本發(fā)明屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)及其換熱監(jiān)控方法。

背景技術(shù)：

地?zé)豳Y源與其他新能源如太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等相比，具有分布廣、受外界影響小如晝夜、風(fēng)速、溫差、碳排放量及維護(hù)成本低等特點(diǎn)，地?zé)豳Y源主要分為水熱型和干熱巖型，干熱巖型地?zé)崾侵复鎯?chǔ)于深度3-10km高溫巖體或巖漿中的熱量，儲(chǔ)層溫度可達(dá)100～650℃。目前世界各國主要利用的水熱型中低溫地?zé)醿H占探明地?zé)豳Y源的極小一部分，而中高溫干熱巖地?zé)豳Y源在地球上的蘊(yùn)藏量豐富且溫度高。據(jù)國家有關(guān)部門最新數(shù)據(jù)顯示，我國大陸3~10千米深處干熱巖資源總量相當(dāng)于860萬億噸標(biāo)煤；若能開采出2％，就相當(dāng)于2010年全國一次性能耗總量32.5億噸標(biāo)煤的5300倍。所以，中高溫干熱巖地?zé)岬拈_發(fā)極有可能為我國節(jié)能減排和新一輪能源結(jié)構(gòu)調(diào)整做出重大貢獻(xiàn)，合理地開采儲(chǔ)層深部地?zé)崮懿粌H可能起到節(jié)能減排和能源調(diào)整作用，更可為偏遠(yuǎn)地區(qū)能源需求提供保障。

中高溫地?zé)豳Y源開發(fā)具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，美國科學(xué)家提出采用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的方式進(jìn)行開發(fā)，現(xiàn)有技術(shù)中干熱巖地?zé)崂靡笤诘叵滦纬蓮V泛的巖石裂隙，通過水流經(jīng)裂隙實(shí)現(xiàn)與干熱巖的熱交換。換句話說，要造出地下熱儲(chǔ)水庫。目前，主要有人工高壓裂隙、天然裂隙、天然裂隙-斷層三種模式，其中研究最多的是人工高壓裂隙模式，即通過人工高壓注水到井底，高壓水流使巖層中原有的微小裂隙強(qiáng)行張開或受水冷縮產(chǎn)生新的裂隙，水在這些裂隙間流通，完成注水井和生產(chǎn)井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。由于干熱巖具有滲透率低、孔隙率低、儲(chǔ)層位置深等特性，造成地?zé)崂眯实?，即地層熱提取效率低和地下?lián)Q熱流體流失率高。

總體來說，干熱巖鉆井技術(shù)已不成問題，儲(chǔ)層壓裂不可控性造成的泄露問題和滲流通道的高效流動(dòng)是制約干熱巖開發(fā)的主要問題。到目前為止，還沒有可以高效又安全的干熱巖地?zé)衢_采方式，而且未能對(duì)地?zé)崮芴崛∵^程實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，解決地能干熱巖熱量提取效率低、地下?lián)Q熱流體流失率高和地?zé)崮芴崛∵^程實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)問題，本發(fā)明提供地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)及其換熱監(jiān)控方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)，它包括換熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊與控制模塊，其中：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置于換熱系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊信號(hào)輸出端分別與顯示模塊和控制模塊電氣連接；

所述換熱系統(tǒng)包括換熱管和換熱封裝套管，由碳纖維和鈦鎳金屬絲混紡編制成空心換熱管單體，內(nèi)徑由大到小的多根換熱管單體由內(nèi)向外套設(shè)在一起形成換熱管，相臨兩層換熱管單體之間設(shè)置有縫隙；所述換熱封裝套管側(cè)壁設(shè)置有空腔，換熱管封裝于換熱封裝套管的空腔中，所述換熱封裝套管側(cè)壁的空腔內(nèi)還設(shè)置有數(shù)據(jù)線集線管，數(shù)據(jù)線集線管與換熱封裝套管一體成型，數(shù)據(jù)線集線管內(nèi)壁設(shè)置有隔熱涂層，數(shù)據(jù)線設(shè)置于數(shù)據(jù)線集線管內(nèi)組成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；換熱封裝套管內(nèi)壁設(shè)置有注液管和抽液管，注液管與換熱封裝套管一體成型，所述注液管延伸至換熱封裝套管底部，所述抽液管設(shè)置于換熱封裝套管內(nèi)壁的頂部，抽液管上設(shè)置有抽液泵，注液管上設(shè)置有注液控制閥，所述控制模塊控制抽液泵與注液控制閥開啟或關(guān)閉；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度傳感器、流速傳感器與真空度檢測(cè)器，沿?fù)Q熱封裝套管內(nèi)壁每隔100~150米分別設(shè)置有若干溫度傳感器，沿?fù)Q熱封裝套管外壁每隔300~500米亦分別設(shè)置有若干溫度傳感器；在換熱封裝套管內(nèi)壁的上部、中部以及抽液口和注液口處分別設(shè)置有流速傳感器；在換熱封裝套管側(cè)壁的空腔中，每隔100~150米分別設(shè)置有若干真空度檢測(cè)器；溫度傳感器、流速傳感器與真空度檢測(cè)器分別與所述數(shù)據(jù)線連通。

