备条件优化的判定模式，更贴合实际换热设备的内部情况，结果匹配性高、针对性更强，对实际的地热开发利用工作指导性强；

本发明中的动态换热模拟装置，是能够实现对流换热行为，且配合外接冷媒可实现热交换时效≤5s的换热过程的整体模拟系统，利用该模拟系统能够实现不同现场参数的动态换热过程模拟；

本发明中的动态电化学分析步骤皆在动态换热模拟过程中进行连续数据采集，所有实验状态皆为流动条件；

本发明中的电化学分析步骤是采用3电极系统，分析动态换热过程中结垢现象触发腐蚀程度加剧行为的相互作用效力；根据电化学阻抗图谱，低频区的物质转移信号对应于电极表面的结垢行为，高频区的电荷转移信号对应于电极表面的腐蚀行为；

本发明中的地热换热器运行参数优化方法能够对地热水在核心设备内部换热过程中的腐蚀结垢行为及腐蚀结垢相互作用作出评价，具有简单，针对性强等优点，是一种室内分析换热器运行参数优劣，并能够进行运行参数优化匹配的措施，具体具有以下优点：

本发明的CFD模拟步骤有针对性，可以分析不同型号设备、不同现场条件下地热换热器的内部情况；

本发明的动态换热过程模拟还可以对不同的运行参数方案进行验证，能在实验室中找到最佳的参数匹配模式，为实际生产提供指导，节约人力物力，省时增效；

本发明地热换热器运行参数优化方法，可快速判定不同参数条件下设备内部的腐蚀结垢行为效力，能很好的反应不同的运行场景，进一步得到优化的运行参数组合。本发明中的测试方法以现场地热水为介质，能够实况反应现场情况；电化学阻抗测试能够直接反应设备内部的腐蚀结垢行为，其以换热过程中的腐蚀结垢相互作用时效作为设备条件优化的判定模式，综合考量了腐蚀与结垢行为对换热器的影响，弥补了传统参数设置方式中的缺失。

实施步骤1：换热器内部流态模拟步骤

参考换热现场实际换热器型号及内部结构尺寸，运用建模网格划分软件对换热器内部结构进行计算机建模，在依据实际现场参数，利用Fluent软件模拟出地热水流入换热器时的实际流动状态信息，如换热过程中的流速分布、换热面温度分布等，并确定后续模拟实验的基准起始实验参数。软件建模及模拟情况间示范图1。

在该步骤中，利用CFD软件模拟，可分析出现场换热器内部的实际工况，确定下部动态模拟实验的具体测试条件。(该模拟步骤中采用的所有数据均未现场实际数据，可以真是反应出现场实际换热器内部的地热水流动状态；且可依据不同现场情况，灵活调整，以适应不同工况的分析模拟)。

实验步骤2：动态换热过程模拟步骤

动态换热过程模拟装置如图2所示。

以现场换热器材质作为电极，且不进行表面打磨工序，用以还原现场实际换热情况；以现场地热水作为工作液，依照步骤1中的模拟结果进行测试温度及流速的设置；测试前对检测池内进行除氧处理；开启外接冷媒进行对流换热模拟，并在预设测试条件下进行持续3天的动态电化学测试；待一组测试结束后，依照现场设备可调整的参数范围，对模拟实验参数进行上下梯度浮动，重复模拟实验。

实验步骤3：动态电化学分析步骤

在开启动态换热模拟后，以固定时间间隔，对工作电极进行为期3天的持续动态电化学阻抗测试，当图像上出现完整的物质及电荷转移信号时，则判定以满足测试需求，结束该组换热参数的测试。

测试结束后，更换检测池内的地热水工作液，重复除氧及换热模拟工序，对步骤2中的换热条件进行浮动调整，重复电化学测试工序；不同测试条件下的动态电化学阻抗差异如图3、图5所示。

测试结束后，对工作电极进行清洗称重等相应表征。还可以晶型SEM等分析确定实验结果差异。如图7、图8所示。

通过对不同流速、不同温度条件下的换热过程进行模拟和测试，可系统的分析地热水在换热器内部的腐蚀结垢效力，以及在换热器工作参数允许的范围内，其最优条件作何选择。以流速为例，该测试过程所采用的多个不同流速，可以是现场实际换热器内部流速以及换热器额定流速附近的多个数据电，从而能够系统的分析实际换热现场的设备内部的腐蚀结垢效力及运行参数的优劣，并进一步可以提出现场运行参数的优化参考意见。

