CN115523679A - 一种智能化油气井水汽能热泵系统 - Google Patents
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Abstract
一种智能化油气井水汽能热泵系统，包括换热循环装置，换热循环装置包括依次与加热腔连接的冷凝器、压缩机、蒸发器和换热塔并形成循环管路，冷凝容积腔中盛放有防冻液，重力热管的冷凝段插装于冷凝容积腔内，重力热管的下端插装于蒸发容积腔内，蒸发容积腔内设有化霜加热装置，化霜加热装置包括加热蒸发容积腔中溶液的电加热机构，控制器分别与各循环泵、上述设备和设于各循环管路上的电子阀控制连接。本发明通过冷凝容积腔、蒸发器和导热到出油气井的油管外侧壁上的加热腔中，从而确保了油管内不会出现石蜡的成分凝结的情况，并通过控制器与各设备的电连接，实现了智能化管理，能耗低，节能效果显著，大幅提高了油气井生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及油井开采技术领域，具体涉及一种智能化油气井水汽能热泵系统。
背景技术
在对油井内的原油进行开采的过程中，必须保证地层的原油能够沿径向源源不断的流到井筒中，流到井筒底部的地下原油能够举升到地面上。在原油在油井内举升的过程中，随着地层温度的梯度降低，井内的原油热量散失严重；接近地面的地表层原油温度较低，原油在低温下是会失去流动性而凝固。原油的凝结直接加大了原油开采的难度和开采设备的负载，严重时会出现堵管现象。堵管现象一旦发生，想要再让管道畅通是非常麻烦的事情。另外，原油内还含有石蜡，石蜡在低温下会析出，有的原油在20摄氏度左右就会析出石蜡，并附着在管道壁上，随着附着量增加，也会堵塞管线。因此，为了保持原油具有良好的流动性，减少石蜡的析出，防止堵塞管道，就需要在原油流出井口后对原油进行加热，以保证原油有较高初始温度，降低回压，防止堵塞管道，所以必须要给油气井管道进行加热。
现有对油气井管道进行加热的方式，一般是在油井里、或抽油杆内安装加热电缆，使用电加热带缠绕在油气井井口设备上，把电能转换成为热能，提升原油温度，从而提高原油的流动性能。但油井的现实状况是地层温度高，接近地面温度低，电缆总功率小时，地面温度达不到要求，石蜡依然就会出现凝结的现象；电缆总功率大时，地层处加热电缆功率过剩，油温升高后热量向地层径向扩散，能量白白浪费，加大了采油成本，不利于节省电能。另外，由于电加热带难以均匀地缠绕在井口设备的各个部分，造成加热效果非常不均衡；又时常因生产需要反复拆卸，而电加热带拆下来后容易损坏和丢失，因此造成很大的浪费。
另一方面，现行的油气井往往是将气井或油井产生的尾气烧掉，以避免天然气或石油中的有毒气体排到空气中，污染环境。再者，当油田开发进入后期，地层压力下降，为了确保油井正常生产，大多数油井不得不采取气举方式生产。在这种生产方式下，大量的高压气注入地层再被采出，这样高压天然气就变成了低压天然气。大量的低压天然气因压力低，无法输送，只能进入火炬被烧掉。因此，管道上一直喷火是为了避免所有这些安全隐患，使用管道将天然气引至高处并通过引燃半伴天然气进行燃烧，这个过程称为排气燃烧，从地下开采的石油不仅仅是石油本身还有其它物质。比如伴有天然气和水，这三种物质同时采出后，必须用分离技术进行分离。油和水会被放置在固定的储存罐内，相关的天然气会被燃烧并消耗。油气井附近热空气中的热能未能加以利用，白白浪费了。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种智能化油气井水汽能热泵系统，从而降低生产成本。