進(jìn)一步地，所述若干根封裝后的換熱封裝套管環(huán)抱呈圓柱體，形成換熱管組。

地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)的換熱監(jiān)控方法，按以下步驟依次進(jìn)行：

a、換熱系統(tǒng)的制備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的封裝：

換熱管單體的制備：根據(jù)待開采區(qū)域地?zé)崮軐?shí)際情況，調(diào)整純鈦與純鎳的比例，熔煉純鈦與純鎳制得鈦鎳金屬絲，將碳纖維和鈦鎳金屬絲混紡編制成不同直徑規(guī)格的若干根換熱管單體；換熱管的制備與封裝：將5~10根直徑由小至大的換熱管單體套設(shè)在一起，制得換熱管；將換熱管放置于換熱封裝套管側(cè)壁的空腔內(nèi)，將溫度傳感器、流速傳感器與真空度檢測(cè)器分別對(duì)應(yīng)設(shè)置于換熱封裝套管的內(nèi)壁、外壁與空腔內(nèi)，將數(shù)據(jù)線分別與溫度傳感器、流速傳感器與真空度檢測(cè)器電氣連接后設(shè)置于數(shù)據(jù)線集線管內(nèi)，最后將換熱管封裝，并將換熱封裝套管下端面密封，留待后步使用；

b、地?zé)崮芴綔y(cè)及鉆井：

采用地?zé)崮芴綔y(cè)設(shè)備對(duì)地表下干熱巖層地?zé)崮軆?chǔ)量進(jìn)行探測(cè)，選擇地?zé)崮軆?chǔ)量大的區(qū)域，采用石油鉆井設(shè)備在選出的區(qū)域上鉆井，鉆井深度為2000米~6000米，在鉆好的井的內(nèi)壁中設(shè)置護(hù)井套管；將上步封裝好的換熱管和換熱封裝套管放置于護(hù)井套管內(nèi)，設(shè)置于換熱封裝套管外壁的溫度傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的溫度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過顯示模塊顯示換熱封裝套管外壁不同階段的溫度；

c、換熱介質(zhì)填充與抽取的控制：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊控制將控制信號(hào)分別傳送至抽液泵與注液控制閥，控制模塊控制抽液泵與注液控制閥開啟或關(guān)閉；通過抽液泵將換熱后的高溫?fù)Q熱介質(zhì)從抽液管抽出換熱封裝套管，即獲得攜帶有高溫地?zé)崮艿膿Q熱介質(zhì)；

d、地?zé)崮艿慕粨Q與監(jiān)控：

通過注液管向換熱封裝套管中加注低溫?fù)Q熱介質(zhì)，設(shè)置于換熱封裝套管內(nèi)壁的流速傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的流速信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過顯示模塊顯示換熱封裝套管內(nèi)換熱介質(zhì)不同階段的流速；控制模塊調(diào)整注液速度，低溫?fù)Q熱介質(zhì)在換熱封裝套管管腔內(nèi)通過換熱管與外界高溫干熱巖換熱，設(shè)置于換熱封裝套管內(nèi)壁的溫度傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的溫度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過顯示模塊顯示換熱封裝套管內(nèi)壁不同階段的換熱介質(zhì)的溫度；換熱介質(zhì)換熱過程中，設(shè)置于換熱封裝套管空腔內(nèi)的真空度檢測(cè)器通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的真空度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過顯示模塊顯示換熱封裝套管內(nèi)的真空度。

進(jìn)一步地，所述護(hù)井套管的材質(zhì)為鋼管。

進(jìn)一步地，所述鈦鎳金屬絲中鈦與鎳的質(zhì)量比為：wti%：wni%=（44~46）%：（54~56）%。

進(jìn)一步地，所述換熱介質(zhì)或者為水，或者為乙醇，或者為丙酮，或者為三氯三氟乙烷。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果。

