CN113787089B - 一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，分为管理层和控制层两层；管理层包括优化系统，通过分析加热场的热湿迁移耦合模型，燃烧器、加热井数学模型以及Matlab仿真，根据土壤不同升温阶段加热井的位置、该加热区域土壤温度及含水率输出加热井期望出口温度；控制层包括整个加热场地以及加热单元，对于每个加热单元均包括两个PID控制器、燃烧器以及加热井，控制层使用串级控制方案控制燃烧器和加热井出口温度，外环PID控制器用于控制加热井出口温度，内环PID用于控制燃烧器出口温度。本发明能够实现节能加热，达到提高能源利用率、降低成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，尤其涉及一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略。
背景技术
在原位热脱附过程中，修复场地上会布置多个加热井同时加热，由于边界的影响，不同区域的加热需求是不同的，同时随着土壤温度和含水率的变化，同一区域不同时间的加热需求也有不同，如果不考虑空间以及时间的变化，始终对不同的加热井采取同样的加热策略进行加热，势必会造成能源的浪费，降低能源利用率。
现有技术中一部分侧重原位热脱附系统中加热井的结构设计。该部分通过分析加热场地中土壤温度的分布以及能量传递过程，根据加热管在地下不同位置的温度设计相应结构，使得在加热过程中能量得到最充分的利用，以提高修复效果、避免能源浪费。另一部分侧重加热井填料的改进及制备方法，该部通过使用改进后的具有优良导热性能的填料以提高加热井中的热量传递效率。现有技术均是注重加热井本身的结构改进和填料能量传递效率提升，尚未有针对多加热井的协同管控以节省加热能源方面的技术提出。
发明内容
本发明目的是提供了一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，以解决上述问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，管控策略分为管理层和控制层两层；
管理层包括优化系统，优化系统通过分析加热场的热湿迁移耦合模型，燃烧器、加热井数学模型以及Matlab仿真，根据土壤不同升温阶段加热井的位置、该加热区域土壤温度及含水率输出加热井期望出口温度；
控制层包括整个加热场地以及加热单元，对于每个加热单元均包括两个PID控制器、燃烧器以及加热井，控制层使用串级控制方案控制燃烧器和加热井出口温度，外环PID控制器用于控制加热井出口温度，内环PID用于控制燃烧器出口温度，串级控制的执行机构为天然气管道阀门，串级控制通过控制该阀门开度以调节燃烧器出口温度和加热井出口温度达到模糊系统的输出温度。
进一步的，包括如下步骤：
S1，输入项目工程要求、设备排列布置参数以及加热场地的物性参数；
S2，根据加热场热湿迁移耦合模型，对燃烧器、加热井传热分析，结合Matlab仿真，以离线的方式推导不同单元加热井的位置、土壤温度以及含水率下加热井的期望出口温度，用于在线优化分析；
S3，每个加热单元均使用串级控制，外环控制加热井出口温度，内环控制燃烧器出口温度，串级控制系统通过控制天然气管道阀门开度实现对加热井出口温度的控制；
S4，通过比例控制方法实现空气流量控制，实时调整适量的天然气和空气在燃烧器中混合燃烧产生高温烟气，高温烟气进入加热井并流出最终实现对土壤的节能加热。
进一步的，单个地块单元的能量来源与传递主要包括五部分，分别是：源项、导热项、扩散项、蒸发项和周边项；源项为加热井中的高温烟气通过热传导和热对流传递给土壤的热量，即加热井有效加热功率；导热项包括周边4个地块给单元地块的传热，大气环境的传热、太阳辐射传热以及加热井底部土壤的传热；扩散项包括液相扩散项和气相扩散项，指液态水迁移流入的热通量和气态水迁移流入的热通量；蒸发项为在土壤升温过程中，土壤孔隙中的液相水会随着温度的升高会发生相变，从而吸收的热量；周边项包括热传导和湿迁移两部分，其中热传导部分包括单元地块东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块的热量；湿迁移部分包括液相迁移和气相迁移，液相迁移包括单元地块东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块的液相迁移带来的热量；气相迁移包括单元地块东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块的气相迁移带来的热量。