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种智能化油气井水汽能热泵系统，包括套管、换热循环装置和控制器，所述套管套设于油气井的油管上并与油管的外侧壁形成加热腔，所述换热循环装置包括冷凝器、压缩机、蒸发器、节流装置和换热塔，所述套管设有与加热腔连通的进水管和回水管，所述进水管与冷凝器的出水口连通，所述回水管通过第一循环泵与冷凝器的进水口连通，所述冷凝器的入口通过压缩机与蒸发器的第一出口连通，所述冷凝器的出口通过节流装置与蒸发器的第一入口连通并形成制冷剂循环管路，所述蒸发器的第二入口和第二出口通过第二循环泵与换热塔的冷凝容积腔连通并形成防冻液循环管路，所述冷凝容积腔中盛放有防冻液，所述换热塔上设有吸收空气中水汽潜热或空气的显热的热量的多根重力热管，所述重力热管的冷凝段插装于冷凝容积腔内，所述换热塔上设有蒸发容积腔，所述重力热管的下端插装于蒸发容积腔内，所述蒸发容积腔内设有化霜加热装置，所述化霜加热装置包括加热蒸发容积腔中溶液的电加热机构，所述控制器的信号通讯线和动力电缆分别与第一循环泵、第二循环泵、冷凝器、压缩机、蒸发器、节流装置、化霜加热装置和设于各循环管路上的电子阀控制连接。
进一步的，所述控制器包括可编程单片机，所述加热腔内设有多个用于采集加热腔中不同区域温度数据的温度传感器，换热塔上设有用于采集周围温度数据的温度传感器、用于采集周围湿度数据的湿度传感器、用于采集热管的翅片热管结霜图像信息的摄像机构、用于采集压缩机工作频率数据的频率检测仪、以及用于采集各循环泵输出功率数据的电机转速检测仪，所述摄像机构、频率检测仪、电机转速检测仪、温度传感器和湿度传感器与控制器连接并将所采集到的热管结霜图像信息、频率信息、转速信息和温度数据传输给可编程单片机以进行数字化转换。
进一步的，所述控制器包括与可编程单片机连接的显示屏和或键盘，所述可编程单片机通过通讯模块与云端服务器连接以进行信息的相互传输。
进一步的，所述进水管与加热腔的上部连通，所述回水管与加热腔的底部区域连通。
进一步的，所述进水管上设有快速加热装置，所述快速加热装置为油井尾气燃烧加热或电加热。
进一步的，所述回水管上设有水油分离器。
进一步的，所述进水管连接有板式换热器并与板式换热器的第一出水口连通，所述回水管与板式换热器的第一进水口连通，所述冷凝器的出水口通过分水器与板式换热器的第二进水口连通，所述冷凝器的进水口通过集水器与板式换热器的第二出水口连通。
进一步的，所述集水器通过第三循环泵与冷凝器的进水口连通。
进一步的，所述蒸发器的第二出口与第二出口之间连通有相变储热装置或废热源装置。
进一步的，所述相变储热装置采用六水氯化钙无机相变结晶水作为储热相变材料。
进一步，所述化霜加热装置设有确认化霜工作的启动与停止的图像识别机构。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过换热塔的重力热管吸收空气中的水汽潜热及空气显热，然后依次导热到冷凝容积腔和蒸发器中，再通过压缩机把热量转移至冷凝器非制冷剂侧的暖媒水里，暖媒水通过进水管和第一循环泵再把热量输送至出油气井的油管外侧壁上的加热腔中，从而达到油管上下位置温度相同的目的，确保了油管内不会出现石蜡的成分凝结的情况，又不像如现行加热电缆功率过剩的情况，也不会出现漏电危及操作人员生命安全隐患，在保证原油产量的基础上节约了电能，降低了开采成本；通过电加热机构能快速加热蒸发容积腔里的防冻液后再把热量传递给重力热管内部相变流体来实现化霜的目的，化霜加热装置控制采用图像识别方法来确认化霜工作的启动与停止；并通过控制器与各设备的电连接，实现了智能化管理，能耗低，节能效果显著，大幅提高了油气井生产效率。本系统热量分配合理，产热智能化管理效率得到提高，可以杜绝蜡质析出而堵塞油管的情况发生，油气井工作运行效率可大幅提高，而防冻液的循环运行不会因防冻液冰点温度上移而发生冻管；不存在防冻液流失的问题，生产过程中无需添加防冻液，因此，也没有必要设置多余的防冻液浓缩装置。采用重力热管吸收空气热量优势明显：由于重力热管温差灵敏反应可使防冻液温度逼近环境温度，从而缩小蒸发器与冷凝器温差，最终会提高系统的能效比；其化霜优势也非常显著：化霜速度快，化霜过程中不影响热泵继续制热工作，且化霜的电热基本上都被热泵转变为加热水的热量了。
附图说明
图1为本发明智能化油气井水汽能热泵系统实施例的流程结构示意图。
图2为本发明实施例中的套管的结构示意图。
图3为本发明智能化油气井水汽能热泵系统实施例的信息传输原理图。
图4为本发明智能化油气井水汽能热泵系统实施例的控制流程图
