一种热对流型地热田开发与保护模拟系统及模拟方法与流程

1.本发明涉及热量测量领域，且更确切地涉及一种热对流型地热田开发与保护模拟系统及模拟方法。


背景技术：

2.根据地热资源的性质和赋存状态,可将地热系统分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型5种类型。蒸汽型和热水型统称为水热型,是目前开发利用的主要对象；地压型在自然界中较为少见,但其能量潜力巨大,除了热能以外,往往还储存有甲烷之类的化学能及高压所致的机械能，有较大的利用价值;干热岩型和岩浆型类潜在价值也很大,但其开发利用也有待于地热开采经济技术条件的提高。
3.地热田，是指现代地壳内占有一定空间位置，有利地质构造部位、具有一定的物理特性(温度、压力、相态)和特殊化学组分的地下热水和蒸汽。同时是大量富集的地域，可通过钻井钻取的合理深度内，可供经济利用的地热区。它一般包括热储、盖层、热流体通道和热源四大要素，是具有共同的热源，形成统一热储结构，可用地质、物化探方法圈闭的特定范围。
4.对于热对流型地热田而言，地热资源是一种廉价、洁净的资源。中低温对流型地热系统指温度低于150℃、地下深处没有年轻岩浆活动作为附加热源、在正常或略为偏高的区域热背景条件下，出现在孔隙-裂隙介质或断裂破碎带中的地下热水环流系统，其在自然界分布较为广泛。地温异常的形成和地温场的变化是地壳深部的均匀热流上升至浅部时,因构造造成的岩石热导率侧向差异而形成的,是不均一传导传递的结果，分析热田中热对流传递方式的存在具有重要的显示意义。由于热对热型地热在实际地矿条件中难以实现实地测量与分析，因此如何实现热量测量的模拟与分析成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述技术的不足，本发明公开一种热对流型地热田开发与保护模拟系统及模拟方法，能够根据热量测量实现地热田资源的开发、保护与应用，大大提高了资源保护应用能力，增加了土地资源利用率和保护能力。
6.为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种热对流型地热田开发与保护模拟系统，其中包括：热量产生装置，用于产生热对流型蒸气热量输出，以提供试验室环境下热量模拟信息的输出；热量转换模块，用于将热量产生装置产生的热量信息转换为数据信息，以实现热量的分析；将宏观数据量转换为模拟数据量以实现热量分析与应用；热量提取模块，用于提取热量产生装置输出的数据信息，以将待分析的热量数据信息特征通过反映热量温度、对流、热平衡性或者对流循环实现热量信息特征输出；热量分析模型，用于分析热量提取模块所提取的热量数据信息，以实现热对热型
地热产生温度受外界因素影响能力分析；第一模拟控制终端，用控制热量产生装置输出的温度数据信息；第二模拟控制终端，用于控制热量产生装置、热量转换模块、热量提取模块、热量分析模型或者热量分析模型的工作状态，以实现不同模块的工作；显示模块，用于显示热对流型地热田热量信息的模拟输出；其中热量产生影响因素模型与热量产生装置连接，并且热量产生影响因素模型受第一模拟控制终端的控制，进而输出不同类型影响下的地热数据信息；所述热量产生装置的输出端与热量提取模块的输入端连接，所述热量提取模块的输出端与热量转换模块的输入端连接，所述热量转换模块的输出端与第二模拟控制终端的输入端连接，所述第二模拟控制终端与热量分析模型、第一模拟控制终端和显示模块连接。
7.作为本发明进一步的技术方案，所述热量产生装置包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的热电偶阵列模块、电源模块、散热模块、档位模块和热量滤除模块，其中档位模块与热量滤除模块连接。
8.作为本发明进一步的技术方案，所述主控芯片为基于cn3704芯片控制的电源模块。
9.作为本发明进一步的技术方案，所述档位模块包括第一档位、第二档位和第三档位，其中所述第一档位输出0-140
°
温度，所述第二档位输出140
°‑
200
°
温度，所述第二档位输出200
°
以上温度。
10.作为本发明进一步的技术方案，所述热量滤除模块包括地热介质参数模块，并且所述热量滤除模块输出数据为第一档位、第二档位或者第三档位输出数据信息减去热介质参数模块消耗热量信息。
11.作为本发明进一步的技术方案，所述热量转换模块为基于uta6905芯片控制的热量转换模块，所述热量提取模块包括plc控制器和与所述plc控制器连接的换热器、热泵和回水管。
12.作为本发明进一步的技术方案，所述热量分析模型包括参数输入模块、对流数学模型、对流计算模块、对流分析模型和对流输出模块，其中所述参数输入模块的输出端与对流数学模型的输入端连接，所述对流数学模型的输出端与对流计算模块的输入端连接，所述对流计算模块的输出端与对流分析模型的输入端连接，所述对流分析模型的输出端与对流输出模块的输入端连接。
