一种应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构及布置方法

技术领域

本发明涉及地埋管换热系统技术领域，尤其涉及一种应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构及布置方法。

背景技术

目前地埋管换热系统多采用单井独立控制方式，此方式相较于多井控制而言，减少了水平连接管的连接处，可有效降低系统损坏风险，减少维修成本。同时，当某一地埋管系统环路损坏时，多井控制系统需要将此子系统内的所有地埋管关闭，对地埋管系统输出的热量影响较大，而单井独立控制系统只需关闭单个地埋管环路，对地埋管系统输出的热量影响较小。

地埋管换热系统环路布置方式通常为同程式和异程式。同程式单井控制的地埋管换热系统易实现水力平衡，但此系统管路较长，管材耗量增加，初投资增大，并且系统阻力较大，水泵能耗增加，运行费用增大。异程式单井控制的地埋管换热系统虽管材耗量小，初投资降低，但如何使地埋管换热系统在保证水力平衡的情况下布置更多地埋管换热器成为了异程式地埋管换热系统的难题。故现在急需一种单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构及布置方法。

为实现上述目的，本发明提供一种应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构，包括至少一个地埋管管群，所述地埋管管群包括一分水器、一集水器以及多根地埋管，每根所述地埋管对应埋设于一管井内且每根所述地埋管分别与所述分水器和所述集水器连接；

其中，所述管井排列呈等腰直角三角形，所述分水器和所述集水器设于所述等腰直角三角形的斜边中点处，所述管井以所述等腰直角三角形的中垂线为界对称设置于所述等腰直角三角形内，且所述地埋管到所述分水器和所述集水器的距离越近，其埋地深度越深。

优选的是，所述地埋管呈U型埋设于所述管井内，且所述地埋管一端通过供水管路与所述分水器连接，另一端通过回水管路与所述集水器连接。

优选的是，所述供水管路、所述回水管路和所述地埋管组成一环路管段，所述环路管段包括水平管路和竖直管路。

优选的是，所述水平管路采用异程式管网布置形式。

优选的是，每根所述地埋管的埋地深度计算包括：

设定最远端所述地埋管的埋地深度，并计算最远端所述地埋管的环路管段的阻力；

基于每个所述环路管路的阻力相同，确定每个所述环路管路的水平管路长度，获得每根所述地埋管的埋地深度。

优选的是，所述环路管段的阻力计算公式为：

P＝P

式中：P为所述环路管段的阻力；P

优选的是，将所有所述地埋管的埋地深度之和与基于延米换热量计算获得的所述地埋管长度之和相比，若差值大于设定阈值，则重新选取最远端所述地埋管的埋地深度进行计算。

优选的是，基于延米换热量计算获得的所述地埋管长度之和，其计算公式为：

Q＝q×L；

式中：Q为所述地埋管管群负荷的排热量；q为所述地埋管管群的延米换热量；L为所有所述地埋管长度之和。

本申请还提供一种地埋管环路水力平衡结构的布置方法，包括：

确定地埋管管群负荷的排热量和延米换热量，获得所有地埋管长度之和；

基于所述所有地埋管长度之和，设定所述地埋管埋设的管井平均深度，获得所述管井的数量；

基于所述管井的数量，布置所述管井呈等腰直角三角形；

将集水器和分水器设于所述等腰直角三角形的斜边中点处，每根所述地埋管一端通过供水管路与所述分水器连接，另一端通过回水管路与所述集水器连接，所述供水管路、所述回水管路和所述地埋管组成一环路管段，其中，采用异程式管网布置形式连接每根所述地埋管中环路管段的水平管道，并测量出各个所述地埋管对应连接的所述环路管段中水平管道长度；

设定最远端所述管井的深度，并计算最远端所述管井的环路管段的阻力；

基于每个所述环路管路的阻力相同，确定每个所述环路管路中水平管路长度，获得每根所述地埋管的埋地深度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在保证地埋管数量不变的前提下，通过改变地埋管管群的划分方式，改变水平连接管的管路布置方式，调整竖直地埋管的埋地深度，使系统水力平衡满足要求，降低水泵能耗，减少系统运行费用；同时减少分集水器数量，降低初投资。

附图说明

图1为本发明应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构的结构图；

图2为本发明应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构的布置图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1对本发明做进一步的详细描述：

在申请中由于分水器和集水器设置在一起，两者融合一体，故为了展示更清晰，在图1中分水器和集水器融为一体指示为1。

如图1所示，本发明提供一种应用于单井控制的异程式地埋管环路水力平衡结构，包括至少一个地埋管管群，地埋管管群包括一分水器、一集水器以及多根地埋管3，每根地埋管3对应埋设于一管井内且每根地埋管分别与分水器和集水器连接；