图中：1、套管；11、加热腔；12、进水管；121、快速加热装置；13、回水管；131、第一循环泵；132、水油分离器；133、板式换热器；2、换热循环装置；21、冷凝器；211、分水器；212、集水器；213、第三循环泵； 22、压缩机；23、蒸发器；231、第二循环泵；232、相变储热装置；24、节流装置；25、换热塔；251、重力热管；252、冷凝容积腔；253、蒸发容积腔；254、化霜加热装置；3、油管。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示，本实施例的智能化油气井水汽能热泵系统，包括套管1、换热循环装置2和控制器，套管1套设于油气井的油管3上并与油管3的外侧壁形成加热腔11，换热循环装置2包括冷凝器21、压缩机22、蒸发器23、节流装置24和换热塔25，套管1设有与加热腔11连通的进水管12和回水管13，进水管12与冷凝器21的出水口连通，回水管13通过第一循环泵131与冷凝器21的进水口连通，冷凝器21的入口通过压缩机22与蒸发器23的第一出口连通，冷凝器21的出口通过节流装置24与蒸发器23的第一入口连通并形成制冷剂循环管路，蒸发器23的第二入口和第二出口通过第二循环泵231与换热塔25的冷凝容积腔252连通并形成防冻液循环管路，冷凝容积腔252中盛放有防冻液，换热塔25上设有吸收空气中水汽潜热或空气的显热的热量的多根重力热管251，重力热管251的冷凝段插装于冷凝容积腔252内，换热塔25上设有蒸发容积腔253，重力热管251的下端插装于蒸发容积腔253内，蒸发容积腔253内设有化霜加热装置254。控制器的信号通讯线和动力电缆分别与第一循环泵131、第二循环泵231、冷凝器21、压缩机22、蒸发器23、化霜加热装置254和设于各循环管路上的电子阀控制连接。通过换热塔25的重力热管251能吸收空气中水汽潜热及空气显热，然后依次导热到冷凝容积腔252和蒸发器23中，再通过压缩机22把热量转移至冷凝器21非制冷剂侧的暖媒水里，暖媒水通过进水管12和第一循环泵131再把热量输送至出油气井的油管3外侧壁上的加热腔11中，从而达到油管3上下位置温度相同的目的，确保了油管3内不会出现石蜡的成分凝结的情况，又不像如现行加热电缆功率过剩的情况，也不会出现漏电危及操作人员生命安全隐患，在保证原油产量的基础上节约了电能，降低了开采成本；通过电加热机构能快速加热蒸发容积腔253里的防冻液后再把热量传递给重力热管251内部相变流体来实现化霜目的，化霜加热装置254控制采用图像识别方法来确认化霜工作的启动与停止；并通过控制器与各设备的电连接，实现了智能化管理，能耗低，节能效果显著，大幅提高了油气井生产效率。本发明系统热量分配合理，产热智能化管理效率得到提高，杜绝了蜡质析出而堵塞油管3的情况发生，油气井工作运行效率可大幅提高，而防冻液的循环运行不因防冻液冰点温度上移而发生冻管；不存在防冻液流失的问题，无需添加防冻液，因此，也没有必要设置多余的防冻液浓缩装置。采用重力热管251吸收空气热量优势明显，由于重力热管251温差灵敏反应可使防冻液温度逼近环境温度，从而缩小蒸发器23与冷凝器21温差，最终会提高系统的能效比，其化霜优势也非常显著：化霜速度快，化霜过程中不影响热泵继续制热工作，且化霜的电热基本上都被热泵转变为加热水的热量了。
本实施例中，控制器包括可编程单片机，加热腔11内设有多个用于采集加热腔11中不同区域温度数据的温度传感器，换热塔25上设有用于采集周围温度数据的温度传感器、用于采集周围湿度数据的湿度传感器、用于采集热管的翅片热管结霜图像信息的摄像机构、用于采集压缩机工作频率数据的频率检测仪、以及用于采集各循环泵输出功率数据的电机转速检测仪，所述摄像机构、频率检测仪、电机转速检测仪、温度传感器和湿度传感器与控制器连接并将所采集到的热管结霜图像信息、频率信息、转速信息和温度数据传输给可编程单片机以进行数字化转换，热管结霜图像信息通过A/D转换与控制器的通讯线连接并将所采集到的热管结霜图像信息传输给可编程单片机。