13.作为本发明进一步的技术方案，第一模拟控制终端为adsp-bf533处理器，第二模拟控制终端为基于arm dsp双核处理器的控制单元。
14.一种热对流型地热田开发与保护模拟方法，其中一种热对流型地热田开发与保护模拟方法，包括以下步骤：步骤一、通过热量产生装置产生热对流型蒸气热量输出，以提供试验室环境下热量模拟信息的输出；在本步骤中，热量产生装置产生的热量分别为在以下因素下产生的热量信息：局部对流传热、传热系数、物体表面体积、平均对流系数、热阻或者热边界层厚度；步骤二、通过热量转换模块将热量产生装置产生的热量信息转换为数据信息，以实现热量的分析；将宏观数据量转换为模拟数据量以实现热量分析与应用；
在本步骤中，热量转换模块将提取的热量信息转换为能量信息，再通过能量信息转换电学数据信息或者数学分析信息；转换函数为：
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（1）在公式（1）中：q表示热量，单位为焦耳kj，c表示为水的比热容，单位为kj/（kg*℃），其中水取4.2，m表示为水量，单位为kg，
⊿
t为温度差；其中1kg饱和100℃蒸汽转换成 1kg开水放出 2737.6kj的热量；则试验室模拟地热量与热对热对流量之间的关系式为： （2）公式（2）中，
⊿
t表示100
°
的冷水温度，mz表示热对热过程中的蒸汽量，mk表示热对热过程中地热水层量；其中满足地表面应用的热水量时，通过以下函数表示： （3）公式（3）中，表示开水降到热水的温差数量，表示冷水升温至热水的温差，其中mk表示模拟试验过程中热对流型地热田散发出来的热量采集量，则mr表示地表层透设出热水量；根据热水量再次评估地质不同深度的水量；步骤三、通过热量提取模块提取热量产生装置输出的数据信息，以将待分析的热量数据信息特征通过反映热量温度、对流、热平衡性或者对流循环实现热量信息特征输出；在步骤中，提取热量进行热对流估算时，通过热传导的热欧姆定律实现热对流计算，输出函数为：热流量（w）= 对流传热系数（w/m2k）
×
物体表面积（m2）
×
（表面温度-流体温度）（k）
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（4）在公式（4）中，对流传热系数（w/m2k）
×
物体表面积（m2）表示为热导率，其中传热系数为单位面积的传热能力，传热系数为状态量，随着地址状况以及诸如流速、层流、湍流或者边界层介质或者水蒸气流动状态不同而改变状态，所述对流传热系数包括局部传热系数和平均传热系数；步骤四、通过热量分析模型分析热量提取模块所提取的热量数据信息，以实现热对热型地热产生温度受外界因素影响能力分析；在本步骤中，通过热量传导三维扩散方程实现外界因素影响能力分析，输出函数为：
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（5）其中公式（5）中，其中公式（5）中，
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（6）在公式（5）和（6）中，其中表示热对流型地质储层的无限域；表示热对流型地
质三维空间内laplace算子，表示热对流型地质层热对流量，、、为地质中热对流型地质储层具有不同介质密度，表示流体比热，表示流体体积热容量，表示热对流数据参数，表示热对流过程中水力传导系数；步骤五、通过显示模块显示热对流型地热田热量信息的模拟输出；作为本发明进一步的技术方案，局部传热系数表示地质层面上某个微小的局部传热系数，公式为：
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（7）平均传热系数表示地质层面上整个面整体的平均传热系数，公式为：
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（8）。
15.本发明有益的积极效果在于：区别于常规技术，本发明能够实现试验室环境下的热量测量，通过试验室环境模拟实现地热测试，并能够通过地热表面温度以及蒸汽温度之间的关系计算出如何进行地热应用，通过在试验室环境中搭接硬件架构，提高了热量环境模拟，进一步提高了热量测试程度，提高了地热田资源的开发、保护与应用能力。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：图1为本发明模拟系统架构示意图；图2为本发明中热量产生装置原理示意图；图3为本发明中图2中电源模块原理示意图；图4为本发明中热量分析模型架构示意图；图5为发明方法的流程示意图；图6为本发明热量分析的架构示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
