水熱型地?zé)崮芡S管換熱技術(shù)研究
——以河北省邯鄲地區(qū)為例

任虎俊

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

0 引言

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的持續(xù)深入推進(jìn)，地?zé)嶙鳛榫G色、清潔、安全、可再生的清潔能源，以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)日益受到國(guó)家及地方政府的高度關(guān)注。我國(guó)水熱型地?zé)豳Y源分布廣泛，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊，可普遍用于供暖、洗浴、醫(yī)療、養(yǎng)殖等領(lǐng)域。

目前，對(duì)于水熱型地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用方式概括起來(lái)有兩種，一種是直接抽取地下熱水；另一種采用深井換熱技術(shù)，包括同軸管換熱、深井熱交換器換熱、對(duì)接井換熱等一些技術(shù)方法，即“取熱不取水”。第一種方式雖然取熱效率高，但長(zhǎng)期抽取地下熱水易造成資源破壞，同時(shí)地?zé)嵛菜欧乓自斐森h(huán)境污染。因此從保護(hù)資源與環(huán)境的角度出發(fā)，普遍要求采灌結(jié)合。對(duì)于巖溶熱儲(chǔ)，一般尚能實(shí)現(xiàn)100%回灌，而對(duì)于砂巖熱儲(chǔ)則平均只有30%回灌率[1]。第二種方式雖然解決了資源破壞、環(huán)境污染、砂巖型熱儲(chǔ)回灌困難等問(wèn)題，但換熱效率相對(duì)較低。因此，深入研究同軸管換熱技術(shù)，提高換熱效率具有重要意義。

近二十年來(lái)，同軸管換熱技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在歐美等一些國(guó)家，運(yùn)行期較長(zhǎng)的實(shí)際案例是延米換熱功率多在100 W以下[2]。我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)尚處于試驗(yàn)研究和改進(jìn)優(yōu)化階段，用于工程實(shí)踐的有北京和天津兩個(gè)實(shí)例，且運(yùn)行時(shí)間僅有一到兩個(gè)采暖期。如在天津某小區(qū)施工有2眼地?zé)峋瑔尉骄疃? 800 m，運(yùn)行一個(gè)采暖季的單井平均換熱功率達(dá)725kW。本文擬通過(guò)在邯鄲地區(qū)采用同軸管換熱技術(shù)開(kāi)發(fā)利用水熱型地?zé)崮艿囊豁?xiàng)試驗(yàn)工程，重點(diǎn)討論單井換熱效率及其影響因素等問(wèn)題。

1 試驗(yàn)區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

試驗(yàn)區(qū)位于邯鄲市東部平原區(qū)，屬華北平原冀南凹陷，安陽(yáng)—邯鄲斷裂東盤(pán)，西鄰太行山區(qū)[3]。區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育新生界，厚度較大。其中第四系(Q)由亞砂土、黏土、中細(xì)砂、粉砂組成，厚度可達(dá)419 m；下覆新近系上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組(N2m)和中新統(tǒng)館陶組(N1g)，為一套砂巖、含礫砂巖及泥巖互層的河流相沉積，厚度2 000 m左右。

試驗(yàn)區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件屬典型的沉積盆地水熱型地?zé)崽铮l(fā)育有兩層熱儲(chǔ)，分別為明化鎮(zhèn)組(N2m)底部砂巖型熱儲(chǔ)和館陶組(N1g)砂巖型熱儲(chǔ)。地溫梯度一般為2.53 ℃/100 m。

明化鎮(zhèn)組上部巖性以泥巖為主，砂巖顆粒較細(xì)構(gòu)成良好的蓋層，底部則以砂巖和砂礫巖為主，是良好的熱水含水層，地溫梯度 2.5 ℃ /100 m，單井涌水量480 m3/d，井口水溫35℃，熱儲(chǔ)底界埋深1 024 m。

館陶組是本區(qū)的主要熱儲(chǔ)，發(fā)育穩(wěn)定，單井涌水量1 560～1 920 m3/d，井口水溫50～65℃，化學(xué)類(lèi)型為HCO3·Cl—K·Na，溶解性總固體866.00 mg/L，地溫梯度2.6℃/100 m，熱儲(chǔ)厚度491 m，底界埋深1 515 m[4]。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 技術(shù)原理

同軸管換熱是基于熱傳導(dǎo)換熱方式，通過(guò)單井(或?qū)?內(nèi)部流體循環(huán)，實(shí)現(xiàn)“取熱不取水”。具體地說(shuō)：是在地?zé)峋畠?nèi)下入一套具有隔熱效能的同軸管系統(tǒng)，冷水從井壁管與同軸管之間的環(huán)狀空間注入，與熱儲(chǔ)進(jìn)行熱能交換使冷水升溫之后，再?gòu)耐S管中抽出供熱泵機(jī)組提取熱量，提取熱量后的冷水再注入地下?lián)Q熱循環(huán)。

