一种岩心模型管内壁面绝热控制装置及方法与流程

本发明属于能源与环境领域，特别涉及一种岩心模型管内壁面绝热控制装置及方法。

背景技术：

保温与绝热是一种科学、高效的节能技术，使热量散发传导速度减慢的措施。保温措施越好，就越接近于绝热边界。目前隔热保温方法主要有两种，一种是使用保温材料或真空结构，保温材料一般是指导热系数小于或等于0.2的材料，保温材料产品种类很多,包括气凝胶毡、泡沫塑料、矿物棉制品、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩绝热制品、胶粉EPS颗粒保温浆料、矿物喷涂棉、酚醛泡沫塑料等，其原理是基于低导热系数的管壁结构减少热损失；另一种是使用管道外部加热的方法，通过外部加热来补偿热损失。

然而，在科学研究过程中，对于涉及管道与容器内存在流体热化学反应的现象，特别是对温度敏感问题研究，真正的绝热环境才能够完全排除热损失等因素的影响。这两种方法都无法形成真正的绝热边界条件。第一种方法中，使用低导热系数保温材料和真空结构只能部分降低热损失，除此之外，对于压力容器而言，本身材料的蓄热量就会造成热损；第二种方法中，由于外部加热功率的大小是通过主流温度来调节的，设置过高或过低分别会造成过度热补偿或者欠补偿现象，对于主流温度有变化的工况，更无法准确控制。

在热力采油模拟实验中，岩心模型管是形成地层高压环境和保证热流体注入的必要刚性约束，但由于驱替实验注入热流体流量小且岩心模型管本身的蓄热量很大，若不能进行热补偿会造成热量大量散失无法有效加热岩心的现象，现有的解决方法是直接将岩心模型管置于恒温箱体内并控制温度与注入热流体温度相同，但这种方法只能获得驱油效率，无法描述整个驱替过程的温度和压力的动态过程以及采出油品质变化的全过程，因此，研制一种能够实现岩心模型管内壁面完全绝热的控制方法对于实态模拟热力驱油过程中全过程热物理、热化学特征十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种岩心模型管内壁面绝热控制装置及方法，能够提供准确的绝热壁面边界条件。

为了达到上述目的，本发明装置采用如下技术方案：

包括控制器、开关以及分别安装在岩心模型管本体外壁面以及内壁面的第一温度传感器和第二温度传感器，

其中，第一温度传感器的正端与控制器的输入端的正端相连，第一温度传感器的负端通过开关与第二温度传感器的负端相连，控制器的输入端的负端与第二温度传感器的正端相连；

控制器的输出端连接加热装置，加热装置设置在岩心模型管本体上。

进一步地，第一温度传感器和第二温度传感器均采用K型铠装热电偶。

进一步地，第一温度传感器和第二温度传感器的连线与管壁相垂直。

进一步地，控制器为PID温度控制器。

进一步地，加热装置为均匀缠绕在岩心模型管本体外壁上的电加热带。

进一步地，开关采用单刀双掷开关；其中，第一温度传感器的正端与控制器的输入端的正端相连，第一温度传感器的负端与开关的动端相连；第二温度传感器的正端与开关的第一不动端相连，第二温度传感器的负端与开关的第二不动端相连，开关的第一不动端与控制器的输入端的负端相连。

进一步地，采用制冷装置替换加热装置，第一温度传感器的正端与控制器的输入端的负端相连，第一温度传感器的负端通过开关与第二温度传感器的负端相连，控制器的输入端的正端与第二温度传感器的正端相连。

进一步地，开关采用单刀双掷开关；其中，第一温度传感器的正端与开关的第一不动端相连，第一温度传感器的负端与开关的第二不动端相连；第二温度传感器的正端与控制器的输入端的正端相连，第二温度传感器的负端与开关的动端相连，开关的第一不动端与控制器的输入端的负端相连。

本发明绝热控制方法的技术方案是，包括以下步骤：

(1)测得岩心模型管本体外壁和内壁的温差信号ΔT，并传送给控制器；

(2)控制器接收温差信号ΔT，并与预设置信号Tset进行对比，控制加热装置的启停或功率大小，在岩心模型管本体内壁面上构建绝热边界条件。

进一步地，构建绝热边界条件中，预设置信号Tset的确定步骤包括：

(a)将岩心模型管本体看做一开口系统，岩心模型管本体内部为控制体，根据岩心模型管本体进出口流体的质量流量和焓值的时间积分计算进出口能量差，得到控制体净流入能量；

(b)根据实验前后岩心模型管本体内部控制体密度，比容和温差的计算控制体能量增量；

(c)绘制以预设值信号为横坐标，以控制体净流入能量与控制体能量增量间差值为纵坐标的曲线，曲线与横坐标的交点对应的预设值即为预设置信号Tset。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置中，通过在岩心模型管本体内、外壁面上布置温度传感器实现对内、外壁表面温度信号的采集，两路温度信号通过一个开关与控制器输入信号端相连，开关闭合后，两路信号并联，相当于外壁温度和内壁温度差信号输入控制器，在使用过程中，仅需根据绝热的要求，闭合开关，并设置相应的目标温度值即可。

