CN113608570A - 一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及浅层地温能开发与应用技术领域，公开了一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率；基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小；将所述PID控制补偿功率的大小作为脉冲宽度调制技术的控制输入信号，通过对PWM输出占空比的动态调节，实现对PID补偿功率部分的实时控制，利用PID控制具有精度高、自适应能力强、响应速度快等优点来有效克服在岩土原位热响应测试中因市电电压波动带来的功率不恒定问题。

Description

一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法
技术领域
本申请涉及浅层地温能开发与应用技术领域，尤其涉及一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法。
背景技术
在现有岩土原位TRT热响应测试中，通常采用纯阻性负载的电阻加热方式来实现热响应测试中对循环载流体恒定加热功率的要求。这种实现恒定加热功率的原理是基于纯阻性负载的功率计算公式。
通常情况下，当供电电源电压波动范围不太大时，波动的电加热器功率还可以近似为恒定功率。然而，当供电电压波动超出一定范围，则会导致电加热器的波动功率不能满足岩土原位TRT热响应测试中对恒定加热功率的要求，给测试结果带来误差，严重时将会导致测试无效。
在工程实践中，岩土原位TRT热响应测试的供电电源通常来自市电电网，为了减少或降低加热器加热功率波动对测试结果的影响，人们通常将市电电源接入稳压器，将经稳压器稳定后的电源才与TRT测试仪连接，从而确保热响应测试过程中电加热器的恒定加热功率。一方面，由于TRT热响应测试的加热功率通常在5kw～10kw范围内，因此采用稳压器来提供恒定电源电压时，对稳压器容量的要求非常高，容量过大稳压器将会影响TRT热响应测试设备的便携性与可移动性，不利于其在工程实践中推广应用；另一方面，岩土原位TRT热响应测试要求连续不断地持续运行至少48小时，市电电网的波动通常具有周期性且最高电压与最低电压差异较大，若要严格满足TRT测试中高功率的恒定电压输出，则对稳压器的容量和要求非常高。因此，采用稳压器来为岩土TRT热响应测试提供稳定电源，这一解决方案在工程实践中面临很多实际困难，严重地制约了该种恒定功率加热方式在TRT热响应测试工程实践中的应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，利用PID控制具有精度高、自适应能力强、响应速度快等优点来有效克服在岩土原位热响应测试中因市电电压波动带来的功率不恒定问题。
为实现上述目的，本申请提供了一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，包括以下步骤：
将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和 PID控制调节功率；
基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小；
将所述PID控制补偿功率的大小作为脉冲宽度调制技术的控制输入信号，通过对PWM输出占空比的动态调节，实现对PID补偿功率部分的实时控制。
其中，基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小，包括：
根据对循环载流体进口温度、市电电网供电的主加热器出口温度以及补偿加热器出口温度的测量，结合设定的加热功率大小，根据能量守恒定律对所述 PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小，其中，计算公式为：
Figure RE-GDA0003292264460000021
其中，Q为循环载流体流经加热器后的得热量，w；
Figure RE-GDA0003292264460000022
为循环载流体的质量流量，kg/s；Cp为循环载流体的定压比热容，kJ/kg-C；Tout为循环载流体在热响应测试仪的出口温度，C；Tin为循环载流体在热响应测试仪的进口温度，C。
其中，所述双重反馈调节法为：
基于补偿加热器出口温度对PID控制调节功率进行反馈和基于市电电网供电的主加热器出口温度对PID控制调节功率进行反馈。
其中，将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率，包括：
将市电电网直接提供的基础功率设定为总加热功率的70％～90％，剩余总加热功率的30％～10％由PID控制调节功率部分，其中，总加热功率为获取的岩土原位热响应多种原始数据之和。
本申请的一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率；基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小；将所述PID控制补偿功率的大小作为脉冲宽度调制技术的控制输入信号，通过对PWM输出占空比的动态调节，实现对PID 补偿功率部分的实时控制，利用PID控制具有精度高、自适应能力强、响应速度快等优点来有效克服在岩土原位热响应测试中因市电电压波动带来的功率不恒定问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法的步骤示意图。
图2是本申请提供的循环载流体加热功率的分解示意图。
图3是本申请提供的PID控制补偿加热的基本原理。
图4是本申请提供的PID补偿加热的控制原理图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
通常采用所谓的岩土原位热响应测试(Thermal Response Test)来获取岩土的当量热物性参数，在该测试中，需要通过循环载流体对单U或双U的地下埋管换热器进行持续、恒定的放热，通过测量并记录给定流量下循环载流体在埋管进出口温度随时间的变化情况，并根据线热源模型来计算出地埋管周围岩土的当量热物性参数。由于线热源模型要求循环载流体在埋管内流动并与岩土间进行换热时的功率必须恒定，因此在岩土原位TRT热响应测试过程中需要外界持续、恒定地对循环载流体进行加热。本申请旨在创新并改进岩土原位TRT热响应测试中，对循环载流体恒定功率加热方法的实现。
请参阅图1，本申请提供一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，包括以下步骤：
