基于CAN總線的地熱井溫度探測與評估系統(tǒng)

摘 要： 為了能夠準確評估地熱井內(nèi)溫度變化和資源儲量信息，采用CAN通信技術設計了地熱井溫度探測與評估系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測節(jié)點和上位機組成。溫度監(jiān)測節(jié)點以處理器STM32F103作為控制平臺，通過高精度傳感器PT100測量地熱井內(nèi)不同梯度上的溫度，并經(jīng)由CAN總線傳送到上位機服務器進行處理，同時存儲在數(shù)據(jù)庫中便于評估地熱資源時使用。實驗結果表明，設計的地熱井溫度采集系統(tǒng)能夠長期監(jiān)測并精確測量地熱井內(nèi)溫度的變化情況，為地熱資源勘探和開發(fā)評估提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞： 地熱開發(fā)； 溫度探測； 儲能計算； CAN總線； 評估分析

中圖分類號： TN710?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0155?04

Geothermal well temperature detection and evaluation system based on CAN bus

QIU He

（Geophysical Exploration Center， China Earthquake Administration， Zhengzhou 450002， China）

Abstract： In order to evaluate the temperature change and resource reserve information in geothermal well accurately， the CAN communication technology is used to design the temperature detection and evaluation system of geothermal well. The system is mainly composed of the temperature monitoring node and host computer. The temperature monitoring node uses processor STM32F103 as the control platform， and measures the temperature of different gradients in geothermal well through high?precision sensor PT100. The temperature data is transferred to the host computer server for processing through CAN bus， and stored in the database for evaluation of geothermal resources. The experimental results show that the designed temperature acquisition system of geothermal well can chronically monitor and accurately measure the temperature change situation in geothermal well， which provides a strong data support for the detection， exploration and evaluation of the geothermal resources.

Keywords： geothermal development； temperature detection； energy storage calculation； CAN bus； evaluation analysis

0 引 言

地熱資源來源于地質活動產(chǎn)生的能量，是大自然賜予人類的寶貴資源。由于地熱資源深埋于地下，雖然說儲量非常巨大，但是受作業(yè)環(huán)境和技術條件的限制，目前掌握的開采技術并不多，為了能夠合理規(guī)劃和可持續(xù)地開發(fā)利用地熱資源，開發(fā)前的勘查和評估就顯得非常有必要了[1?2]。

溫度是計算熱儲能和評價地熱資源最重要的參數(shù)，而且在開發(fā)利用的過程中，由于吸熱負荷的波動，也需要對水源熱泵的工作輸出功率進行調(diào)整，這時也需要對水溫進行預測和了解[3]。為此，采用CAN總線技術設計了溫度采集與評估系統(tǒng)，通過安裝在每個垂直梯度的溫度采集終端獲取地熱井內(nèi)的溫度信息，從而得到整個地熱田內(nèi)的地溫場，為計算熱儲能提供依據(jù)，同時，還可以圈定地熱田內(nèi)的異常范圍，給地熱資源勘探和評估提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1 地熱資源分類與儲能計算

1.1 地熱資源分類

地熱資源有很多類，通常可按照溫度將其劃分為高溫、中溫和低溫三種[4]。再依照溫度的范圍對其進行分級，并在各個領域的實際應用中總結出對應的用途，如表1所示。

熱儲溫度一般采用地球化學溫標計算法、地溫梯度推算法和直接測量法。但是從計算方法來看，前兩種方法測得的誤差較大，這對于巨大的開發(fā)投入成本來說風險很大。而直接法是最精確的，本文采用直接法對地熱井內(nèi)的溫度變化情況進行探測。

1.2 熱儲能的計算

在計算熱儲能前需要查明熱儲分布面積、深度、厚度、巖石特性和孔隙率等地質參數(shù)[5]。熱儲能的計算可表示為：

（1）

式中：表示地熱資源總量，單位為kcal；表示熱儲面積，單位為m2；表示熱儲厚度，單位為m；和分別表示熱儲溫度和基準溫度，單位為℃；和分別表示巖石和水的密度，單位為kg/m3；和分別表示巖石和水的比熱容，單位為kcal/kg·℃；表示巖石的孔隙度。

2 系統(tǒng)整體結構

為了獲取更準確的數(shù)據(jù)，采用直接測量法采集地熱井中的溫度信息。利用多井和多梯度測量方法進行探測，能夠更全面的獲取大面積區(qū)域內(nèi)地熱資源的分布情況，系統(tǒng)主要由多個溫度采集節(jié)點、上位機服務器和CAN總線網(wǎng)絡等組成[6?7]。系統(tǒng)構成示意圖如圖1所示。

按照在垂直方向上每100 m一個梯度在每眼地熱井中安裝溫度采集節(jié)點，每個節(jié)點都有惟一的ID編號，根據(jù)系統(tǒng)設置定時向探測中心的上位機發(fā)送采集到的溫度數(shù)據(jù)。上位機安裝了支持CAN總線通信的PCI板卡，接收來自探測井下各溫度監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后進行實時顯示，同時將其存儲到數(shù)據(jù)庫中。在投入開發(fā)前，經(jīng)過長時間的監(jiān)測，可以繪制溫度?時間曲線，并建立整個地熱田溫度場模型，計算該地區(qū)的熱能儲量，為進一步的評估和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 溫度采集終端硬件結構