进一步地，本发明通过采用单刀双掷开关，能够进行选择开关闭合位置，使得本发明装置能够在绝热边界控制模式的同时，还可以通过开关闭合位置的切换，控制器输入端信号为外壁温度，通过控制加热装置的启停或者功率大小使得外壁温度与控制器内部的预设温度值相等，从而实现恒温控制，在使用过程中，仅需根据恒温或绝热的要求，分别将开关置于不同位置，并设置相应的目标温度值即可。

进一步地，本发明不仅能够用于热流体管道壁面保温绝热，而且能够在将本体加热装置替换为制冷装置，同时将温度传感器接线方式改变后用于冷流体管道壁面保冷绝热。

本发明控制方法中，当开关闭合时，控制器输入信号为外壁温度和内壁温度差值，通过控制加热装置的启停或者功率大小，使得外壁温度和内壁温度差值与控制器内部的预设温度值相等，控制准确。

进一步地，本发明通过预实验结果获得岩心模型管本体内部控制体系统净流入能量与控制体能量净增量相等时的控制器预设值，从而实现内壁绝热控制，有效提高控制的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明用于保冷管道的结构示意图。

其中：1-岩心模型管本体，2-第一温度传感器，3-第二温度传感器，4-控制器，5-开关，6-加热装置，7-制冷装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明包括分别安装在岩心模型管本体1外壁面以及内壁面的第一温度传感器2和第二温度传感器3，其中，第一温度传感器2用于测量本体外壁面温度，第二温度传感器3用于测量本体外壁面温度。

第一温度传感器2和第二温度传感器3均有两个输出端，正端和负端。开关5为单刀单掷开关或单刀双掷开关。

开关5为单刀单掷开关时，第一温度传感器2的正端与控制器4的输入端的正端相连，第一温度传感器2的负端通过开关5与第二温度传感器3的负端相连，控制器4的输入端的负端与第二温度传感器3的正端相连。

开关5为单刀双掷开关时，第一温度传感器2的正端与控制器4的输入端的正端相连，第一温度传感器2的负端与开关5的动端相连；第二温度传感器3的正端与开关5的第一不动端相连，如图1中的I位置，第二温度传感器3的负端与开关5的第二不动端相连，如图1中的II位置；开关5的第一不动端与控制器4的输入端的负端相连。

控制器4连接加热装置6，加热装置6设置在岩心模型管本体1上。

测得的外壁温度为T2，内壁温度为T1。开关5的单刀能够掷于第一不动端和第二不动端两个位置，如图1所示的I位置和II位置。开关5的单刀掷于第一不动端时，控制器4接收信号为外壁温度信号T2，可以进行恒温边界控制；开关5的单刀掷于第二不动端时，相当于上述直接采用单刀单掷开关，此时控制器4接收信号为第一温度传感器2和第二温度传感器3的并联信号ΔT，也即内外壁温差信号，ΔT＝T2-T1，可以进行绝热边界控制。第一温度传感器2和第二温度传感器3的信号输出端与控制器4的信号输入端之间通过开关5相连。控制器4接收信号为第一温度传感器2和第二温度传感器3的输出信号，控制器4的输入信号为预设置信号。预设值信号为人工设置的目标值Tset。控制器4的输出端与本体加热装置6相连，控制加热装置6的启停或功率大小。

测量本体壁面温度的传感器根据流体温度范围选取热电偶，本发明中第一温度传感器2和第二温度传感器3均优选采用K型铠装热电偶。外壁温度测点的位置应选择与内壁距离最短的点，第一温度传感器2和第二温度传感器3的连线与管壁相垂直，此时两个温度测点与所在管道截面的中心点在一条直线上。

控制器4为PID温度控制器。

加热装置6为均匀缠绕在岩心模型管本体1外壁上的电加热带。

采用制冷装置7替换加热装置6，开关5为单刀双掷开关，此时第一温度传感器2的正端与开关5的第一不动端相连，第一温度传感器2的负端与开关5的第二不动端相连；第二温度传感器3的正端与控制器4的输入端的正端相连，第二温度传感器3的负端与开关5的动端相连，开关5的第一不动端与控制器4的输入端的负端相连。采用制冷装置7时，也可以直接采用单刀单掷开关，即开关处于II位置时。

本发明控制方法具有两种模式。开关处于I位置时，相当于外壁温度信号直接输入控制器，为恒温边界控制模式，预设值信号Tset为需要控制的恒定温度值；开关处于II位置时，两路信号并联，相当于外壁温度和内壁温度差信号输入控制器，为绝热边界控制模式，理论上应为0，实际需根据实验确定。