S101、将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率。
具体的，为了有效地减少PID控制部分输出功率的大小，本申请将设定在循环载流体上的总加热功率进行分解，如图2所示，将总加热功率分解为市电电网提供的基础功率部分和PID控制调节功率部分。根据国标GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》规定，220V单向供电电压偏差为标称电压的-10％～7％，为了使PID控制调节功率部分能有效适应市电电网提供的基础功率部分，确保总输出功率维持恒定，将市电电网直接提供的基础功率设定为总加热功率的 70％～90％，剩余总加热功率的30％～10％由PID控制调节功率部分提供。这样的分配比例可以确保总输出功率保持恒定的条件下，在充分利用市电电网提供最大加热基础功率的同时，也能最大程度地减少PID控制部分的输出功率，实现最大程度上降低PID控制电路成本，提高PID控制部分的可靠性和灵敏性。
S102、基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小。
具体的，在运行过程中，虽然市电电网提供的基础功率部分随市电电压波动，然而PID控制调节功率会根据对循环载流体进口温度、市电电网供电的主加热器出口温度以及补偿加热器出口温度的测量，结合用户设定的加热功率大小，根据公式(1)，实时计算出PID控制补偿功率的大小。
在岩土TRT热响应测试的循环载流体侧，根据能量守恒，可以获得加热器内循环载流体所获得的热量为：
Figure RE-GDA0003292264460000051
上式中，Q为循环载流体流经加热器后的得热量，w；
Figure RE-GDA0003292264460000052
为循环载流体的质量流量，kg/s；Cp为循环载流体的定压比热容，kJ/kg-C；Tout为循环载流体在热响应测试仪的出口温度，C；Tin为循环载流体在热响应测试仪的进口温度，C。
为了实现对循环载流体的恒定功率加热，由上式可知：因定压比热容在一定温度范围内几乎为常数，在给定循环载流体质量流量(即：
Figure RE-GDA0003292264460000053
)条件下，仅需将循环载流体的进、出口温差控制为一恒定值即可。因此，可以将对循环载流体恒定加热功率的控制转化为对载流体进出口温差的控制。
S103、将所述PID控制补偿功率的大小作为脉冲宽度调制技术的控制输入信号，通过对PWM输出占空比的动态调节，实现对PID补偿功率部分的实时控制。
具体的，以此作为脉冲宽度调制技术(PWM)的控制输入信号，通过对PWM 输出占空比的动态调节，实现对PID补偿功率部分的实时控制，确保施加在循环载流体上的总功率(包括主加热器上的基础功率和补偿加热器上的补偿功率) 与用户设定值相等，实现在岩土原位热响应测试中对循环载流体的恒定功率加热，如图3和图4所示，其中，1为主加热器、2为补偿加热器、3为试点电网供电4为PID控制补偿电源，原始数据包括循环载流体进口温度、循环载流体质量流量等，将其划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率，基于用户设定的总加热功率输入PID控制，经过补偿加热器的循环载流体出口温度和循环载流体自主加热器的主加热器出口流体温度的双重反馈调节，输出至PWM调制的补偿电源，然后传输至补偿加热器进行计算控制，输出循环载流体出口温度和循环载流体出口进行输出，而补偿加热器还接受循环载流体的自主加热器的控制。
发明要点：
1、将施加在循环载流体上的加热功率进行分解，分解为由市电电源提供的基础功率(即：由主加热器所提供)和由PID控制补偿电源提供的补偿功率(即：由补偿加热器提供的功率)；
2、将恒定加热功率转化为恒定加热温差，采用PID实时控制补偿功率大小，使其与基础功率之和等于用户设定的加热功率值；
3、充分利用PID控制具有精度高、自适应能力强、响应速度快等优点来有效克服在岩土原位热响应测试中因市电电压波动带来的功率不恒定问题。
有益效果
1、控制简单、可靠性高，由于没有体积大、重量重的常规稳压器，使得整个系统的体积较小易于集成与整合，适用于岩土原位TRT热响应测试仪的便携性、轻量化要求；
2、PID控制和PWM调制技术成熟，自适应能力强，其控制的响应速度易于调节，系统实施的成本低。
以上所揭露的仅为本申请一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本申请权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率；
基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小；
将所述PID控制补偿功率的大小作为脉冲宽度调制技术的控制输入信号，通过对PWM输出占空比的动态调节，实现对PID补偿功率部分的实时控制。
2.如权利要求1所述的实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，其特征在于，基于双重反馈调节法，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小，包括：
根据对循环载流体进口温度、市电电网供电的主加热器出口温度以及补偿加热器出口温度的测量，结合设定的加热功率大小，根据能量守恒定律对所述PID控制调节功率进行计算，得到PID控制补偿功率的大小，其中，计算公式为：
Figure RE-FDA0003292264450000011
其中，Q为循环载流体流经加热器后的得热量，w；
Figure RE-FDA0003292264450000012
为循环载流体的质量流量，kg/s；Cp为循环载流体的定压比热容，kJ/kg-C；Tout为循环载流体在热响应测试仪的出口温度，C；Tin为循环载流体在热响应测试仪的进口温度，C。
3.如权利要求2所述的实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，其特征在于，所述双重反馈调节法为：
基于补偿加热器出口温度对PID控制调节功率进行反馈和基于市电电网供电的主加热器出口温度对PID控制调节功率进行反馈。
4.如权利要求1所述的实现岩土原位热响应测试中恒定功率加热的方法，其特征在于，将获取的岩土原位热响应多种原始数据划分为市电电网提供的基础功率和PID控制调节功率，包括：
将市电电网直接提供的基础功率设定为总加热功率的70％～90％，剩余总加热功率的30％～10％由PID控制调节功率部分，其中，总加热功率为获取的岩土原位热响应多种原始数据之和。
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