溫度采集節(jié)點是測量地熱田內(nèi)的地溫、地溫梯度、空間分布和變化規(guī)律的直接設備，主要由處理器STM32F103，PT100溫度傳感器、調(diào)理電路、CAN總線控制器、隔離收發(fā)器CTM8250T和電源管理電源等組成[8]。硬件結構如圖2所示。

3.1 溫度傳感器PT100

考慮到溫度采集節(jié)點的工作環(huán)境非常復雜，在地下巖層中的溫度有時會突變很大，所以系統(tǒng)采用鉑絲熱電阻傳感器PT100對地熱井下的溫度進行測量，能夠適應-200～650 ℃的高溫條件[9?10]。由于PT100的阻值跟溫度表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的線性關系，所以就可以根據(jù)PT100的電阻獲得溫度信息，為了提高測量的精度和穩(wěn)定性，采用橋式測溫電路對其進行放大和調(diào)理，橋式測溫調(diào)理電路如圖3所示。

通過可控精密穩(wěn)壓源TL431與電位器的配合使用，使得A點處的電壓為4.096 V。從圖3中可以看出，的阻值為100 Ω，當PT100處在零度環(huán)境時，電橋達到平衡，輸出的電壓為零；而當RPT100≠時，就會輸出毫伏級的壓差信號，為了便于與A/D轉換芯片的輸入口對接，采用LM324對這個毫伏級的信號進行放大倍，這樣就能通過測量電橋輸出的電壓值反推出PT100的阻值，最后根據(jù)PT100的電阻分度表得到溫度數(shù)據(jù)。所以如果調(diào)整放大的倍數(shù)，就能夠滿足測量不同溫度范圍的要求[11?12]。由于PT100對溫度很敏感，所以一般要求通過PT100的電流不能超過1 mA，否則，電流過大后會使自身發(fā)熱從而造成測量誤差，避免在進行溫度測量時受到溫漂的影響導致其阻值與溫度出現(xiàn)非線性。

3.2 CAN總線接口隔離器

由于長距離的通信很容易受到高共模電壓和強電磁輻射的影響，且一旦某一個節(jié)點的設計上出現(xiàn)了問題，就會導致整個CAN?bus上的通信不暢，尤其在地下深達幾千米的惡劣環(huán)境中，所以系統(tǒng)引入收發(fā)器CTM8250T。

CTM8250T特性如下：

集成了總線保護、信號隔離和電源隔離等功能；符合RoHS環(huán)境保護的認可，ESD接觸放電4 kV；

隔離電壓為2 500 V DC；

CANH，CANL引腳可承受±8 kV靜電；

電源端口浪涌測試1 kV、信號端口2 kV；

波特率可以自動適應40 Kb/s～1 Mb/s 和5 Kb/s～1 Mp/s兩種模式[13]；

具有較強的抗電磁干擾能力，能夠大大減小由于大地環(huán)路電勢差帶來的不利因素。

由于隔離收發(fā)器CTM8250T在控制器跟收發(fā)器中間采取了隔離，所以能夠使控制器在復雜的地層中受到較小的干擾，也能有效減少被損壞的可能性。

4 實驗分析

4.1 上位機管理軟件

為了與各溫度監(jiān)測節(jié)點通過CAN總線進行通信，上位機安裝了支持CAN總線通信的PCI板卡。上位機管理軟件借助VC++ 6.0獨立開發(fā)，具有網(wǎng)絡設置、配置管理、權限管理和日志管理、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)實時顯示、統(tǒng)計分析、曲線展示、評估模塊、數(shù)據(jù)存儲和報表打印等功能[14?16]。

探測中心上位機管理軟件功能結構，如圖4所示。

地熱井內(nèi)各溫度監(jiān)測節(jié)點通過CAN發(fā)送到上位機的服務器上，發(fā)送周期可以在上位機上進行設置。

上位機接收來自各地熱井中各梯度上溫度采集節(jié)點發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理和統(tǒng)計分析等過程再將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中。

4.2 實驗結果與分析

對華北平原一處非火山型中低溫地熱資源進行探測和評估，根據(jù)上位機數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，本次探測區(qū)域面積為15 000 m×9 000 m=1.35×108 m2，從上位機中得到6個月內(nèi)該區(qū)域5眼地熱井中的溫度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計策略為每個監(jiān)測節(jié)點每20 min采集并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，采集的對象為深度<1 000 m的溫度數(shù)據(jù)，結果如表2所示。

表2中每個數(shù)據(jù)為該節(jié)點在對應的梯度上180天中得到所有數(shù)據(jù)的平均值。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在深度為1 000 m的梯度上溫度已達到79.82 ℃，由于隨著深度的不斷增加，開發(fā)成本也會劇增，綜合分析認為該段已達到開采條件，是較好的儲熱層，且通過長期的監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，具有一定的開發(fā)價值。根據(jù)式（1）和該地區(qū)地質情況就能得出該區(qū)域在這個梯度上的儲熱總量。

5 結 語

針對地熱井內(nèi)復雜的環(huán)境，設計了基于CAN總線的地熱井溫度探測與評估系統(tǒng)，采用直接測量法對地熱井資源進行溫度探測，溫度傳感器利用高精度鉑電阻PT100，并借助CAN實現(xiàn)了多個溫度采集點的組網(wǎng)，將溫度數(shù)據(jù)定時傳送到上位機進行處理，便于精確計算熱儲能。結果表明，設計的系統(tǒng)具有耐高溫且工作穩(wěn)定的特性，能夠采集深達1 000 m的溫度數(shù)據(jù)，給地熱資源勘探和評估提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

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