采用可编程单片机及温度与湿度检测装置包括PT100热电阻针对油气井加热水温度、分水器211阀门、热泵机组变频器的数据输出端口及快速加热装置121还有热源切换阀伺服电机，实行温控智能化管理，并可实现远程控制，各油气井的加热水由第一循环泵131打入板式换热器133获取水汽能热泵机组送来的暖媒水热量后，经过管道及快速加热装置121分别流入各油气井的套管1与油管3的加热腔11内，且加热循环水回水管13通过套管1入口一直插入到接近套管1与油管3的铅密封装置接近处，而第一循环泵131把升温后的加热水通过阀门及管道打入油气井套管1内，加热水借助于加热水静压高度及第一循环泵131抽吸能力形成从上至下的循环过程，而加热水温度向下形成递减，油气井设置有上中下三个温度采集点，还有通过摄像头采集重力热管251翅片热管结霜图像信息数据，依据图像信息分析可及时启动化霜加热装置254的快速化霜，经过设定值与采集数据对比进行实时快速调整，并利用快速加热装置121进行热量补充，当暖媒水温度上来后，快速加热装置121适时减小或退出加热。采用可编程单片机实现油气井加热智能化管理，可实现高效低能耗加热，促使油气井生产效率的提高，采用热泵把空气低温热能转移至较高温度处用来给油气井油管3加热，重力热管251直接面对空气吸收其潜热与显热，利用重力热管251的0.1℃温差灵敏反应，可使回流蒸发器23防冻液温度逼近环境温度，缩小了蒸发器23与冷凝器21的温差，从而可提高系统能效比，并在重力热管251下蒸发容积腔253里设置了化霜加热装置254，可以实现快速化霜，不存在冻管、防冻液流失等问题，也无须担心雨雪稀释防冻液，因为防冻液是全封闭式循环，没有防冻液腐蚀设备之虞，并配有相变储热装置232用于平抑因天气所造成的热源不足而产生的高峰期与低峰期，尤其是借助水汽能热泵本身的优势，可以把绿色清洁电能转变为热能予以储存起来，可以起到多重效果，一个是发挥绿色清洁能源的作用，第二个发挥了水汽热泵转移低温热源对绿色清洁电能起到倍增效应，再采用芯片智能化管理新能源系统及有效合理加热油气井的温控方法。采用检测装置来采集环境温度及湿度，获取油气井温度变化情况及暖媒水出口温度情况进行数据比较及数模转换，由单片机进行运算做出合理指示，包括：压缩机22运行频率、化霜图像识别是否启动化霜、分水器211电动阀开合大小、快速加热装置121启动的有效管理。
本实施例中，控制器包括与可编程单片机连接的显示屏和或键盘，可编程单片机通过通讯模块与云端服务器连接以进行信息的相互传输。采用了STC89C52或者MSP430单片机，LCD显示屏或键盘与单片机MSP430形成交互信息传输，而pt100热电阻通过A/D转换芯片把采集信息与单片机进行信息分析，经过放大预处理后，再对控制对象发出指令，并输出控制，同时执行机构动作，单片机还可以通过通讯接口向操作人员传输信息或向云端服务器传输信息，单片机链接通讯端实现远程控制系统。初始化屏幕显示出固定汉字，进入可操作设定值，同时屏幕显示设定值，设定值可传输信息至控制器，控制器指示可执行机构相应动作，包括控制阀及相应的需要调整的被控制对象，被控制对象主要为：各循环泵机组运行各参数调整，当然包括压缩机22变频参数调整及各循环泵输出功率的调整；还有分水器211的加热水流量分配的可通过电控阀来调整；还有快速加热装置121的启动工作等。控制对象会输出信息给相应的测量装置，包括各种被控制的变量，外界天气温度及湿度信息都将由测量装置传输到单片机芯片内，并进行测量值与设定值对比，然后再次不断修正数据发出信息给控制器来完成系列信息传输及相关指令操作。
本实施例中，进水管12与加热腔11的上部连通，回水管13与加热腔11的底部区域连通。由于油井的地层的温度高，接近地面的温度低，进水管12中较热的水温先对接近地面的油管3进行加热，之后水温会降低，而远离地面的油管3温度本身较高，不需要较高的水温对其加热，从而使油管3的上部与下部的温差较小，进一步地确保了油管3内不会出现凝结的情况。
本实施例中，进水管12上设有快速加热装置121或废热源装置。通过快速加热装置121能在换热循环装置2工作异常或提供的水温温度不够时，进行补偿，从而提高了故障处理能力。
本实施例中，回水管13上设有水油分离器132。
本实施例中，进水管12连接有板式换热器133并与板式换热器133的第一出水口连通，回水管13与板式换热器133的第一进水口连通，冷凝器21的出水口通过分水器211与板式换热器133的第二进水口连通，冷凝器21的进水口通过集水器212与板式换热器133的第二出水口连通。通过分水器211和集水器212可将多余的水温供给其他用户使用，从而进一步提高了实用性，主要是便于维修及防止原油进入冷凝器而降低其换热效率。
