用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法和装置与流程

1.本发明涉及电阻加热技术领域，具体而言，涉及一种用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法和装置。


背景技术：

2.电阻加热技术是一种可用于原位修复治理有机污染土壤和地下水的主流技术，具有修复周期短、去除率高、适用范围广和二次污染可控等优点，在国外已被广泛商业化应用。近年来，电阻加热技术在国内逐步受到关注和重视，但目前该技术仍处于起步阶段，大多数研究多为室内小试模拟研究，实际的工程应用案例稀少，缺乏相关的工程经验。
3.电阻加热是基于焦耳定律(q＝i2rt)，通过在地下埋设电极，让电流在电极之间流动，以土壤自身为电阻发热，使土壤和地下水升温。通过调节电极输入功率的大小，可控制土壤的升温速率的快慢，以满足升温或保温需求。根据功率公式p＝u*i可知，电极输入功率取决于输入的电压和电流，因此，电阻加热技术的运行工况关键参数是输入电压和输入电流。这两个参数决定了隔离调压器、可控硅和电缆等电阻加热所需设备和材料的规格选型。
4.根据欧姆定律i＝u/r，电极输入的电压和电流，又与电路中的土壤电阻和电极布局(相当于多个土壤电阻并联)有关。表1为不同土壤的电阻率参考值对照表，如表1所示，不同类别的土壤，其土壤电阻率差异较大，甚至能相差几十至上百倍；土壤电阻率又受土壤含水量的影响，同类型的土壤，若含水量不同，例如分别位于包气带和饱和带，其电阻差异也很显著；此外，污染场地的土壤，其电阻率还会受到排放污染物的影响，例如地下水含盐碱，其污染物本身或分解产物会提高土壤的导电性。
5.表1不同土壤的电阻率参考值对照表
[0006][0007]
我国幅员辽阔，南北方土壤类型和含水率差异显著，特别是污染场地土壤，由于污染情况和生产历史的多样性，各个场地的土壤电阻情况很难准确把握，进而在电阻加热的工程方案设计中，难以确定输入电压、输入电流等关键的运行工况参数，容易导致设备和材料规格选型不符合要求，造成资源浪费增加成本或者不能满足加热需求等问题。因此，迫切需要一种能够进行预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法和装置，以便科学合理的进行设备材料选型，在满足需求的同时降低投入成本。


技术实现要素：

[0008]
为解决上述问题，本发明提供一种用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法和装置，通过划分测试区块、根据土壤类型及深度位置选定电极井进行电阻测定，计算出工程所需土壤加热的参数值，较为准确的确定各设备与材料的型号规格，既能满足现场实施的需求，又不会出现资源浪费而增加成本的情况。
[0009]
为达到上述目的，本发明提供了一种用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法，其包括：
[0010]
步骤s1：将整体待测区域按照包气带和饱和带，再进一步的按照不同土壤类型，划分为不同的测试区块，并测量各测试区块的土壤含水率与电导率；
[0011]
步骤s2：在各测试区块按照正三角形或正六边形布局建设多个电极井，并根据所要进行加热修复的范围的下边界位置，确定每个电极井深度；
[0012]
步骤s3：根据不同测试区块所测得的土壤含水率与电导率选择对应电极井，将多个电极分别埋放至选定的电极井底部，其具体为：
[0013]
仅按所要进行加热修复土壤类型，在每种类型的土壤中选取至少3个电极井为一组，将与选取的电极井数量相同的电极分别埋放至选定的电极井底部；以及
[0014]
按所要进行加热修复土壤位置深度，分别在同一土壤类型的包气带和饱和带选取
至少3个电极井为一组，将与选取的电极井数量相同的电极分别埋放至选定的电极井底部；
[0015]
步骤s4：每个电极通过对应线缆连接至隔离调压器的输出端，给电极通电后，通过钳形电流表测定每个电极的输入电流，分别计算每一组电极井相应的电阻平均值r
平均值n
并记录，其中n为大于0的正整数；
[0016]
步骤s5：根据所有电阻平均值的结果，并结合下式(1)～(2)分别计算满足电极输入功率p的需求的每一组所在区域进行加热修复所需的输入电压un和输入电流in的最大值，其中，电极输入功率p为预设值，
[0017]
p＝i
n2
*r
平均值n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]