本发明恒温模式控制过程为：控制器4的输入端信号为外壁温度T2，通过控制加热装置6的启停或者功率大小使得外壁温度与控制器内部的预设温度值相等，从而实现恒温控制。

本发明绝热边界控制方法包括以下步骤：

(1)测得岩心模型管本体1外壁和内壁的温差信号ΔT，并传送给控制器4；

(2)控制器4接收温差信号ΔT，并与预设置信号Tset进行对比，控制加热装置6的启停或功率大小，在岩心模型管本体1内壁面上构建绝热边界条件。

确定绝热边界控制模式下预设值信号Tset的实验步骤包括：

(a)将岩心模型管本体1内部的岩心体系视为一开口系统，岩心沙及流体为控制体，根据岩心模型管本体1进出口流体的质量流量和焓值的时间积分计算进出口能量差，即控制体净流入能量；

(b)根据实验前后岩心模型管本体1内部控制体密度，比容和温差的计算控制体能量增量；

(c)绘制以预设值信号为横坐标，以控制体净流入能量与控制体能量增量间差值，即散热量，为纵坐标的曲线，曲线与横坐标的交点对应的预设值即为需要人工设置的预设置信号Tset。

本发明原理可用于保冷管道的绝热边界控制方法。具体地(1)使用本体制冷装置替换本体加热装置；(2)改变温度传感器的输出信号接线，如图2所示，开关处于I位置时，控制器接收信号为T1；开关处于II位置时，控制器接收信号为外壁和内壁热电偶的并联信号ΔT，ΔT＝T1-T2。

实施例1

将本发明用于蒸汽驱过程岩心管壁面边界条件控制，测量岩心模型管本体1的外壁面和内壁面温度的第一温度传感器2和第二温度传感器3均使用K型铠装热电偶，控制器4为PID温度控制器，开关5为单刀双掷开关，本体的加热装置6为均匀缠绕在岩芯管外壁上的电加热带。

将岩心模型管本体1内部的岩心体系视为一开口系统，岩心的砂及流体为控制体，岩心模型管本体1入口和出口质量流量分别为Qin和Qout，岩心模型管本体1入口和出口流体焓值分别为hin和hout，实验开始时和结束时岩心模型管本体1内部流体密度ρi和ρf，实验开始时和结束时岩心模型管本体1内部流体焓值为hi和hf，实验开始时和结束时岩心模型管本体1内部温度为Ti和Tf，岩心模型管本体1内部固体材料质量和比热容分别为ms和cs，时间为t，岩心模型管本体1内部液体体积为Vp，通过岩心模型管本体1内壁向外部的散热量为q。则∫Qinhint-∫Qouthoutt为控制体的进出口能量差，即控制体净流入能量，(ρfhf-ρihi)Vp+mScS(Tf-Ti)为控制体能量增量，则根据质量守恒原理和能量守恒原理可得如下方程1和2：

∫Qin t-∫Qout t＝ρfVp-ρiVp (1)

q＝∫Qinhin t-∫Qouthout t-(ρfhf-ρihi)Vp-mScS(Tf-Ti) (2)

q>0为欠补偿，即注入流体热量向外散失，q<0为过补偿，即加热装置6向本体内部补偿热量，q＝0为绝热条件。首先，通过实验结果计算质量守恒方程1等式左右两边的结果，方程1成立则说明实验过程正确无误；然后，通过实验测得控制器4的设定值与散热量q的关系曲线，找出q＝0对应的温差设定值，即为Tset2。

在蒸汽驱实验开始前，将开关5置于I位置，在控制器4输入预设置信号Tset，若目标油藏地层温度为Tset1，则取Tset＝Tset1，控制岩心模型管本体1内部形成恒温条件，等效于在岩心模型管本体1壁面构建恒温边界条件。在蒸汽驱实验开始后，将开关5置于II位置，在控制器4输入预设置信号Tset，Tset＝Tset2，在热传导和热对流的综合作用下，岩心模型管本体1内壁面温度T1大于T2，控制器4根据温差信号ΔT，ΔT＝T2-T1，控制启动本体加热装置6，此时等效于在岩心模型管本体1内壁面上构建了绝热边界条件。测试结果显示本方法构建的绝热边界条件，热不平衡量与总注入热量的比值，即误差，不超过5％。

本发明岩心模型管本体1外壁与内壁的温度传感器输出信号通过开关5与控制器输入信号端相连，控制器输出端与岩心模型管本体1上的加热装置6相连，控制加热装置6的启停和加热功率大小。当开关处于I位置时，在本体壁面形成以控制器预设值信号为基准的恒温度边界，当开关处于II位置时，通过实验结果获得本体内部控制体系统净流入能量与控制体能量净增量相等时的控制器预设值，此时在本体内壁面形成绝热边界。本发明不仅能够用于热流体管道壁面保温绝热，而且能够在将本体加热装置替换为制冷装置和将温度传感器接线方式改变后用于冷流体管道壁面保冷绝热。