本实施例中，集水器212通过第三循环泵213与冷凝器21的进水口连通。通过第三循环泵213能进一步加速水流，提高了传热的效率。
本实施例中，蒸发器23的第二出口与第二出口之间连通有相变储热装置232或废热源装置。通过相变储热装置能平衡极寒天气热源的不足。
本实施例中，相变储热装置232采用六水氯化钙无机相变结晶水作为储热相变材料。六水氯化钙无机相变结晶水易于采购，价格低廉。
运行原理：
当油气井厂区没有废热源情况下，就依赖换热塔25向空气来索取水汽潜热及空气的显热，冷凝容积腔252的电控阀是打开的；而去相变储热装置232的电控阀是处于关闭状态。压缩机22工作会不断把制冷剂从蒸发器23压入冷凝器21里，同时把从空气能转移到冷凝器21里去释放潜热给冷凝器21另一侧暖媒水，暖媒水得到升温，而制冷剂被冷凝成液态制冷剂了，并通过节流装置24再次进入到蒸发器23里去吸收蒸发器23另一侧流体的潜热而蒸发，再次被压缩机22压入到冷凝器21里就这样周而复始地完成制冷剂的循环过程。而换热塔25与蒸发器23间流体吸热循环是这样实现的：当第二循环泵231不断把吸热流体（防冻液）从冷凝容积腔252出口及电控阀进入蒸发器23里释放潜热给蒸发器23另一侧制冷剂后温度被降下来，并再次经过电控阀到冷凝容积腔252里，重力热管251不断吸收空气的潜热，那么重力热管251内部相变流体释放潜热给了防冻液后便冷凝成液态相变流体了，而液态相变流体沿着重力热管251壁往下流到可与空气换热的蒸发段，此时相变液态流体便会吸收空气中水汽潜热和空气的显热再次蒸发，蒸发的相变流体再次上升到冷凝段去释放潜热给防冻液自身又变成液态相变流体了，就这样实现重力热管251内部相变流体循环过程。而防冻液温度得到提高后被第二循环泵231打入蒸发器23里，并把潜热转移给制冷剂而导致制冷剂蒸发，制冷剂再把热量转移给暖媒水。其中换热塔25内空气是通过其百叶窗入口涌入的，空气涌入塔体是通过其自身配置的轴流风扇来完成的。若是极寒天气结霜情况，检测装置发现了结霜立马启动电加热装置，将迅速把蒸发容积腔253里面防冻液升温至零度到10度间，那么重力热管251内部相变流体会升温使其外侧翅片上面霜层融化。
而冷凝器21暖媒水侧是通过第三循环泵213把暖媒水不断打入冷凝器21内使吸收制冷剂的潜热而得到升温，暖媒水便通过主电控阀进入集水器212里，暖媒水再通过集水器212各电控阀进行流量分配后进入各需求末端，包括有采暖需求末端电控阀及用于加热油气井电控阀，用于加热油气井的是流入板式换热器133里，并把热量交换给加热水后就通过电控阀被第二循环泵231重新打入冷凝器21里去吸收制冷剂的潜热，就这样周而复始地完成了暖媒水的循环过程。
而第一循环泵131会不断把加热水从板式换热器133另一侧暖媒水释放的热量带走，并通过快速加热装置121，快速加热装置121可以是尾气燃烧装置，或者是电加热装置，再通过流入管道把加热水注入到套管1上端的阀门流入到加热腔11内，而套管1与油管3间插入管一直插入到套管1与油管3底部的铅密封装置附近，可借助加热水静压高度再加上循环泵抽吸力，这样就构成了加热水从上至下的循环，那么上端部加热水温度是最高的，因为油气井上端部会温度越来越低，这样就可以起到防止油气井上端部析出蜡而堵塞油管3及相关阀门，加热后的加热水便通过回水管13经过水油分离器132再次被第一循环泵131打入板式换热器133里完成加热水的循环过程。通过对天气数据分析，热泵机组可以从相变储热装置232里取热，该装置也可以是废热源，若作为储热装置，该储热装置采用相变方式储热，相变流体材料为六水氯化钙，这样就可以起到节约电能，降低了油气井开采的成本。
智能温控系统的过程中，采用了MSP430型号单片机以及锁存器和其他的相关电容，PT100电热组以及发光二极管和数码管一些按键和晶振作为主要的系统硬件组成成分。