un＝in*rnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]
步骤s6：根据输入电压un和输入电流in的最大值确定实际电加热修复时所需的隔离调压器、可控硅及电缆的型号与规格。
[0020]
在本发明一实施例中，其中，步骤s2中的每个电极井的直径为10～30厘米，每两个电极井之间的间距为3～10米。
[0021]
在本发明一实施例中，其中，步骤s4中连接电极的每条电缆上均设置一开关，且隔离调压器的输出为交流电。
[0022]
在本发明一实施例中，其中，步骤s5中电极输入功率p的预设值为1～5kw/m。
[0023]
为达到上述目的，本发明提供了一种用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的装置，用于执行前述方法，其包括：
[0024]
一隔离调压器，其输入端电性连接外部380v交流供电线路中；
[0025]
多个电极，用于插入待修复地层的土壤中；
[0026]
多条电缆，分别连接到每个电极与所述隔离调压器的一个输出端之间；
[0027]
多个开关，分别设置于每条电缆上。
[0028]
在本发明一实施例中，其中，所述隔离调压器输出电压的范围为0～800v；每条电缆的最大电流负载为0～92a。
[0029]
在本发明一实施例中，其中，每个电极为管状可拼接电极，其材质为金属，每个电极的顶部设置有外丝，每个电极的底部设置有内丝，两个电极能够通过对应的内丝与外丝的螺纹丝接而连接到一起；每个电极的侧壁设置有电缆固定螺栓，用于连接固定电缆接头。
[0030]
在本发明一实施例中，其中，所述电极还配置有电极盖，所述电极盖的顶部设有吊环，用于施工时吊装电极，所述电极盖的内部还设置有与电极的外丝对应的内丝，用于盖合于电极顶端。
[0031]
本发明提供的用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法和装置，与现有技术相比其的主要优点包括：
[0032]
(1)通过预评估方法所得到的运行工况参数为实测结果，消除了土壤类型、含水率、电路布局等多种因素的干扰，结果准确度高，有效克服了理论计算不准确的难题，结果更具指导意义，使后续的电阻加热方案设计和设备材料选型更科学合理；
[0033]
(2)预评估方法操作简便，所需设备成本低，易推广；
[0034]
(3)所采用的电极为拼接式电极，其长度可调，能够满足不同厚度地层的需要，其运输和存放、使用和维护都等更加方便，且电极可回收，方便重复使用，节能环保。
附图说明
[0035]
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明一实施例的方法流程图；
[0037]
图2为本发明一实施例的电极结构示意图；
[0038]
图3为本发明一实施例的电极盖结构示意图；
[0039]
图4为本发明一实施例的电极布局示意图；
[0040]
图5为本发明一实施例的装置结构图。
[0041]
附图标记说明：201-外丝；202-内丝；203-电缆固定螺栓；301-吊环；501-电极；502-电缆；503-开关；504-隔离调压器。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
图1为为本发明一实施例的方法流程图，如图1所示，本实施例提供了一种用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法，其包括：
[0044]
步骤s1：将整体待测区域按照包气带和饱和带，再进一步的按照不同土壤类型，划分为不同的测试区块，并测量各测试区块的土壤含水率与电导率；通常根据含水情况的不同，地面以下的岩土层可划分为包气带和饱和带，其中地面以下，稳定地下水面以上为包气带，稳定地下水面以下为饱和带，本实施例按照包气带和饱和带，以及不同土壤类型划分各测试区块，可以较好地对不同情况的土壤分别进行测试；
[0045]
其中，土壤类型包括粘土、沙土、杂/填土等。
[0046]
步骤s2：在各测试区块按照正三角形或正六边形等空间布局建设多个电极井，并根据所要进行加热修复的范围的下边界位置，确定每个电极井深度；其中所要采用加热修复的范围的下边界位置也可视为土壤污染物的分布范围，也就是说污染物分布的越深，电极井的深度设置也越深；
[0047]
在本实施例中，其中，步骤s2中的每个电极井的直径为10～30厘米(cm)(10cm≤直径≤30cm)，每两个电极井之间的间距为3～10米(m)，即3米≤每两个电极井中心点距离≤10米。