本發(fā)明提供的地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)及其換熱監(jiān)控方法，換熱管采用碳纖維和鈦鎳金屬絲混紡編制成，當(dāng)外界溫度高于鈦鎳金屬絲的設(shè)定溫度時(shí)，換熱管之間的縫隙減小，換熱管緊貼巖層，增大與熱源的接觸面積；當(dāng)外界溫度低于鈦鎳金屬絲的設(shè)定溫度時(shí)，換熱管之間的縫隙增大，形成隔熱層，取熱介質(zhì)中的熱量不易流失至外界環(huán)境；此外，換熱管還具有耐腐蝕、耐熱、耐久的特性，換熱套管約束了換熱介質(zhì)的流失，有利于節(jié)約水資源，提高換熱效率。同時(shí)在換熱系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集的溫度信息、流速信息與真空度信息通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，將換熱過程的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)通過顯示模塊顯示的同時(shí)，通過控制模塊智能地控制換熱介質(zhì)的添加于抽取，實(shí)現(xiàn)了換熱介質(zhì)換熱提取過程的全程監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為換熱封裝套管管口處水平剖視放大示意圖。

圖中，1為換熱系統(tǒng)，11為換熱管，12為換熱封裝套管，13為數(shù)據(jù)線集線管，14為注液管，15為抽液管，16為抽液泵，17為注液控制閥，2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，21為溫度傳感器，22為流速傳感器，23為真空度檢測(cè)器，3為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，4為數(shù)據(jù)處理模塊，5為顯示模塊，6為控制模塊，7為護(hù)井套管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明：本實(shí)施例是以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下面的實(shí)施例。

如圖1~2所示，地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)，它包括換熱系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3、數(shù)據(jù)處理模塊4、顯示模塊5與控制模塊6，其中：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2設(shè)置于換熱系統(tǒng)1中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3傳送至數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4信號(hào)輸出端分別與顯示模塊5和控制模塊6電氣連接；

所述換熱系統(tǒng)1包括換熱管11和換熱封裝套管12，由碳纖維和鈦鎳金屬絲混紡編制成空心換熱管單體，其中，鈦鎳金屬絲中鈦與鎳的質(zhì)量比為：wti%：wni%=（44~46）%：（54~56）%；內(nèi)徑由大到小的多根換熱管單體由內(nèi)向外套設(shè)在一起形成換熱管11，相臨兩層換熱管單體之間設(shè)置有縫隙；所述換熱封裝套管12側(cè)壁設(shè)置有空腔，換熱管11封裝于換熱封裝套管12的空腔中，所述換熱封裝套管12側(cè)壁的空腔內(nèi)還設(shè)置有數(shù)據(jù)線集線管13，數(shù)據(jù)線集線管13與換熱封裝套管12一體成型，數(shù)據(jù)線集線管13內(nèi)壁設(shè)置有隔熱涂層，數(shù)據(jù)線設(shè)置于數(shù)據(jù)線集線管13內(nèi)組成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；換熱封裝套管12內(nèi)壁設(shè)置有注液管14和抽液管15，注液管14與換熱封裝套管12一體成型，所述注液管14延伸至換熱封裝套管12底部，所述抽液管15設(shè)置于換熱封裝套管12內(nèi)壁的頂部，抽液管15上設(shè)置有抽液泵16，注液管14上設(shè)置有注液控制閥17，所述控制模塊6控制抽液泵16與注液控制閥17開啟或關(guān)閉；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2包括溫度傳感器21、流速傳感器22與真空度檢測(cè)器23，沿?fù)Q熱封裝套管12內(nèi)壁每隔100~150米分別設(shè)置有若干溫度傳感器21，沿?fù)Q熱封裝套管12外壁每隔300~500米亦分別設(shè)置有若干溫度傳感器21；在換熱封裝套管12內(nèi)壁的上部、中部以及抽液口和注液口處分別設(shè)置有流速傳感器22；在換熱封裝套管12側(cè)壁的空腔中，每隔100~150米分別設(shè)置有若干真空度檢測(cè)器23；溫度傳感器21、流速傳感器22與真空度檢測(cè)器23分別與所述數(shù)據(jù)線連通。

進(jìn)一步地，所述若干根封裝后的換熱封裝套管12環(huán)抱呈圓柱體，形成換熱管組，有利于井口較大或者供熱量需求較大時(shí)換熱封裝套管12合理填充護(hù)井套管7。