进一步的，通过建立燃烧器、加热井的数学模型，得到燃烧器出口温度、加热井出口温度和通入天然气流量之间的关系。
进一步的，在仿真中，以加热井的加热功率作为土壤模型的热源输入，通过Matlab/Simulink对土壤热湿迁移模型进行仿真研究，分析不同区域温度变化规律；影响土壤温度上升的主要因素包括：加热井的加热功率、土壤初始温度、土壤位置和土壤初始含水率，在仿真中重点为主要影响因素对土壤升温的影响；当土壤温度升高到目标温度时结束仿真，选择天然气消耗总量最小的方案记录数据，得到加热井功率、出口温度、土壤含水率、土壤温度随时间的函数关系和，在同一时间序列下，即可拟合出加热井出口温度与土壤含水率、土壤温度、土壤位置的函数关系，考虑到土壤升温分为三个阶段，不同阶段分别拟合，则得到的函数关系即为期望加热井出口温度与土壤含水率、土壤温度、土壤位置的函数关系，即映射模型。
进一步的，控制层将管理层输出的期望加热井出口温度作为设定值，用于控制天然气管道阀门，使加热井的出口温度达到设定值；控制层使用串级控制系统、PID控制算法进行温度控制。
进一步的，串级控制系统为两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
进一步的，串级控制系统设置有主、副两个闭合回路；设置有主、副两个控制器；并设置有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器；在串级控制系统中，主回路为定值控制系统，副回路为随动控制系统；主变量反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量；燃烧器作用是使加热井升温，作为串级控制的副变量。
进一步的，PID控制器的输入值为给定值和实际值的偏差，PID控制器分别计算偏差的比例环节、积分环节和微分环节，并将三者进行线性组合输出控制量，实现对被控对象的控制。
进一步的，比例环节，及时地反映控制系统的偏差信号；积分环节，在PID控制器实现无净差跟踪，消除稳态误差；微分环节，改善控制系统的响应速度和稳定性，预见偏差变化的趋势，实现超前控制。
本发明公开的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，具有以下有益效果：
本发明针对整个加热场中的多个加热井，在分析加热场中非饱和土壤热湿迁移过程和天然气燃烧传热过程的基础上，提出多热井综合管控策略，管理层基于非饱和土壤的热湿迁移耦合模型和燃烧器、加热井数学模型，通过离线仿真的方式推导加热井出口温度与单元地块位置、土壤含水量、土壤温度之间的函数关系；并将该函数关系用于在线优化，根据不同单元地块不同升温阶段的土壤温度和含水率输出期望加热井出口温度，作为控制层加热井出口温度的设定值；控制层使用串级控制方案控制温度，主控制量为加热井出口温度，负控制量为燃烧器出口温度，执行机构为天然气管道阀门，同时通过比例控制的方式控制过量空气流量，使土壤温度在有限时间内达到目标值的前提下最大程度地降低能耗。
附图说明
图1为本发明的整体流程图。
图2为本发明多井综合管控策略拓扑图。
图3为本发明加热场土壤升温阶段图。
图4为本发明串级控制系统框图。
图5为本发明PID器的原理图。
图6为本发明Simulink建模仿真图。
图7为本发明两种工况的控制策略图。
图8为本发明工况一中不同单元各个阶段能耗占比图。
图9为本发明过冷段加热井出口温度与土壤温度拟合曲线。
图10为本发明集中蒸发段加热井出口温度与土壤含水率拟合曲线。
图11为本发明加热井出口温度与土壤温度的关系曲线。
图12为本发明不同工况下(1,1)单元参数变化曲线对比图。
图13为本发明工况二中不同单元各个阶段能耗占比图。
图14为本发明两种加热工况下不同地块单元的能耗对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
原位热脱附系统主要包括土壤加热系统、气液抽提回收系统、废气/液处理系统和控制系统。加热系统通过加热使土壤升温至一定温度，使土壤中的污染物挥发并经由抽提系统进行回收，从而实现对污染土壤的修复。对于燃气原位热脱附系统，其加热系统主要包括燃烧器和加热井，加热井由内管和外管套合而成。通过将燃料(如天然气)和助燃气体(如空气)混合于燃烧器中，燃烧后产生的高温烟气首先经过内管传至加热井底部，然后流经环腔回流至地面。由于外管与土壤直接接触，高温烟气在流经环腔时，会将热量传至周围土壤，从而提高污染区域的温度。在此过程中，随着土壤温度的上升，土壤中的污染物转换为气相状态并向低浓度区域迁移，进而被气液抽提回收系统回收。