[0048]
步骤s3：根据不同测试区块所测得的土壤含水率与电导率选择对应电极井，将多个电极分别埋放至选定的电极井底部，其具体为：
[0049]
仅按所要进行加热修复土壤类型，在每种类型的土壤中选取至少3个电极井为一组，将与选取的电极井数量相同的电极分别埋放至选定的电极井底部；以及
[0050]
按所要进行加热修复土壤位置深度，分别在同一土壤类型的包气带和饱和带选取至少3个电极井为一组，将与选取的电极井数量相同的电极分别埋放至选定的电极井底部；
[0051]
由于各电极井的深度是按照所要采用加热修复的范围的下边界位置所确定的，在工程上一般都是在指污染范围内的粘土层地层位置，该地层污染物容易聚集；或者是某个需要进行加热的深度区间。比如，某场地污染深度为0～35m，地下埋深32m，以砂层为主；其中9～11m处为粘土层，污染物分布集中，另外，在31～32m处为毛细管带，也是污染物聚集区。常规的抽提方式对这个两个地层的污染物很难去除彻底，因此，需要对9～11m、31～32m这两个特定深度进行加热，为保证加热效果，两个深度也可适当外延，变成8.5～11.5m、30～33m等。
[0052]
步骤s4：每个电极通过对应线缆连接至隔离调压器的输出端，给电极通电后，通过钳形电流表测定每个电极的输入电流，分别计算每一组电极井相应的电阻平均值r
平均值n
并记录，其中n为大于0的正整数；
[0053]
在本实施例中，其中，连接电极的每条电缆上均设置一开关，以便于控制对应电极的通电与断电，且隔离调压器的输出为交流电。
[0054]
由于接通电源给电极供电后，由于提供的是交流电，电流大小和方向会随着时间变化，存在相位差，因此相邻电极相位不相同，能够形成电流回路，通过隔离调压器调节电路中各个电极的输入电压，再使用钳形电流表测定电路中各个电极的输入电流，然后分别计算每个区域相对应的电路电阻平均值r
平均值n
，具体举例说明请参见表2，其中，例如第1组为土壤类型为沙土的区域，以3个电极为例，设定隔离调压器输入电压为u1，测定每个电极的输入电流分别为i11、i12和i13，根据r＝u/i计算得到3个电极电路的电阻分别为r11、r12和r13，然后再计算第1组的电阻平均值为r
平均值1
＝(r11+r12+r13)/3。同理，分别计算粘土区域(如第2组)、沙土的包气带区域(如第n-1组)、沙土的饱和带区域(如第n组)等各区域的电阻平均值，具体计算过程不再赘述。
[0055]
表2不同区域电阻加热关键运行参数测试值
[0056]
[0057][0058]
步骤s5：根据所有电阻平均值的结果，并结合下式(1)～(2)分别计算满足电极输入功率p的需求的每一组所在区域进行加热修复所需的输入电压un和输入电流in的最大值，其中，电极输入功率p为预设值，
[0059]
p＝i
n2
*r
平均值n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
un＝in*rnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0061]
在本实施例中，其中，步骤s5中电极输入功率p的预设值为1～5kw/m，即1kw≤电极单位长度(m)的输入功率≤5kw。
[0062]
步骤s6：根据输入电压un和输入电流in的最大值确定实际电加热修复时所需的隔离调压器、可控硅及电缆等设备及材料的型号与规格。通过选定区域的确定的型号规格，既能满足土壤修复加热功率的需求，有能保证设备和材料成本的最优化。
[0063]
图2为本发明一实施例的电极结构示意图，如图2所示，在本实施例中，其中，电极为管状(中空)可拼接电极，其材质为金属，每个电极的顶部设置有外丝201，每个电极的底部设置有内丝202，两个电极可分别通过内丝202与外丝201螺纹丝接而连接到一起，以适用不同长度的需求，例如可将多个电极通过内丝和外丝的相互螺纹丝接得到不同长度的电极；每个电极的侧壁设置有电缆固定螺栓203，用于连接固定电缆接头，例如线鼻子形式的接头，可以通过拧紧电缆固定螺栓203将电缆接头(线鼻子)固定连接在电极上。
[0064]
其中，电极的材质可为碳钢等金属材质，直径可选型为dn50～dn200(dn，公称直径的英文缩写，是容器和管道等的标准化直径，数值比内径大却又比外径小)，单根电极的长度可统一选型为1～3m，本发明不对其尺寸和材料进行严格限定。
[0065]