初始化屏幕显示出固定汉字，进入可操作设定值，同时屏幕显示设定值，设定值可传输信息至控制器，控制器指示可执行机构，包括控制阀及相应的需要调整的被控制对象，被控制对象主要为：热泵机组运行各参数调整，当然包括压缩机22变频参数调整及各循环泵输出功率的调整；还有重力热管251翅片热管结霜图像信息处理；还有分水器211各个油气井加热水流量分配的可通过电控阀来调整；还有快速加热的燃烧装置的启动工作等。然而，控制对象会输出信息给相应的测量装置，包括各种被控制的变量，外界天气温度及湿度信息都将由测量装置传输到单片机芯片内，并进行测量值与设定值对比，各个不同环境下的热管结霜图像信息数字化处理，然后再不断修正数据发出信息给控制器来完成系列信息传输相关指令，让各执行机构正确准时工作。
采用了相关硬件及软件分述如下：MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。因此该单片机具有以下优势：
1.处理能力强，MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式：7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址、简洁的 27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2.运算速度快，MSP430 系列单片机能在24MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。3. 超低功耗，MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。4. 片内资源丰富，MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。5.方便高效的开发环境，这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C 语言。
本发明基于对热泵机组、电控阀、分水器211电动阀、图像识别摄像信息及换热器等设备实现现场数据采集、远程自动监控，集参数监测、参数优化、自动切换、报警、记录、报表生成、运行保护及运行设置（高级维护管理）于一体，实现热泵的“高温、高效、环保、节能”的优点，满足原油加热抽吸的需求，同时大大的提高了能源利用效率，节能效果显著。其中采集参数包括以下：（1）加热水进入系统前的温度、压力，升温后的温度、压力，加热水的流量；（2）各油气井各高度温度数据；（3）暖媒水进入系统前的温度、压力，降温后的温度、压力，暖媒水电控阀的吸合状态；（4）热泵的参数接口，采集压缩机22工作频率数据，循环泵输出功率信息；（5）热管结霜图像信息信息；（6）环境天气温湿度各参数数据的采集。导出参数包括：（1）实时计算热泵蒸发侧总吸热量；（2）实时计算热泵冷凝侧总放热量；（3）计算各台热泵的COP；（4）计算系统的总COP效率；（5）单个油气井生产效率。
现场试验数据分析，在此次设计过程中，采用C语言进行程序的编写，整个温控系统的软件，包括温度数据采集以及处理和案件处理等多种功能。在系统软件组成当中，单片机所需要完成的功能是针对数据进行处理分析以及计算和显示等等。温度的采样以及转换工作则是交由锁存器来完成。在智能温控系统工作的过程中，温度传感器锁存器针对温度开展采样以及转换工作，并将采样以及转换的数据结果输送给单片机。然后由单片机将输入进来的温度数据进行处理，使温度值和设定的温度值上下限之间进行比较，最终根据比较的结果，采取相应的处理程序，如果温度超过了上限值那么需要报警，便于开展处理工作，控制流程如图3和图4所示。
智能温控热泵机组及分水器211是在传统的分水器211上所进行的改进，和单一的传统的分水器211控制有很大区别，他的主要特征是被智能化，智能取决于单片机通过逻辑计算来控制，热泵压缩机22变频器和分水器211起到载体作用。智能温控压缩机22及分水器211按功能大体分两种：按照油气井温控和同一油气井分层温控。分层温控是指控制一个油气井不同高度的油气井，由pt100温控器，电动两通阀，分水器211三部分组成。将电动两通阀安装到分水器211进水主管上，由温控器pt100控制一个油气井和一个油气井不同高度的温度。简单来说就是一个温控部分控制一个油气井加热水的温度。