18.对流型地热系统（convective geothermal system）是近地表水通过多孔透水通道渗透到地下深处，并在深处与热岩相遇,然后水和（或）蒸气等地热流体受力驱使上行，由此产生对流循环的系统。在对流环中，泄出地表或从岩层出流部分从大气源地下水得到补充。在水热对流系统中,绝大部分热量（以及质量）是由液态水和（或）蒸气通过高渗透率岩体的对流过程传递的。水热对流系统可分：蒸气为主的系统和液态水为主的系统，及其两者存在的过渡类型的两相系统。在该技术下，本发明包括以下方案：
如图1-图6所示，一种热对流型地热田开发与保护模拟系统，包括：热量产生装置，用于产生热对流型蒸气热量输出，以提供试验室环境下热量模拟信息的输出；热量转换模块，用于将热量产生装置产生的热量信息转换为数据信息，以实现热量的分析；将宏观数据量转换为模拟数据量以实现热量分析与应用；热量提取模块，用于提取热量产生装置输出的数据信息，以将待分析的热量数据信息特征通过反映热量温度、对流、热平衡性或者对流循环实现热量信息特征输出；热量分析模型，用于分析热量提取模块所提取的热量数据信息，以实现热对热型地热产生温度受外界因素影响能力分析；第一模拟控制终端，用控制热量产生装置输出的温度数据信息；第二模拟控制终端，用于控制热量产生装置、热量转换模块、热量提取模块、热量分析模型或者热量分析模型的工作状态，以实现不同模块的工作；显示模块，用于显示热对流型地热田热量信息的模拟输出；其中热量产生影响因素模型与热量产生装置连接，并且热量产生影响因素模型受第一模拟控制终端的控制，进而输出不同类型影响下的地热数据信息；所述热量产生装置的输出端与热量提取模块的输入端连接，所述热量提取模块的输出端与热量转换模块的输入端连接，所述热量转换模块的输出端与第二模拟控制终端的输入端连接，所述第二模拟控制终端与热量分析模型、第一模拟控制终端和显示模块连接。
19.在具体实施例中，热量产生装置能够输出不同温度和档位的温度数据信息，在热量转换模块的作用下，转换为计算机可以分析的语言，进而实现不同热量的信息转换，通过热量分析模块实现数据信息分析，进而实现热对热型地热的分析与模拟，通过第一模拟控制终端实现地热数据信息分析，第二模拟控制终端控制不同模块的具体分析，比如在间歇喷泉、沸泉、喷气孔、冒汽地面、水热爆炸等多种状况下实现热对热型能量输出与分析，通过实现不同形式下的地热分析状况，进而有效地利用不同层次的地热资源。
20.在上述实施例中，如图2所示，所述热量产生装置包括主控芯片以及与所述主控芯片连接的热电偶阵列模块、电源模块、散热模块、档位模块和热量滤除模块，其中档位模块与热量滤除模块连接。
21.在上述实施例中，如图3所示，所述主控芯片为基于cn3704芯片控制的电源模块。
22.电源系统为cn3704芯片控制，该芯片内部设有10个引脚，各引脚电路联合进行控制，主要由电容和电感调节电压，由二极管调整电路导通状态，使电源芯片合理分配热量，增强故障装置运行稳定性。cn3704电源芯片内部安装4.2v串联的锂电池，外接220v电压源进行充电。cn3704芯片主要由pwm降压模式管理集成电路组成，内设10个引脚电路，vg通过连接电容负责热量储存；chrg与done通过电阻与二极管串联联合控制电路的导通状态；eoc连接电阻r3，负责芯片电路的接地；con1和con2连接线路并联，完成电源线路的分流；vcc连接d4和电感，负责稳定电源状态；bat引脚与c4组成联合控制网络，完成芯片电路的输出；csp连接上接线路，负责电源信号直接传输；test连接下接电路负责芯片电路聚合。cn3704电源芯片10个引脚电路分别负责不同功能，又相互配合完成最终持续供能形式。
23.在上述实施例中，所述档位模块包括第一档位、第二档位和第三档位，其中所述第一档位输出0-140
°
温度，所述第二档位输出140
°‑
200
°
温度，所述第二档位输出200
°
以上温
度。
24.在上述实施例中，热量滤除模块包括地热介质参数模块，并且所述热量滤除模块输出数据为第一档位、第二档位或者第三档位输出数据信息减去热介质参数模块消耗热量信息。
25.所述地热介质参数模块为经由热传导介质、介质密度、热辐射、热传导或者热浮力影响下的热消耗介质。
26.在上述实施例中，热量转换模块为基于uta6905芯片控制的热量转换模块。
27.在上述实施例中，热量提取模块包括plc控制器和与所述plc控制器连接的换热器、热泵和回水管。
