一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统
阅读说明：本技术 一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统 (Direct condensation type geothermal fluid vapor-liquid ratio measuring system ) 是由 谢迎春 刘军 张航 王宗满 李玲 蒋执俊 李斌 孙国强 于 2021-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统,包括地热流体循环系统和冷却水循环系统,在地热流体循环系统的热源出口端直接设置冷凝器。本发明克服现有技术的不足之处,打破了传统的先气液分离再冷凝测量的模式,无须进行气液分离的过程,直接将生产井产出的地热流体冷凝为过冷液体,管路输送过程多为纯液状态,解决了两相流体输送困难的问题；另外测量的流量值均为纯液和纯气状态,能够更为精准的测出地热流体的汽液比例,系统结构简单、初投资低、适用范围广,有效提高了地热流体汽液比例测量的准确率,解决现有系统中存在的两相地热流体输送困难、压损严重、测量准确率低、系统复杂等技术问题。(The invention relates to a direct condensation type geothermal fluid vapor-liquid ratio measuring system which comprises a geothermal fluid circulating system and a cooling water circulating system, wherein a condenser is directly arranged at a heat source outlet end of the geothermal fluid circulating system. The invention overcomes the defects of the prior art, breaks through the traditional mode of gas-liquid separation and recondensing measurement, directly condenses the geothermal fluid produced by the production well into supercooled liquid without the process of gas-liquid separation, and solves the problem of difficult two-phase fluid conveying because the pipeline conveying process is mostly in a pure liquid state; in addition, the measured flow values are in pure liquid and pure gas states, the vapor-liquid ratio of the geothermal fluid can be measured more accurately, the system is simple in structure, low in initial investment and wide in application range, the accuracy of the vapor-liquid ratio measurement of the geothermal fluid is effectively improved, and the technical problems that the two-phase geothermal fluid in the existing system is difficult to convey, serious in pressure loss, low in measurement accuracy, complex in system and the like are solved.)
技术领域
本发明属于能源工程领域，涉及地热资源开采利用技术，尤其是一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统。
背景技术
地热资源具有储量大、分布广、稳定可靠、可利用率高等特点，已成为当前新能源开发的重点，现在多用于地热供暖和地热发电领域，而地热发电性能受生产井地热流体汽液比例的影响较大。
地热生产井井口产出的地热流体通常为由不凝性气体、水蒸汽和地热水组成的气液两相，其中地热水的含量影响着地热水在管道内的流动过程，地热水含量高，流动阻力较大，热量损失较大；用于地热发电的热量主要为地热流体中水蒸汽携带的热量，其影响着地热井的产能效益和发电机组的设计；不凝性气体的含量对地热发电的换热器的性能以及发电机组排气系统的设计有着显著影响，并且地热水、水蒸汽和不凝性气体的热力学性质和热物性参数的差异较大，若不能确定地热井口产出的地热流体各组分的占比，直接用其作为热源进行发电会影响发电机组的安全性和发电性能。