将电动阀执行器安装到分水器211每个回路管道上，由温控器通过电动阀执行器控制分水器211流量大小及压缩机22工作频率的大小，采用控制温度pt100温度传感器来检测各温控点，这是是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。pt100温度传感器的分度表从负的50摄氏度到正的200度摄氏都具有不同的欧姆值，同时pt100温度传感器还能够对湿度进行一定的测量，它使用的湿度范围是0%到100%，能够很好感知环境温度及湿度大小，并及时传输给单片机处理，很好的体现出了智能化的这一特点。而pt100温度传感器在实际的运用过程中，它所输出的信号和它的温差之间具有一定的连续函数关系。通过温控器的指令来关闭和开启电动阀或提高或降低热泵压缩机22工作频率。首先可以在油气井温控器上查看每个井的实际温度，设定温度，确定是否处于正确工作模式，并定好目标温度即可进入工作状态，也可以从手机上查看每个油气井温度和设定。在进入工作状态后，智能阀会自动在集水器212上运行几次，摸清集水器212阀芯总的行程是多少毫米，是常开还是常闭阀芯，从而学习到阀芯的特点。摄像头把重力热管251翅片各个温度段不同图像信息传输给芯片，是结霜状态，还是非结霜状态，通过自我学习使不同环境下不同温度情况下热管结霜图像信息信息储存在芯片里，便于今后的计算分析与自我学习。另一方面，还可以在系统联网工作后，将初始的油气井供热系统上传到服务器，开始建立各个油气井温度数据库，将各油气井的温度情况及温控器控制几个循环回路都记录下来，从而进入工作调整阶段，在工作调整阶段，系统会每20分钟连接到本地的气象台数据，并将气象数据：温度、阴晴天、风力、温度上传，且记录此时油气井温度回水温度等信息，服务器根据油气井实际温度和目标温度的差值，在初始阶段发送命令到智能控制中心，开启阀门到一定程度合适的大小，还有压缩机22工作频率调整到合理范围，依次将分水器211的阀门打开，或提高压缩机22工作频率，或降低压缩机22工作频率。开始计算油气井的实际温度每发生一次微小变化，都将对应环境温度及压缩机22工作频率的大小，都将通过小沃精灵上传到服务器，服务器会根据实时天气数据和油气井温差将计算结果再次向下传递到阀门开度及指示压缩机22应该工作的频率，在此过程中系统也会一直监控回水温度，避免回水温度过低，也将会有快速升温方式及时启动快速加热装置121工作。系统在计算阀门开度和工作频率及油气井温差的同时，还会将整个油层的散热功率计算出来，向热泵主机不断发送命令、调整热泵的工作频率及各循环泵的输出功率和出水温度，形成热源和整个油气井、每个油层的互联，系统的各个硬件之间是互通的，这样就打破了传统单个油气井温控系统的局限，传统的单一油气井温控采用油气井温控器直接或间接控制热电阻的开或关，并将油气井温度和油层及环境进行联动，而且和水汽能热泵机组做到紧密联动。在本发明专利系统的运行过程中，智能阀会让集水器212始终处于打开状态这样可以保持回水的温度，通过保持加热水在油气井套管里至上往下流动让油气井保持各段的恒温，加入了环境热能补偿因素，自适应环境平衡各油气井的温度可以实现±0.5℃，甚至±0.3℃的恒温控制，以实现恰到好处的温度控制要求，从而实现节能目的。满足了油井中不同的高度对于不同温度的需要，达到油井上下位置温度相同的目的，确保油气井既不会出现石蜡成分凝结的情况，又不会出现加热量过剩的情况而造成的能源浪费，在保证原油产量的基础上达到高效节能的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，包括套管（1）、换热循环装置（2）和控制器，所述套管（1）套设于油气井的油管（3）上并与油管（3）的外侧壁形成加热腔（11），所述换热循环装置（2）包括冷凝器（21）、压缩机（22）、蒸发器（23）、节流装置（24）和换热塔（25），所述套管（1）设有与加热腔（11）连通的进水管（12）和回水管（13），所述进水管（12）与冷凝器（21）的出水口连通，所述回水管（13）通过第一循环泵（131）与冷凝器（21）的进水口连通，所述冷凝器（21）的入口通过压缩机（22）与蒸发器（23）的第一出口连通，所述冷凝器（21）的出口通过节流装置（24）与蒸发器（23）的第一入口连通并形成制冷剂循环管路，所述蒸发器（23）的第二入口和第二出口通