实施步骤4：数据分析步骤

对步骤3中的电化学数据进行进一步整合分析处理，以结构现象触发腐蚀程度加剧的行为作为判定依据(即电化学阻抗图谱中出现一条完整的物质和电荷转移信号)，对运行参数的匹配进行筛选优化。见图4、图6。例如图4系列：在现场水温不可调情况下，其流速越慢，所触发的腐蚀结垢相互作用行为的周期越长，可以在现场工况允许的条件下选择更低的流速；图6系列：在现场流速固定的情况下，换热器内部处于临界换热温度时，则其内部发生腐蚀结垢行为的效率最慢，可以通过在满足换热需求的情况下调整换热温差，使得设备内部工作温度处于临界温度条件。

通过本发明的参数优化方法可以判断换热设备运行参数的优劣程度，并对其进行筛选和优化。本发明中的测试条件均基于现场实际工况以及针对实际工况所进行的模拟数值，实验结果更接近现场实际。例如，动态电化学测试的基准参数为依据实际换热现场设备模拟取得，工况参数的上下浮动测试范围则选自实际现场设备的工况阈值区间，从而使得出的结论更具有现场针对性和参考性。

上述实施例可以相互结合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

Claims (9)

1.一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，包括：如下步骤；

步骤一，换热器内部流态模拟，以地热现场的换热器为参照，利用软件对换热器内部流道结构进行建模；然后，运用CFD软件模拟分析地热水在流经换热器内部时的流动状态参数，得到主要的换热器内部流速分布情况和主要的换热面温度分布情况，以上述所得参数用于作为优化方法中的基准测试数值；

步骤二，动态换热过程模拟，用实际现场地热水作为动态模拟实验的工作液，以实际设备选材作为模拟实验的工作电极进行测试，根据所述步骤一中的温度、流速数值进行动态换热过程的基准条件参数，进行动态换热模拟实验；

用于以实际换热量需求为准，对所述步骤一中的主要温度、流速参数进行小范围的上下梯度变化，分别进行动态换热过程模拟实验；

步骤三，动态电化学分析，对所述步骤二中温度、流速参数的梯度变化条件进行电化学测试，采用3电极系统对动态换热过程中电极表面对腐蚀结垢行为进行测试，用于分析工作电极在动态换热过程中的电化学阻抗图谱，当所述步骤三中的电化学阻抗图谱中出现一条完整的高频电荷转移信号和低频物质转移信号时，判定为出现结垢现象触发腐蚀程度加剧的行为，对不同参数条件下出现该行为的时效作为分析依据，用作换热设备参数匹配优化的判定方式；

步骤四，数据分析，根据所述步骤二中的温度、流速基准参数及梯度变化调整，所述步骤三中得到的动态电化学数据，分析不同参数条件下材料表面的腐蚀结垢行为，及结垢对腐蚀程度加剧行为的触发效力，用于得出不同换热参数条件下的腐蚀结垢效力差异，从而判定最优的换热器参数优化方案。

2.如权利要求1所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤三中所述工作电极为现场换热器材料，所述工作液为现场地热水，起始测试参数为所述步骤一中所得数据。

3.如权利要求1所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤三中，在测得所述电化学阻抗图谱后，还包括：将所述电极进行干燥称重，得到最终结垢量，随后将所述电极进行酸洗干燥，称重测得腐蚀速率。

4.如权利要求2所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤二、所述步骤三中的工作电极为未打磨的原始状态，工作液为不含任何添加剂的现场地热水原液。

5.如权利要求2所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤二、所述步骤三中的动态换热模拟及电化学测试周期至少为连续进行的3天；所述3电极系统为以换热器材质为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极。

6.如权利要求2所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤一中的CFD模拟以实际现场换热器内部结构参数为原型，所述步骤二中的基准模拟参数与所述步骤三中的软件模拟结果一一对应，所述步骤二及所述步骤三中的参数梯度变化也以所述步骤一中的模拟结果为起始条件。

7.如权利要求1所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤一中得到的主要温度分布为65℃，主要流速分布为0.12m/s；所述步骤二及所述步骤三中的温度参数梯度区间为55℃～75℃，流速梯度为0.08m/s～0.2m/s。

8.如权利要求1所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，参数优化判定依据出现的越慢则代表换热器运行参数越优。

9.如权利要求1所述的一种地热换热器运行参数优化方法，其特征在于，所述步骤一中CFD软件为Fluent软件，所述步骤二中的工作电极安放位置为垂直于液体流动方向的检测池中心。

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