为解决上述技术问题，业内提出了将井口地热流体先闪蒸分离再冷凝的方法，通过监测井口处、气液分离器后和冷凝后的温度、压力和流量值测得各组分的比例，其缺点是生产井产出的两相地热流体输送较为困难、压损严重，并且气液分离器过程改变了出口处地热流体的热力状态，同时无法保证闪蒸分离器的效率为100％，进而导致测得地热流体汽液比例不准确，而且现有系统的温度、压力和流量等参数的监测模块较多，系统复杂，初投资高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统，该系统无须进行气液分离的过程，直接将生产井产出的地热流体冷凝为过冷液体，管路输送过程多为纯液状态，解决了两相流体输送困难的问题，另外测量的流量值均为纯液和纯气状态，能够更为精准的测出地热流体的汽液比例，并且系统结构简单、初投资低、适用范围广，有效提高了地热流体汽液比例测量的准确率，解决现有系统中存在的两相地热流体输送困难、压损严重、测量准确率低、系统复杂等技术问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统，包括地热流体循环系统和冷却水循环系统，在地热流体循环系统的热源出口端直接设置冷凝器，该冷凝器通过冷却水循环系统循环提供冷却水，所述地热流体循环系统和冷却水循环系统在冷凝器中完成换热过程。
而且，所述的地热流体循环系统包括生产井，该生产井的热源出口端连接所述的冷凝器，在冷凝器与生产井的热源出口端之间设置有热端入口温度传感器及热端入口压力传感器，冷凝器的出口端通过地热水增压泵连接至回灌井，在冷凝器的出口端设置有热端出口温度传感器和热端出口压力传感器。
而且，所述的冷却水循环系统包括冷却塔，冷却塔的冷却水出口端连接至冷凝器入口端，冷凝器的回流水通过冷凝器出口经冷却水增压泵回流至冷却塔中，在冷凝器入口端设置有冷凝入口温度传感器，冷凝器出口端设置有冷凝出口温度传感器。
而且，在冷凝器的壳程上设置有不凝气出口，在该气体出口端设置有不凝性气体流量计，不凝性气体流量计的出口与大气相连。
而且，在生产井的热源出口端设置有流量调节阀，在回灌井的入口端地热水增压泵的前端设置有地热水流量计。
而且，在冷却塔的冷却水出口端设置有冷却水流量计。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明所提供的直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统将地热流体通入的是冷凝器的壳程，解决了现有技术中两相流流动困难、压损严重的问题，同时也增加了测量系统结果的准确性。
2、本发明所提供的直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统在系统入口处装有流量调节阀，可控制进入系统的地热流体的流量和压力值，在冷凝器面积允许的情况下，可测量的地热流体的干度范围更广，系统适用性更强。
3、本发明所提供的直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统无须使用气液分离器，消除了气液分离器过程对生产井出口地热流体热力参数的影响，进一步提高了汽液比例测量的准确性。
4、本发明所提供的直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统只需监测冷凝器进出口处的压力、温度等参数值以及冷却水循环系统的温度、流量值即可求得地热流体中不凝性气体、水蒸汽和地热水的占比，系统结构简单，初投资低。
5、本发明所提供的直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统可配套计算软件，将采集到的地热流体温度、压力等参数接入软件中可直接计算出地热流体中各组分的占比，操作简单，使用方便，适用性强。
6、本发明设计科学合理，所提供的直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统打破了传统的先气液分离再冷凝测量的模式，将生产井中的地热流体直接通入到冷凝器中进行冷凝，使得地热流体中的水蒸汽和地热水被完全冷凝为过冷液体，再进行流量、温度、压力等热力参数的测量，通过理论计算的方式得到地热流体的干度值，进而得到水蒸汽和地热水的比例，准确率更高。
附图说明
图1为本发明直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统结构图；
图2为本发明地热流体热力参数图；
其中，1、生产井 2、流量调节阀 3、热端入口温度传感器 4、热端入口压力传感器5、冷凝器 6、热端出口温度传感器 7、热端出口压力传感器 8、地热水流量计 9、地热水增压泵 10、回灌井 11、冷却塔 12、冷却水流量计 13、冷凝入口温度传感器 14、冷凝出口温度传感器 15、冷却水增压泵 16、不凝性气体流量计。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统，如图1所示，包括地热流体循环系统和冷却水循环系统，所述地热流体循环系统包括生产井1、流量调节阀2、热端入口温度传感器3、热端入口压力传感器4、热端出口温度传感器6、热端出口压力传感器7、地热水流量计8、地热水增压泵9和回灌井10组成；所述冷却水循环系统由冷却塔11、冷却水流量计12、冷凝入口温度传感器13、冷凝出口温度传感器14和冷却水增压泵15组成；所述地热流体循环系统和冷却水循环系统在冷凝器5中完成换热过程，所述地热流体循环系统携带的不凝性气体在冷凝器5的壳程中分离，并由不凝性气体流量计16测量其流量。