地能干熱巖換熱裝置監(jiān)控系統(tǒng)的換熱監(jiān)控方法，按以下步驟依次進(jìn)行：

a、換熱系統(tǒng)1的制備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3的封裝：

換熱管單體的制備：根據(jù)待開采區(qū)域地?zé)崮軐?shí)際情況，調(diào)整純鈦與純鎳的比例，本實(shí)施例中鈦與鎳的質(zhì)量比為：wti%：wni%=45%：55%，熔煉純鈦與純鎳制得鈦鎳金屬絲，利用鈦鎳合金記憶金屬的全程記憶效應(yīng)，將碳纖維和鈦鎳金屬絲混紡編制成不同直徑規(guī)格的若干根換熱管單體；換熱管的制備與封裝：將5~10根直徑由小至大的換熱管單體套設(shè)在一起，制得換熱管11；將換熱管11放置于換熱封裝套管12側(cè)壁的空腔內(nèi)，將溫度傳感器21、流速傳感器22與真空度檢測(cè)器23分別對(duì)應(yīng)設(shè)置于換熱封裝套管12的內(nèi)壁、外壁與空腔內(nèi)，將數(shù)據(jù)線分別與溫度傳感器21、流速傳感器22與真空度檢測(cè)器23電氣連接后設(shè)置于數(shù)據(jù)線集線管13內(nèi)，最后將換熱管11封裝，換熱封裝套管12空腔內(nèi)呈真空態(tài)，并將換熱封裝套管12下端面密封，留待后步使用；

b、地?zé)崮芴綔y(cè)及鉆井：

采用地?zé)崮芴綔y(cè)設(shè)備對(duì)地表下干熱巖層地?zé)崮軆?chǔ)量進(jìn)行探測(cè)，本實(shí)施例中采用的干熱巖層地?zé)崮軆?chǔ)量進(jìn)行探測(cè)裝置為：v8，選擇地?zé)崮軆?chǔ)量大的區(qū)域，采用石油鉆井設(shè)備在選出的區(qū)域上鉆井，鉆井深度為2000米~6000米，本實(shí)施例中實(shí)際鉆井深度為4000米，在鉆好的井的內(nèi)壁中設(shè)置護(hù)井套管7；將上步封裝好的換熱管11和換熱封裝套管12放置于護(hù)井套管7內(nèi)，設(shè)置于換熱封裝套管12外壁的溫度傳感器21通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3將采集的溫度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4通過顯示模塊5顯示換熱封裝套管12外壁不同階段的溫度；

c、換熱介質(zhì)填充與抽取的控制：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4控制將控制信號(hào)分別傳送至抽液泵16與注液控制閥17，控制模塊6控制抽液泵16與注液控制閥17開啟或關(guān)閉，使換熱封裝套管12中的換熱介質(zhì)的體積達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡；通過抽液泵16將換熱后的高溫?fù)Q熱介質(zhì)從抽液管5抽出換熱封裝套管12，即獲得攜帶有高溫地?zé)崮艿膿Q熱介質(zhì)；

d、地?zé)崮艿慕粨Q與監(jiān)控：

控制模塊6控制注液控制閥17開啟，通過注液管14向換熱封裝套管12中加注低溫?fù)Q熱介質(zhì)，本實(shí)施例中采用的換熱介質(zhì)為水；低溫水通過注液管14注入換熱封裝套管12底部，由于換熱封裝套管12底部處于干熱巖層位置較深處，所以外層干熱巖溫度高于換熱封裝套管12內(nèi)水的溫度，換熱管11中換熱管單體之間的縫隙減小，換熱管1緊貼巖層，增大與熱源的接觸面積，低溫水通過換熱管1快速吸熱；控制模塊6控制注液控制閥17持續(xù)開啟，控制模塊6控制注液控制閥17調(diào)整注液速度，低溫?fù)Q熱介質(zhì)在換熱封裝套管12管腔內(nèi)通過換熱管11與外界高溫干熱巖換熱，通過注液管14向換熱封裝套管12內(nèi)持續(xù)注入低溫水，換熱封裝套管12中低溫水同時(shí)與干熱巖層和高溫水換熱，新注入的低溫水升溫，換熱封裝套管12中液面不斷上升，當(dāng)換熱封裝套管12中水的溫度高于外界干熱巖層的溫度時(shí)，換熱管1中換熱管單體之間的縫隙增大，換熱管單體之間形成真空隔離層，高溫水向外界散熱減少，高溫水中的熱量不易流失至外界環(huán)境。換熱過程中：設(shè)置于換熱封裝套管12內(nèi)壁的流速傳感器22通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3將采集的流速信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4通過顯示模塊5顯示換熱封裝套管12內(nèi)換熱介質(zhì)不同階段的流速；設(shè)置于換熱封裝套管12內(nèi)壁的溫度傳感器21通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3將采集的溫度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4通過顯示模塊5顯示換熱封裝套管12內(nèi)壁不同階段的換熱介質(zhì)的溫度；換熱介質(zhì)換熱過程中，設(shè)置于換熱封裝套管12空腔內(nèi)的真空度檢測(cè)器23通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3將采集的真空度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4通過顯示模塊5顯示換熱封裝套管12內(nèi)的真空度。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。