过第二循环泵（231）与换热塔（25）的冷凝容积腔（252）连通并形成防冻液循环管路，所述冷凝容积腔（252）中盛放有防冻液，所述换热塔（25）上设有吸收空气中水汽潜热或空气的显热的热量的多根重力热管（251），所述重力热管（251）的冷凝段插装于冷凝容积腔（252）内，所述换热塔（25）上设有蒸发容积腔（253），所述重力热管（251）的下端插装于蒸发容积腔（253）内，所述蒸发容积腔（253）内设有化霜加热装置（254），所述化霜加热装置（254）包括加热蒸发容积腔（253）中溶液的电加热机构，所述控制器的信号通讯线和动力电缆分别与第一循环泵（131）、第二循环泵（231）、冷凝器（21）、压缩机（22）、蒸发器（23）、节流装置（24）、化霜加热装置（254）和设于各循环管路上的电子阀控制连接。
2.根据权利要求1所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述控制器包括可编程单片机，所述加热腔（11）内设有多个用于采集加热腔（11）中不同区域温度数据的温度传感器，换热塔（25）上设有用于采集周围温度数据的温度传感器、用于采集周围湿度数据的湿度传感器、用于采集热管的翅片热管结霜图像信息的摄像机构、用于采集压缩机工作频率数据的频率检测仪、以及用于采集各循环泵输出功率数据的电机转速检测仪，所述摄像机构、频率检测仪、电机转速检测仪、温度传感器和湿度传感器与控制器连接并将所采集到的热管结霜图像信息、频率信息、转速信息和温度数据传输给可编程单片机以进行数字化转换。
3.根据权利要求1或2所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述控制器包括与可编程单片机连接的显示屏和或键盘，所述可编程单片机通过通讯模块与云端服务器连接以进行信息的相互传输。
4.根据权利要求1或2所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述进水管（12）与加热腔（11）的上部连通，所述回水管（13）与加热腔（11）的底部区域连通。
5.根据权利要求1或2所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述进水管（12）上设有快速加热装置（121），所述快速加热装置（121）为油井尾气燃烧加热或电加热。
6.根据权利要求1或2所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述回水管（13）上设有水油分离器（132）。
7.根据权利要求1或2所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述进水管（12）连接有板式换热器（133）并与板式换热器（133）的第一出水口连通，所述回水管（13）与板式换热器（133）的第一进水口连通，所述冷凝器（21）的出水口通过分水器（211）与板式换热器（133）的第二进水口连通，所述冷凝器（21）的进水口通过集水器（212）与板式换热器（133）的第二出水口连通。
8.根据权利要求7所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述集水器（212）通过第三循环泵（213）与冷凝器（21）的进水口连通。
9.根据权利要求1或2所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述蒸发器（23）的第二出口与第二出口之间连通有相变储热装置（232）或废热源装置。
10.根据权利要求9所述的智能化油气井水汽能热泵系统，其特征在于，所述相变储热装置（232）采用六水氯化钙无机相变结晶水作为储热相变材料。
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- 2022-10-19 CN CN202211276248.1A patent/CN115523679A/zh active Pending
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