图3为本发明一实施例的电极盖结构示意图，如图3所示，在本实施例中，其中，电极还配置有电极盖，电极盖的顶部设有吊环301，用于施工时吊装电极，电极盖的内部还设置有与电极的外丝201对应的内丝，用于盖合于电极顶端。电极盖也可以与电极一样为碳钢材质，本发明不对其进行严格限定。
[0066]
在本发明一实施例中，根据将要开展电阻加热修复的某场地的前期调查显示，污
染物主要集中在包气带2～5m砂层和饱和带9～11m的细砂层，因此需要重点对这两个地层进行定深加热。图4为本发明一实施例的电极布局示意图，如图4所示，在本实施例中，参照后续实际工程设计，以正三角形布局，井间距设为5m，建设三个电极井，每个电极井深度为11m。根据需要将电极现场拼接为3m(例如单根1m拼接三根)和2m(例如单根1m拼接两根)的两种长度规格，在拼接好的每个电极上固定好电缆接头，通过吊装将电极分别埋入两种指定的深度位置2～5m位置和9～11m位置。
[0067]
合上开关将电极通过电缆连接隔离调压器，构成电路回路。
[0068]
调节隔离调压器的输入电压，依次测定两个不同深度地层的电阻加热运行工况参数，记录不同的输入电压下的输入电流，并计算相应的电路电阻平均值，具体测定值请参见表3。
[0069]
表3电阻加热运行参数测试表
[0070][0071]
根据表3测试结果，按照前述公式(1)～(3)可以得出：
[0072]
对于包气带细砂层，电阻平均值约为9ω，根据经验值(电极单位长度输入功率1～2kw/m)，电极目标输入功率设定为3～6kw(该区电极长度为3m)，电阻加热的关键运行参数输入的火线电压最大值约为330v，输入电流最大值约为36a；
[0073]
对于饱和带细砂层，电阻平均值约为3.5ω，根据经验值(电极单位长度输入功率1～2kw/m)，电极目标输入功率设定为2～4kw(该区电极长度为2m)，电阻加热的关键运行参数输入的火线电压最大值约为204v，输入电流最大值约为59a。
[0074]
综合以上结果考虑，为满足该场地的电阻加热的功率需求，对于隔离调压器、可控硅等可回收或共用的设备材料，电压和电流的型号规格分别应适当大于380v和60a；对于埋入地下的电缆等不可回收或专用的设备材料，包气带和饱和带的电流规格可分别选择适当大于36a和59a的型号规格，以降低成本，电缆不同型号的负载情况可参考表4。
[0075]
表4电缆不同型号负载
[0076]
线号(mm2)最大电流(a)最大负载(kw)1.5183.962.5265.724327.0464710.34106614.52169220.242512026.43515033
[0077]
图5为本发明一实施例的装置结构图，如图5所示，本实施例提供一种用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的装置，用于实现前述实施例的方法，其包括：
[0078]
一隔离调压器504，其输入端电性连接外部380v交流供电线路中；
[0079]
多个电极501，用于插入待修复地层的土壤中；
[0080]
多条电缆502，分别连接到每个电极501与隔离调压器504的一个输出端之间；
[0081]
多个开关503，分别设置于每条电缆502上。
[0082]
在本实施例中，其中，隔离调压器504输出电压的范围为0～800v，可满足粘土、粉土、砂土和砾石等大多数地层类型电阻加热修复所需的电压，以及包气带或饱和带等不同土壤含水量情况下的电压需求；每条电缆502的最大电流负载可以为0～92a，可满足大多数情况下的电流负荷需求。
[0083]
本发明提供的用于预评估电阻加热技术运行工况关键参数的方法和装置的主要优点包括：
[0084]
(1)通过预评估方法所得到的运行工况参数为实测结果，消除了土壤类型、含水率、电路布局等多种因素的干扰，结果准确度高，有效克服了理论计算不准确的难题，结果更具指导意义，使后续的电阻加热方案设计和设备材料选型更科学合理；
[0085]
(2)预评估方法操作简便，所需设备成本低，易推广；
[0086]
(3)所采用的电极为拼接式电极，其长度可调，能够满足不同厚度地层的需要，其运输和存放、使用和维护都等更加方便，且电极可回收，方便重复使用，节能环保。
[0087]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0088]
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0089]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。