原位热脱附加热系统的目标是使整个加热场达到目标温度，进而使加热区域污染物挥发被抽提井抽提，使浓度降低至目标值。为了降低能耗，避免某些加热井不必要的过度加热，需要对不同的加热井进行综合管控，综合管控策略的流程图如图1所示。整个管控策略的运算逻辑(流程)为：
S1，输入项目工程要求(如加热工期和目标温度)、设备排列布置参数(如井间距和井深)以及加热场地的物性参数(如含水率、土质等)；
S2，根据加热场热湿迁移耦合模型，并对燃烧器、加热井传热分析，结合Matlab仿真，以离线的方式推导不同单元加热井的位置、土壤温度以及含水率下加热井的期望出口温度，用于在线优化分析；
S3，每个加热单元均使用串级控制，外环控制加热井出口温度，内环控制燃烧器出口温度，串级控制系统通过控制天然气管道阀门开度实现对加热井出口温度的控制；
S4，通过比例控制方法实现空气流量控制，实时调整适量的天然气和空气在燃烧器中混合燃烧产生高温烟气，高温烟气进入加热井并流出最终实现对土壤的节能加热。
整个管控策略拓扑图如图2所示，整个管控策略分为管理层和控制层两层。管理层主要包括优化系统，优化系统通过分析加热场的热湿迁移耦合模型，燃烧器、加热井数学模型以及Matlab仿真，根据土壤不同升温阶段加热井的位置Sw，(i，j)、该加热区域土壤温度Ts，(i，j)及含水率Wl，(i，j)输出加热井期望出口温度T′f0，(i，j)。为了便于分析，依据加热井的排列布置将整个场地划分为不同的单元块，用(i，j)表示第i行第j列的单元块，并假设单个加热地块中不同位置处土壤的温度、液态含水率等各项物性参数相同，重点关注不同地块升温过程的区别。
控制层包括整个加热场地以及加热设备，对于每个加热单元均包括两个PID控制器、燃烧器以及加热井，控制层使用串级控制方案控制燃烧器和加热井出口温度，外环PID控制器用于控制加热井出口温度，内环PID用于控制燃烧器出口温度，串级控制的执行机构为天然气GN管道阀门，串级控制通过控制该阀门开度以调节燃烧器出口温度和加热井出口温度达到模糊系统的输出温度。使用串级控制能到提升燃烧器加热井温度控制系统的精度以及抗干扰性能，预防阀门抖动、天然气温度波动等给温度控制系统带来的干扰；通过控制天然气管道阀门能够降低对象温度变化带来的时间延时，提高系统的动态响应速度，亦能避免天然气能源浪费。
1.1管理层
1.1.1加热场热湿迁移模型
根据能量守恒定律，对于单个地块单元，其单位时间内内能的变化等于通过该地块的净热流量。土壤中包括固、液、气三相，同时由于原位热脱附中土壤的目标温度比较高，所以在升温过程中还会存在液态水的相变，所以单个地块单元的能量来源与传递主要包括五部分，分别是：源项、导热项、扩散项、蒸发项和周边项。因此，对于单个地块单元(i，j)，根据能量守恒定律可知：
式中mT，(i，j)为(i，j)加热单元土壤质量，cT，(i，j)为(i，j)加热单元土壤比热容，Ts，(i，j)为(i，j)加热单元土壤温度，τ为(i，j)加热单元加热时间。等号左侧为土壤内能的变化；右侧分别为源项、导热项、液相扩散项、气相扩散项、蒸发项和周边项。
源项φin，(i，j)为加热井中的高温烟气通过热传导和热对流传递给土壤的热量，即加热井有效加热功率P(i，j)。
导热项包括周边4个地块给单元地块的传热φλ，(i-1，j)、φλ，(i+1，j)、φλ，(i，j-1)、φλ，(i，j+1)；大气环境的传热、太阳辐射传热φλ，(i，j)，up以及加热井底部土壤的传热φλ，(i，j)，down。
根据集总参数法，单个地块单元中各个点的温度等热物性参数都相同，其与周围四个相邻地块的导热流量为：
式中，φλ为单位时间内的导热流量；T′s对应于周边4个地块单元的温度；Ts为所研究地块的温度；λs为两地块单元间的导热系数，Asd表示地块与周围地块的接触面积，Asd＝SL，S为井间距，L为地块深度；Au表示地块与底部地块的接触面积，Au＝S2。
假定未加热地块的温度、液态含水率以及气态水密度等参数均不变，均为Tn、wl，n和ρv，n。则：