28.在上述实施例中，热量分析模型包括参数输入模块、对流数学模型、对流计算模块、对流分析模型和对流输出模块，其中所述参数输入模块的输出端与对流数学模型的输入端连接，所述对流数学模型的输出端与对流计算模块的输入端连接，所述对流计算模块的输出端与对流分析模型的输入端连接，所述对流分析模型的输出端与对流输出模块的输入端连接。如图2所示，其中热电偶阵列模块直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。在上述实施例中，第一模拟控制终端为adsp-bf533处理器。
29.在具体实施例中，采用adsp-bf533处理器实现热量信息采集与计算，其中的处理器为blackfin系列的计算芯片，通过16位嵌入式处理器，提高数据信息采集能力，将32位risc型指令集和双16位乘法累加（mac）信号处理模块有机地结合在一起，该芯片具有多种串口资源，比如uart口、spi口、串行口（sports）和pf口等，通过这些不同的数据接口能够实现多种数据信息 交互与传递。
30.在上述实施例中，第二模拟控制终端为基于arm dsp双核处理器的控制单元。
31.通过arm cortex应用处理的arm嵌入式处理器实现热量计量数据信息的控制与引用，该计量检定模块中，在主控芯片外部还连接有复位电路、晶振电路、ov7670模块、al422b模块、帧缓存储器、无线通讯模块、显示模块、计算机管理系统、cmos摄像头。通过上述模块设置，能够实现热量计量数据信息的获取，进而获取热量数据信息的获取与计量，该研究的arm cortex应用处理器是16/32位risc微处理，应用过程中可以应用的接口可以有sdio接口、sd卡接口、串口、网口、usb接口等，控制模块内存为128mb以上的ddb内存，具有256mb nand flash, 控制板s3c6410处理器能够支持nand flash、nor flash、sd卡等多种存储以及启动方式。
32.一种热对流型地热田开发与保护模拟方法，包括以下步骤：步骤一、通过热量产生装置产生热对流型蒸气热量输出，以提供试验室环境下热量模拟信息的输出；在本步骤中，热量产生装置产生的热量分别为在以下因素下产生的热量信息：局部对流传热、传热系数、物体表面体积、平均对流系数、热阻或者热边界层厚度；步骤二、通过热量转换模块将热量产生装置产生的热量信息转换为数据信息，以实现热量的分析；将宏观数据量转换为模拟数据量以实现热量分析与应用；在本步骤中，热量转换模块将提取的热量信息转换为能量信息，再通过能量信息转换电学数据信息或者数学分析信息；转换函数为：
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（1）在公式（1）中：q表示热量，单位为焦耳kj，c表示为水的比热容，单位为kj/（kg*℃），其中水取4.2，m表示为水量，单位为kg，
⊿
t为温度差；其中1kg饱和100℃蒸汽转换成 1kg开水放出 2737.6kj的热量；则试验室模拟地热量与热对热对流量之间的关系式为： （2）公式（2）中，
⊿
t表示100
°
的冷水温度，mz表示热对热过程中的蒸汽量，mk表示热对热过程中地热水层量；其中满足地表面应用的热水量时，通过以下函数表示： （3）公式（3）中，表示开水降到热水的温差数量，表示冷水升温至热水的温差，其中mk表示模拟试验过程中热对流型地热田散发出来的热量采集量，则mr表示地表层透设出热水量；根据热水量再次评估地质不同深度的水量；在具体实施例中，若蒸汽量为60kg冷水温度为20℃，则：由代入数据得= = 549kg，根据计算出来的具体数据量可以根据用户的需求进行应用。
33.其中满足地表面应用的热水量时，通过以下函数表示：
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（3）公式（3）中，表示开水降到热水的温差数量，表示冷水升温至热水的温差，其中mk表示模拟试验过程中热对流型地热田散发出来的热量采集量，则mr表示地表层透设出热水量；根据热水量再次评估地质不同深度的水量；在具体实施例中，比如在实验室环境下，例如，存在500kg开水，热水温度为60℃，冷水温度为10℃，则：由代入数据得：mr=500 =900kg；假设利用热对流型地热田内的热量进行煮饭，比如蒸米饭，则1kg大米蒸熟需要1675kj（400大卡）的热量，一块每小时产60kg饱和蒸汽的热对流型地热田蒸100kg的米蒸熟需要的多少时间，可以进行以下方法计算，比如饭蒸熟时的温度为100℃，则：100kg米蒸熟所需热量为167500kj，那么需要的蒸汽量为：m=167500/2737.6=61.1kg则需要将米饭蒸熟的时间为61.1/60*1=1.018小时，因此经历61分钟饭就熟了。通过这种实施例可以有效地应用热对热型地热田应用。同理，相同能量下可以通过其它应用。