其中，管井排列呈等腰直角三角形2，分水器和集水器设于等腰直角三角形2的斜边中点处，管井以等腰直角三角形2的中垂线为界对称设置于等腰直角三角形2内，且地埋管3到分水器和集水器的距离越近，其埋地深度越深。

在本实施例中，地埋管3呈U型埋设于管井内，且地埋管3一端通过供水管路4与分水器连接，另一端通过回水管路5与集水器连接。地埋管3、供水管路4和回水管路5组成一环路管段，环路管段包括水平管路和竖直管路。水平管路采用异程式管网布置形式，如图1中位于A、B、C处地埋管的连接布置。

具体地，每个等腰直角三角形2的两条直角边上的对应位置存在一个管井，使得两个地埋管到分集水器的水平连接管长度相同，环路管段的阻力也就基本相同。在地埋管管群满足水力平衡要求下，每个地埋管管群内地埋管数量最多。对于整个管群而言，分集水器数量减少，节省投资。现有单井控制的异程式地埋管换热系统布置方式为地埋管管群呈矩形，分水器和集水器位于该矩形一侧且地埋管管群中每根地埋管埋地深度相等，这样就导致位于分水器和集水器两侧的地埋管的环路管段阻力有差别，水力平衡不易实现；而本申请距分水器、集水器近端的竖直地埋管深度要比常规地埋管换热系统的竖直地埋管深度要深，远端竖直地埋管的埋地深度要浅，试算调节各个环路的阻力，最终使整个地埋管换热系统水力平衡满足要求。

在本实施例中，每根地埋管3的埋地深度计算包括：

设定最远端地埋管3的深度，并计算最远端地埋管3的环路管段的阻力；

基于每个环路管路的阻力相同，确定每个环路管路的水平管路长度，获得每根地埋管3的埋地深度。

进一步地，环路管段的阻力计算公式为：

P＝P

式中：P为环路管段的阻力；P

在本实施例中，将计算得到所有地埋管3的埋地深度与之和与基于延米换热量计算获得的地埋管3长度之和相比，若差值大于设定阈值，则重新选取最远端地埋管3的埋地深度进行计算。

具体地，基于延米换热量计算获得的地埋管3长度之和，其计算公式为：

Q＝q×L；

式中：Q为地埋管管群负荷的排热量；q为地埋管管群的延米换热量；L为所有地埋管3长度之和。

在本实施例中，实际布置过程中，每根地埋管3中环路管段的阻力不可能完全相等，故为了保证最优解，设置一不平衡率阈值，该不平衡率为任意两根环路管段的阻力差值除以两根环路管段阻力较大值，通过计算得到的不平衡率与不平衡率阈值相比，若大于该不平衡率阈值，则也需要重新选取最远端地埋管3的埋地深度。本申请在既满足地埋管3总长度和保证不平衡率中取得最优解。

以某个地热项目举例，该项目共设置310口地埋管管井3，按照常规矩形井群划分方式及同程式管网布置形式计算，管路最不利环路阻力约为9m，按照本申请进行计算，每个环路的阻力基本维持在7.5m左右。常规设计水泵扬程约35m，水泵扬程减少约4.28％。

本申请还提供一种地埋管环路水力平衡结构的布置方法，包括：

确定地埋管管群负荷的排热量和延米换热量，获得所有地埋管3长度之和；

基于所有地埋管3长度之和，设定地埋管3埋设的管井平均深度，获得管井的数量；

基于管井的数量，布置地埋管管群呈等腰直角三角形；

将集水器和分水器设于等腰直角三角形的斜边中点处，每根地埋管3一端通过供水管路与分水器连接，另一端通过回水管路与集水器连接，供水管路、回水管路和地埋管3组成一环路管段，其中，采用异程式管网布置形式连接每根地埋管3中环路管段的水平管道，并测量出各个地埋管对应连接的环路管段中水平管道长度；

设定最远端管井的深度，并计算最远端管井的环路管段的阻力；

基于每个环路管路的阻力相同，确定每个环路管路中水平管路长度，获得每根地埋管3的埋地深度。

在本实施例中，将所有地埋管3长度之和除以设定地埋管3埋设的管井平均深度，获得管井的数量，若不是整数则取大一的整数，且根据区域形状(长宽比例)，从中间开始布置等腰直角三角形井群(长宽比例2:1)，并向两侧延伸，如下图2，当然若数量不足以布置成等腰直角三角形井群，则补充对应的数量。另外，设定管井平均深度以及设定最远端管井的深度，是基于地貌部位和水文地质条件并结合工作的承压来设定的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。