同时，土壤表面会通过热传导、对流传热以及辐射换热的方式与大气环境进行能量传递。在项目工程中，土壤上表面会铺有保温层，忽略保温层与土壤之间的接触热阻。则土壤与上表面空气换热的热阻有土壤内部的热阻、保温层的热阻以及保温层上表面与空气对流换热的热阻，同时考虑太阳的辐射。
式中，
δins为保温层的厚度；λins为保温层的导热系数；ha为对流换热系数；φrad为大气和太阳辐射到土壤单位表面的能量；αs为土壤对太阳能的吸收比，Ta为大气和太阳辐射到土壤单位表面的温度。
扩散项包括液相扩散项和气相扩散项，指液态水迁移流入的热通量φl，(i-1，j)、φl，(i+1，j)、φl，(i，j-1)、φl，(i，j+1)、φl，(i，j)，up、φv，(i，j)，down和气态水迁移流入的热通量φv，(i-1，j)、φv，(i+1，j)、φv，(i，j-1)、φv，(i，j+1)、φv，(i，j)，up、φv，(i，j)，down。
液态水迁移流入的热通量
φl＝HlJl
式中，φl为水分迁移的热迁移量；Hl为水的焓值，Hl＝cl(T-273.15)，cl为液态水的比热容；Jl为单位时间内液态水的质量迁移量，T为水的温度。
气体迁移流入的热通量
φv＝HvJv
式中，φv为水蒸气迁移的热迁移量；Hv为水蒸气的焓值，
cv为水蒸气的比热容；
为水的汽化潜热；Jv为单位时间内液态水蒸气的质量迁移量，T为水蒸气的温度。
对于边界上的地块单元，还会受到周围未加热单元的热湿迁移的影响，此部分称为周边项。主要包括热传导和湿迁移两部分，其中热传导部分为φλ(i,j),ε、φλ(i,j),w、φλ(i,j),s、φλ(i,j),n，表示单元地块(i，j)东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块(i，j)的热量；湿迁移包括液相迁移φl(i,j),ε、φl(i,j),w、φl(i,j),s、φl(i,j),n和气相迁移φv(i,j),ε、φv(i,j),w、φv(i,j),s、φv(i,j),n，分别表示单元地块(i，j)东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块(i，j)的液相、气相迁移带来的热量。
蒸发项φeva，(i，j)是在土壤升温过程中，土壤孔隙中的液相水会随着温度的升高会发生相变，从而吸收的热量，El，(i，j)为单位时间内液相水蒸发的质量。
在实际的原位热脱附修复土壤过程中，土壤的温度会升到很高的温度，土壤的温度会有一个很大的跨度，在不同温度阶段时土壤中的传热机理不尽相同，因此整个过程不能简单用一个动态变化方程进行表达，在不同的阶段需要对模型进行相应的调整。大量的试验研究表明，在原位热脱附加热过程中土壤的升温过程可以分为三个阶段：过冷段、集中蒸发段和过热段，如图3所示。
过冷段为初始温度至水的沸点，这一阶段土壤温度较低，土壤孔隙中包括液态水和气态水，同时在这一阶段忽略液态水的蒸发，因此土壤中的含水率基本不变，故这一阶段忽略周边未加热土壤液态水的流入。
集中蒸发段土壤温度保持不变，这一阶段由于土壤温度达到水的沸点，土壤中的液态水开始蒸发，输入土壤的能量完全被水的相变吸收，直至液态水完全蒸发土壤温度才会继续升高。
过热段为水的沸点至目标温度，这一阶段土壤温度较高，土壤边界上液态水的少量渗入会快速蒸发并吸收部分热量。
可以看出，不同阶段土壤中的传热机理是不同的，因此对于三个阶段土壤的热湿迁移模型需要进行微调。
1.1.2燃烧器、加热井数学模型
建立燃烧器、加热井的数学模型是为了得到燃烧器出口温度、加热井出口温度和通入天然气流量之间的关系。根据天然气的燃烧过程和傅立叶定律可知，当通入天然气流量为GN，过量空气流量为α·GN时，计算得到燃烧器出口温度Tfi为:
加热井出口温度Tfo，有效加热功率P为：
Tfo＝χ1+χ2+Ts
P＝Ggcg(Tfi-Tfo)
其中，
cg＝A+B·(t1+t2)公式中的符号见表1。
表1
1.1.3映射模型
管理层优化方案从传热机理出发，首先分析原位热脱附系统加热场地非饱和土壤的热湿耦合迁移模型，了解土壤中热量、流体的迁移过程，再结合天然气在燃烧器中燃烧传热过程，从而制定加热场中加热井的协同管控策略，并根据土壤不同升温阶段加热井的位置Sw，(i，j)、该加热区域土壤温度Ts，(i，j)及含水率Wl，(i，j)输出加热井期望出口温度T′f0，(i，j)。