34.步骤三、通过热量提取模块提取热量产生装置输出的数据信息，以将待分析的热
量数据信息特征通过反映热量温度、对流、热平衡性或者对流循环实现热量信息特征输出；在步骤中，提取热量进行热对流估算时，通过热传导的热欧姆定律实现热对流计算，输出函数为：热流量（w）= 对流传热系数（w/m2k）
×
物体表面积（m2）
×
（表面温度-流体温度）（k）
ꢀꢀꢀꢀ
（4）在公式（4）中，对流传热系数（w/m2k）
×
物体表面积（m2）表示为热导率，其中传热系数为单位面积的传热能力，传热系数为状态量，随着地址状况以及诸如流速、层流、湍流或者边界层介质或者水蒸气流动状态不同而改变状态，所述对流传热系数包括局部传热系数和平均传热系数；步骤四、通过热量分析模型分析热量提取模块所提取的热量数据信息，以实现热对热型地热产生温度受外界因素影响能力分析；在本步骤中，通过热量传导三维扩散方程实现外界因素影响能力分析，输出函数为：
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（5）其中公式（5）中，其中公式（5）中，
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（6）在公式（5）和（6）中，其中表示热对流型地质储层的无限域；表示热对流型地质三维空间内laplace算子，表示热对流型地质层热对流量，、、为地质中热对流型地质储层具有不同介质密度，表示流体比热，表示流体体积热容量，表示热对流数据参数，表示热对流过程中水力传导系数；步骤五、通过显示模块显示热对流型地热田热量信息的模拟输出；在具体实施例中，可以通过大屏幕led显示屏显示模拟输出结果，也可以通过计算机管理系统实现对流型地热田热量信息的模拟输出，进而提高数据信息的不同形式的分析与应用。
35.在上述实施例中，数学模型就是用数学语言描述地层流体渗流过程中的所有的力学物理现象的内在联系和运动规律的方程式。它是进行地层流体数值模拟的基础和发展流体数值模拟技术的关键。一个完整的数学模型包括控制方程和定解条件（初始条件、内外边界条件），它是近似于地层流体渗流系统的。在建立数学模型需要考虑流体渗流的区域及区域的几何特征、渗透性、储容性和渗流形式，还有描述的自变量和确定建模假设条件。本发明通过数学模型实现热对热流型不同数据信息的应用与转换。
36.在步骤三中，局部传热系数表示地质层面上某个微小的局部传热系数，公式为：
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（7）平均传热系数表示地质层面上整个面整体的平均传热系数，公式为：
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（8）
对流的热流量是根据对流传热系数、物体表面积、表面和流体的温度计算。对流传热系数包括局部对流传热系数和平均对流传热系数。对流的热流量是根据对流传热系数、物体表面积、表面和流体的温度计算。对流传热系数包括局部对流传热系数和平均对流传热系数。
37.对流传热系数包括局部对流传热系数和平均对流传热系数。因为对流传热系数由热边界层的厚度决定，所以，如果不同位置的厚度不同，对流传热系数也会随之改变。一般情况是用平均对流传热系数代替。求平均对流传热系数的方式，是计算整个面的局部对流传热系数的积分。对流传热系数由热边界层的厚度决定。而散热能力与表面积
×
对流传热系数成正比。在研究传热的时候，计算表面积难度稍大。比方说，如果表面上有许多条0.1mm左右的沟槽，从形状上来说，表面积会大出不少。但是，由于0.1
㎜
太过狭窄，温差会封闭在热边界层的内侧，基本起不到扩大表面积的效果。实际上，为了获得冷却效果，在散热器上形成沟槽的做法的确存在，不过，强制空冷虽然可以缩小热边界层的厚度，起到一定的效果，但自然空冷多数情况下效果不佳。
38.举个简单的例子，这就是泡澡与蒸桑拿的差别。蒸桑拿的时候，人能待在100℃的蒸汽中，但泡澡的时候，45℃就会觉得烫。蒸桑拿时，人之所以能够忍受蒸汽与体温之间约60℃的温差，正是因为对流传热系数不同。蒸桑拿时温差大，但空气的导热系数小，热流量小。而泡澡时虽然温差不大，但水的导热系数大，热流量大。也就是说，问题在于人体在一定的时间内获得了多少热量。但是，如果人动起来，无论是在空气还是在水中，传热系数都会猛增。这是因为运动会冲散热边界层，使热边界层的厚度缩小，从而提高热交换能力。 通过这种方式能够解释上述公式。
39.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。