其中，地热流体循环系统中，生产井1的热源出口与流量调节阀2的入口相连；流量调节阀2的出口管路上设置有热端入口温度传感器3和热端入口压力传感器4，热端入口压力传感器4的出口与冷凝器5的热端入口相连；冷凝器5的热端出口管路上设置有热端出口温度传感器6和热端出口压力传感器7，热端出口压力传感器7的出口与地热水流量计8的入口相连；地热水流量计8的出口管路上设置有地热水增压泵9，地热水增压泵9的出口与回灌井10相连；冷却水循环系统中，冷却塔11的出口管路上依次设置有冷却水流量计12和冷凝入口温度传感器13，冷凝入口温度传感器13的出口与冷凝器5的冷凝入口相连；冷凝器5的冷凝出口管路上设置有冷凝出口温度传感器14和冷却水增压泵15，冷却水增压泵15的出口与冷却塔11的入口相连；冷凝器5壳程的气体出口与不凝性气体流量计16的入口相连，不凝性气体流量计16的出口与大气相连。
具体地，对于直接冷凝式地热流体汽液比例测量系统，其工作过程和工作原理如下：
由生产井1产出的地热流体，经过流量调节阀2流至冷凝器5的壳程，与冷却水循环系统中的冷却水进行换热，流至冷凝器5前，依次经过热端入口温度传感器3和热端入口压力传感器4，分别测得从生产井1流出的地热流体的压力和温度，进而可由此获得此温度和压力下，饱和蒸汽和饱和液体的热力参数值；换热完成后的地热流体中的水蒸汽被完全冷凝为过冷水，流出冷凝器5壳程液体出口的地热流体成分为过冷水，接着依次经过热端出口温度传感器6、热端出口压力传感器7、和地热水流量计8，分别测得过冷水的温度、压力和流量值，进而确定过冷水的焓值，过冷水在地热水增压泵9的作用下进入回灌井10，完成地热流体循环过程；不凝性气体从冷凝器5壳程的气体出口通过不凝性气体流量计16流向大气，可在此处测得地热流体中不凝性气体的流量，进而计算出不凝性气体的占比。由冷却塔11流出的冷却水依次经过冷却水流量计12和冷凝入口温度传感器13进入冷凝器5的管程与地热流体循环系统中的地热流体完成换热过程，换热后的冷却水在冷却水增压泵15的作用下从冷凝出口经过冷凝出口温度传感器14进入冷却塔11中，完成冷却水循环过程，其中，由冷却水流量计12、冷凝入口温度传感器13和冷凝出口温度传感器14测得的冷却水流量、冷凝入口温度和冷凝出口温度值，可算出冷却水在冷凝器5中的换热量，即地热流体在冷凝器5中的换热量，进而可求出地热流体的焓值，从而可获得地热流体的干度，得到地热流体在水蒸汽和地热水的占比。
具体地，如图2所示，点3为生产井1流出的地热流体状态点，点1为点3的饱和液状态点，点2为点3的饱和气状态点，点4为从冷凝器5冷凝后的过冷液体状态点。该测量系统通过热端入口温度传感器3和热端入口压力传感器4的测得的温度T3和压力P4，从而可通过查压焓图表确定点1和点2的焓值h1和h2；通过热端出口温度传感器6和热端出口压力传感器7测得的温度T6和压力P7通过查压焓图表确定了4点的焓值h4，并且可由地热水流量计8测得过冷水的流量mgeothermalwater。此外，冷却水流量计12、冷凝入口温度传感器13和冷凝出口温度传感器14测得的冷却水流量mcoolingwater、冷凝入口温度T13和冷凝出口温度值T14，可以由公式(4)计算出冷凝器冷却水进出口的焓差Δh。考虑冷凝器的换热损失，这里假设为3％，根据公式(5)可计算出点3的焓值，通过公式(6)则可计算出状态点3的干度，进而可得到地热流体中水蒸汽和地热水的含量。
h1＝f(T＝T3,x1＝1) (1)
h2＝f(T＝T3,x1＝0) (2)
h4＝f(T＝T6,P＝P7) (3)
Δh＝c*(T14-T13) (4)
(1+3％)Δh*mcoolingwater＝(h3-h4)*mgeothermalwater (5)
h3＝h2*(1-x3)+h1*x3 (6)
式中，T3为生产井1流出的地热流体的温度，℃；T6为冷凝后饱和水的温度，℃；T13为换热前冷凝水的温度，℃；T14为换热后冷凝水的温度，℃；P7为冷凝后饱和水的压力，Pa；mcoolingwater为冷却水的质量流量，kg/s；mgeothermalwater为地热水的质量流量，kg/s；h1为T3温度下，饱和水的焓值，kJ/kg；h2为T3温度下，饱和蒸汽的焓值，kJ/kg；h3为生产井1流出的地热流体的焓值，kJ/kg；h4为冷凝后过冷水的焓值，kJ/kg；Δh为冷凝器冷却水的进出口焓差，kJ/kg；c为水的比热容，为4.2kJ/(kg·℃)；x1为饱和水的干度；x2为饱和蒸汽的干度；x3为地热流体干度。
对于不凝性气体的占比，可通过不凝性气体流量计16测得不凝性气体的流量mgas和地热水流量计8测得过冷水的流量mgeothermalwater，进而可由公式(7)求得不凝性气体的占比ε。
ε＝mgas/(mgas+mgeothermalwater) (7)
式中，mgas为不凝性气体的质量流量，kg/s；mgeothermalwater为地热水的质量流量，kg/s；ε为不凝性气体的占比。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。
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