根据加热场热湿迁移模型可以得到加热场中温度变化的解析解，求解该微分方程可得到加热场中土壤温度与加热时间的关系，进一步推导加热井加热功率和土壤升温的关系，由于影响加热场中土壤温度变化的因素太多，得到热湿迁移模型的解析解太困难，故采用Matlab/Simulink仿真的方式分析温度变化规律。在仿真中，以加热井的加热功率作为土壤模型的热源输入，通过Matlab/Simulink对土壤热湿迁移模型进行仿真研究，分析不同区域温度变化规律。影响土壤温度上升的主要因素包括：加热井的加热功率、土壤初始温度、土壤位置和土壤初始含水率，因此在仿真中重点主要影响因素对土壤升温的影响，仿真是基于以下规则：
越靠近边界的加热井其加热功率越大
随着土壤温度的升高和土壤含水率的逐渐减小，燃烧器和加热井的加热功率也逐渐升高
调整不同升温阶段的加热功率
当土壤温度升高到目标温度时结束仿真，选择天然气消耗总量最小的方案记录数据，得到加热井功率、出口温度、土壤含水率、土壤温度随时间的函数关系P(τ)、Tfo(τ)、Wl(τ)和Ts(t)，在同一时间序列下，即可拟合出加热井出口温度Tfo与土壤含水率Wl、土壤温度Ts、土壤位置Sw的函数关系Tfo＝F(Sw，Wl，Ts)，考虑到土壤升温分为三个阶段，不同阶段分别拟合，则得到的函数关系即为期望加热井出口温度T′fo与土壤含水率Wl、土壤温度Ts、土壤位置Sw的函数关系，即映射模型：
1.2控制层
控制层将管理层输出的期望加热井出口温度T′fo作为设定值，用于控制天然气管道阀门，使加热井的出口温度达到设定值。控制层使用串级控制方案、PID控制算法进行温度控制。
1.2.1串级控制
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。该系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。通用的串级控制系统方框图如图4所示。
从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量，控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。本发明中最主要的控制变量是加热井出口温度，因为高温烟气经加热井管与土壤产生热量交换使土壤升温，为使天然气得到充分利用，需要控制加热井出口温度；而燃烧器作用是使加热井升温，可作为串级控制的副变量。从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高控制质量。
1.2.2 PID控制
PID控制器表示基于偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)的控制器，PID控制器算法相对来说比较简单，适应多种不同的应用场合，鲁棒性较强，因此被广泛应用于工业过程控制系统中。
从图5中可以看出，PID控制器的输入值为给定值和实际值的偏差，即
e(τ)＝r(τ)-y(τ)PID控制器分别计算偏差的比例环节、积分环节和微分环节，并将三者进行线性组合输出控制量，从而实现对被控对象的控制。PID控制器的算法为
式中，Kp、TI、TD分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。比例环节Kp可以及时地反映控制系统的偏差信号。Kp增大可以加快PID控制器的调节速度，但当其过大时会降低系统稳定性，使调节过程中出现较大的超调量，严重时可能会造成失稳。其次，为了实现无净差跟踪在PID控制器中需要添加积分环节，其主要目的是消除稳态误差。其对控制效果的影响程度取决于积分时间常数TI的大小，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。最后，微分环节可以改善控制系统的响应速度和稳定性。微分环节可以预见偏差变化的趋势，从而实现超前控制，当微分时间常数TD越大时，微分环节作用越强。
本发明针对整个加热场中的多个加热井，在分析加热场中非饱和土壤热湿迁移过程和天然气燃烧传热过程的基础上，提出多热井综合管控策略，管理层基于非饱和土壤的热湿迁移耦合模型和燃烧器、加热井数学模型，通过离线仿真的方式推导加热井出口温度与单元地块位置、土壤含水量、土壤温度之间的函数关系；并将该函数关系用于在线优化，根据不同单元地块不同升温阶段的土壤温度和含水率输出期望加热井出口温度，作为控制层加热井出口温度的设定值；控制层使用串级控制方案控制温度，主控制量为加热井出口温度，负控制量为燃烧器出口温度，执行机构为天然气管道阀门，同时通过比例控制的方式控制过量空气流量，使土壤温度在有限时间内达到目标值的前提下最大程度地降低能耗。
本发明提出的综合管控策略通过离线仿真与在线优化的方式根据加热井的位置、土壤温度和含水率实时调整加热井出口温度的给定值，通过串级控制调节天然气流量，不仅使控制系统更稳定抗干扰性更强，而且实现节能加热，达到提高能源利用率，降低成本的目的。
本发明提出的综合管控策略可依据加热井的位置、土壤温度和含水率实时调整燃烧器出口温度和加热井出口温度的给定值，进而通过PID控制器调节空气流量和天然气流量，从而实现节能加热，达到提高能源利用率、降低成本的目的。
为了验证本发明所提出的模糊协同管控策略降低能耗的有效性，引入了其他控制策略进行分析比较。如图6所示为搭建的仿真模型，九个加热地块呈矩形等间隔排列，从左到右、由上至下对各个地块单元进行编号。每个加热地块模型中均包含天然气加热系统的模型和加热场模型，并且加热场模型包含土壤升温过程中的三个阶段，每个阶段均包含三个动态方程：液态水迁移模型、气态水迁移模型、热迁移模型。
仿真中使用的参数信息如下：仿真的工况除了控制策略不同其他仿真参数不变。仿真中土壤类型为砂土，物性参数如下：固体密度2650kg/m3，孔隙率0.37，饱和导水率6.3×10-6m/s，比表面积100m2/m3，曲折因子2，干土比热容1700J/(kg·K)，土壤初始温度为20℃，初始含水率为25％，气体初始密度为0.748kg/m3，加热目标温度设定为350℃，边界温度恒为20℃，边界气体密度恒为0.748kg/m3，集中蒸发段和过热段周边边界以及底部边界的渗水速度均为1×108m3/s。其他仿真参数如下：井间距S：1.5m，井深L：5m，加热井内管半径：0.1m，内管管壁厚度：0.004m，抽提井压力Pve：7000Pa，土壤气相动力粘滞度μgv：1.81×10- 5Pa·s，水汽化潜热
2.25×106J/kg，加热井管径比：1.5，外管管壁厚度：0.0045m，液态水比热容cl：4.2×103J/(kg·K)。
本发明中将整个加热工期中天然气的消耗量作为能耗，则加热场中单口加热井的能耗计算公式为：
式中Eij为第(i，j)口加热井的总能耗；τz为对场地加热的总工期；GN，(i，j)为第(i，j)口加热井不同时间段的天然气流量。整个加热场中所有加热井的能耗为：
式中E为整个加热场中所有加热井的总能耗；imax、jmax分别为加热场中布置加热井的行数和列数。
为了对不同控制策略下的土壤升温过程以及能量消耗进行分析，本文中共仿真了两种不同的工况，如图7所示为两种不同工况中的控制方框图，分别是：
工况一(如图7(a)所示)：燃烧器和加热井期望出口温度保持恒定；
工况二(如图7(b)所示)：综合管控策略。
工况一：
在工况一中，整个加热过程中燃烧器出口温度和加热井出口温度保持恒定不变。设定燃烧器出口温度为1100K，加热井出口温度为1004K。被控量为燃烧器出口温度和加热井出口温度，分别根据两个温度实际值和给定值的偏差对空气流量和天然气流量进行调节。仿真步长为定步长，大小为100，解算器选用ode4(四阶龙格-库塔法)。该工况采用串级控制系统控制天然气流量，主副PI控制器的三个参数分别为：
Kp1＝2.6×10-9、KI1＝2×10-8
Kp2＝3.2×10-5、KI2＝2×10-7
工况一中整个场地的总能耗为105730m3，地块单元(1,1)、(1,2)、(2,2)各阶段的加热时间和耗能如表2所示。如
图8所示为单元(1,1)、(1,2)、(2,2)各个阶段能耗所占的比例，可以看出主要能耗在集中蒸发段和过热段。
表2
工况二：
经过Matlab仿真分析，可以得到土壤不同升温阶段加热井出口温度与加热地块位置、土壤含水率和土壤温度的关系。以(1,1)单元为例，从仿真结果可以看出在过冷段和过热段，土壤含水率为常数，加热井出口温度随土壤温度变化而变化；在集中蒸发段土壤温度为常数，加热井出口温度随土壤含水率变化而变化。经过数据拟合，三个阶段加热井出口温度与土壤温度、土壤含水率的函数关系如下：
过冷段(如图9所示)：土壤含水量为常数0.25，加热井出口温度与土壤温度的关系为：
集中蒸发段(如图10所示)：土壤温度为常数373.16K，加热井出口温度与土壤含水率的关系为：
过热段(如图11所示)：土壤含水量为常数0，加热井出口温度与土壤温度的关系为：
T'fo＝0.00698Ts 2+52.972Ts-10154.362
故根据仿真得出的(1,1)单元土壤不同升温阶段的加热井出口温度Tfo与土壤温度Ts、含水率Wl之间的关系为：
在工况二中，通过Matlab仿真后得出的综合管控策略控制天然气加热系统对土壤进行加热，通过优化系统根据土壤温度、土壤含水率以及加热井位置实时调节燃烧器和加热井的期望出口温度，再通过串级控制根据两个温度给定值与实际值的偏差对天然气流量进行调节。仿真步长为定步长，大小为100，解算器选用ode4(四阶龙格-库塔法)。主副PID控制器的三个参数分别为：
Kp1＝1×10-9、KI1＝1×10-10
Kp2＝2×10-6、KI2＝3×10-8通过对两种不同加热工况的过程仿真分析，可得到不同地块不同参数的变化情况，对不同工况下参数变化比较，验证提出的管控策略的有效性。以(1,1)单元为例，如图12(a)、图12(b)、图12(c)、图12(d)、图12(e)、图12(f)所示，为(1,1)单元在两种工况中土壤温度、含水率、天然气流量、加热功率、燃烧器出口温度、加热井出口温度变化曲线对比图。
工况二中整个场地的总能耗为61179m3，地块单元(1,1)、(1,2)、(2,2)各阶段的加热时间和耗能如表3所示。
如图13所示为单元(1,1)、(1,2)、(2,2)各个阶段能耗所占的比例，可以看出各个单元主要能耗在集中蒸发段和过热段，由于不同单元之间的温度相差较小，因此各单元能量需求几乎全部来自于加热井的加热，因此对于单元(1,1)而言，在过热段的能量散失较多，因此需求更大，而(2,2)在过热段的能耗就会小一些，集中蒸发段的能耗相对而言比例会提高。
表3
综上所述，经过管控优化，不同地块单元之间达到目标温度的时间基本相同，因此不会出现中心地块温度过高的情况，避免了无用的加热，从而减少了能量的损耗。经过优化系统的调节，加热功率并不是像之前三种工况一样一直减小，而是随着燃烧器出口温度、加热井出口温度以及土壤温度的变化逐渐波动，参数变化更合理，避免了能源浪费，较少了能源消耗。
不同工况下的能耗分析对比
如图14所示为两种加热工况下各个地块单元之间的能耗比较，可以看出相比于工况一，工况二中地块单元(1,1)、(1,2)、(2,2)的能耗分别降低了27.89％、52.36％、65.11％，单元(1,2)、(2,2)的能耗降低程度更高，这是因为在工况一中，不考虑不同位置边界对土壤升温的影响，不同地块升温差异较大，中心地块会最快达到目标温度，但由于整个场地并未达到目标温度还是需要对其进行加热，使其温度会继续升高，接近1000K，同时该地块与边界处上的地块接触，由于两者温差很大会有相当一部分的能量传输给其他地块，导致中心地块的能耗也比较高。而在工况二中，不同地块的温度差异较小，达到目标温度的时间相差不大，因此对于中心地块而言，只需要提供自身所需的能量即可达到目标温度，因此单元(2,2)降低能耗最多，而(1,1)降低最少。
如表4所示为两种工况的能耗对比，可以看出经过协同管控策略无论是对于单个地块还是整个场地，能耗都会有非常明显地减小，从而证明了节能加热策略的有效性。表4中：“+”表示能耗增长的比例；“-”表示能耗减小的比例。
表4
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，管控策略分为管理层和控制层两层；
管理层包括优化系统，优化系统通过分析加热场的热湿迁移耦合模型，燃烧器、加热井数学模型以及Matlab仿真，根据土壤不同升温阶段加热井的位置、加热区域土壤温度及含水率输出加热井期望出口温度；
控制层包括整个加热场地以及加热单元，每个加热单元均包括两个PID控制器、燃烧器以及加热井，控制层使用串级控制方案控制燃烧器和加热井出口温度，外环PID控制器用于控制加热井出口温度，内环PID用于控制燃烧器出口温度，串级控制的执行机构为天然气管道阀门，串级控制通过控制该阀门开度以调节燃烧器出口温度和加热井出口温度达到模糊系统的输出温度。
2.根据权利要求1所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，包括如下步骤：
S1，输入项目工程要求、设备排列布置参数以及加热场地的物性参数；
S2，根据加热场热湿迁移耦合模型，对燃烧器、加热井传热分析，结合Matlab仿真，以离线的方式推导不同单元加热井的位置、土壤温度以及含水率下加热井的期望出口温度，用于在线优化分析；
S3，每个加热单元均使用串级控制，外环控制加热井出口温度，内环控制燃烧器出口温度，串级控制系统通过控制天然气管道阀门开度实现对加热井出口温度的控制；
S4，通过比例控制方法实现空气流量控制，实时调整适量的天然气和空气在燃烧器中混合燃烧产生高温烟气，高温烟气进入加热井并流出最终实现对土壤的节能加热。
3.根据权利要求2所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，单个地块单元的能量来源与传递主要包括五部分，分别是：源项、导热项、扩散项、蒸发项和周边项；源项为加热井中的高温烟气通过热传导和热对流传递给土壤的热量，即加热井有效加热功率；导热项包括周边4个地块给单元地块的传热，大气环境的传热、太阳辐射传热以及加热井底部土壤的传热；扩散项包括液相扩散项和气相扩散项，指液态水迁移流入的热通量和气态水迁移流入的热通量；蒸发项为在土壤升温过程中，土壤孔隙中的液相水会随着温度的升高会发生相变，从而吸收的热量；周边项包括热传导和湿迁移两部分，其中热传导部分包括单元地块东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块的热量；湿迁移部分包括液相迁移和气相迁移，液相迁移包括单元地块东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块的液相迁移带来的热量；气相迁移包括单元地块东、西、南、北四个方向相邻地块给单元地块的气相迁移带来的热量。
4.根据权利要求1所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，通过建立燃烧器、加热井的数学模型，得到燃烧器出口温度、加热井出口温度和通入天然气流量之间的关系。
5.根据权利要求2所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，在仿真中，以加热井的加热功率作为土壤模型的热源输入，通过Matlab对土壤热湿迁移模型进行仿真研究，分析不同区域温度变化规律；影响土壤温度上升的主要因素包括：加热井的加热功率、土壤初始温度、土壤位置和土壤初始含水率，在仿真中重点为影响土壤温度上升的主要因素对土壤升温的影响；当土壤温度升高到目标温度时结束仿真，选择天然气消耗总量最小的方案记录数据，得到加热井功率、出口温度、土壤含水率、土壤温度随时间的函数关系，在同一时间序列下，即可拟合出加热井出口温度与土壤含水率、土壤温度、土壤位置的函数关系，考虑到土壤升温分为三个阶段，不同阶段分别拟合，则得到的函数关系即为期望加热井出口温度与土壤含水率、土壤温度、土壤位置的函数关系，即映射模型。
6.根据权利要求1所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，控制层将管理层输出的期望加热井出口温度作为设定值，用于控制天然气管道阀门，使加热井的出口温度达到设定值；控制层使用串级控制系统、PID控制算法进行温度控制。
7.根据权利要求6所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，串级控制系统为两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
8.根据权利要求7所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，串级控制系统设置有主、副两个闭合回路；设置有主、副两个控制器；并设置有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器；在串级控制系统中，主闭合回路为定值控制系统，副闭合回路为随动控制系统；主变量反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量；燃烧器作用是使加热井升温，作为串级控制的副变量。
9.根据权利要求6所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，PID控制器的输入值为给定值和实际值的偏差，PID控制器分别计算偏差的比例环节、积分环节和微分环节，并将三者进行线性组合输出控制量，实现对被控对象的控制。
10.根据权利要求9所述的一种原位热脱附系统加热场地的多井综合管控策略，其特征在于，比例环节，及时地反映控制系统的偏差信号；积分环节，在PID控制器实现无净差跟踪，消除稳态误差；微分环节，改善控制系统的响应速度和稳定性，预见偏差变化的趋势，实现超前控制。
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