2.2 技術(shù)方法

同軸管換熱系統(tǒng)由三部分組成：開(kāi)放式井下?lián)Q熱系統(tǒng)(地?zé)峋⒕聯(lián)Q熱裝置)、地面地源熱泵熱交換系統(tǒng)和分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(圖1)。

開(kāi)放式井下?lián)Q熱系統(tǒng)：包括地?zé)峋途聯(lián)Q熱裝置。地?zé)峋钸_(dá)1 570 m，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。館陶組熱儲(chǔ)段采用花管護(hù)壁，使地?zé)崴苓M(jìn)入井內(nèi)，即含水層處于開(kāi)放狀態(tài)，館陶組熱儲(chǔ)段之上采用套管永久止水。井下?lián)Q熱裝置為管徑100 mm的PP100型管，并在底端連接混合器。

表1 井身結(jié)構(gòu)

地源熱泵熱交換系統(tǒng)：熱泵機(jī)組；冷卻塔；冷卻塔循環(huán)泵；板換循環(huán)泵；板式換熱器；補(bǔ)水箱；補(bǔ)水泵等設(shè)備組成。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)：具有智能終端、多點(diǎn)測(cè)溫的特點(diǎn)，可連續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中同軸管外各點(diǎn)溫度變化(圖1)。

圖1 同軸管換熱系統(tǒng)示意Figure 1 A schematic diagram of coaxial tube heat transfer system

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)是在兩個(gè)工況條件下進(jìn)行，第一工況條件是在循環(huán)水流量23.9 m3/h，回水溫度9.4～10.3℃時(shí)，獲得的單井換熱功率為280kW。第二工況條件是在循環(huán)水流量22.1 m3/h，回水溫度14.5～15.8 ℃時(shí)，獲得的單井換熱功率193kW。顯然，在循環(huán)水量保持基本不變的情況下，回水溫度的升高，影響到換熱功率的降低。

3 換熱效率預(yù)測(cè)

3.1 模型建立

圖2 熱交換模型示意Figure 2 A schematic diagram of heat transfer model

試驗(yàn)工程井下?lián)Q熱系統(tǒng)是由一眼深度1 570 m的地?zé)峋屯S管換熱裝置組成，換熱方式為冷水從同軸管外注入，下降過(guò)程中被地層逐漸加熱，到達(dá)井底后從同軸管內(nèi)抽出到地面加以利用，據(jù)此設(shè)置模型為二維軸對(duì)稱(chēng)模型，模型截面如圖2所示。假定熱儲(chǔ)為均質(zhì)地層，采用Darcy定律描述流體在地層中的滲流和熱傳導(dǎo)；在井筒中采用漂移模型(DFM)及相關(guān)控制方程描述井筒內(nèi)非等溫的瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程，采用積分有限差的方法求解質(zhì)量和能量守恒方程，從而模擬井筒和周?chē)鷰r體的換熱過(guò)程。與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型控制方程為：

儲(chǔ)層

能量累積項(xiàng)Mκ+1=(1-φ)ρRCRT+φ∑SβρβUβ

井筒

能量通量

3.2 模型識(shí)別驗(yàn)證

通過(guò)整理、概括換熱過(guò)程試驗(yàn)資料，把實(shí)測(cè)的出水溫度歷時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)不同井深的溫度歷時(shí)數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值輸入到上述數(shù)學(xué)模型控制方程，使計(jì)算產(chǎn)流溫度曲線與實(shí)測(cè)的產(chǎn)流溫度曲線擬合，得到經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、合理的各種參數(shù)(表2)的數(shù)值模型。模擬得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如圖3所示。

表2 模擬參數(shù)

圖3 擬合數(shù)據(jù)示意Figure 3 Diagrammatic sketch of fitting data

3.3 模型預(yù)測(cè)

模型預(yù)測(cè)是在地?zé)峋疃日{(diào)整為2 490 m，其余參數(shù)均與試驗(yàn)相同的情況下，預(yù)測(cè)不同循環(huán)量(20、30、40m3/h)，不同的井徑(200、250、300 mm)和不同注水溫度(10 ℃、20 ℃、30 ℃)條件下的換熱效率(圖4、圖5、圖6)。

圖4 不同循環(huán)水量的熱提取速率模擬運(yùn)行Figure 4 Simulation run of thermal extraction rate under different circulating water quantities

圖5 不同井徑的熱提取速率模擬運(yùn)行Figure 5 Simulation run of thermal extraction rate under different well diameters

圖6 不同注水溫度的熱提取速率模擬運(yùn)行Figure 6 Simulation run of thermal extraction rate under different water injection temperatures

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)循環(huán)水量增大時(shí)，換熱效率也隨之增大， 而當(dāng)注水溫度增高時(shí)， 換熱效率反而降低，且地?zé)峋畯降淖兓?，?duì)換熱效率影響并不明顯。

4 結(jié)論及建議

1)采用同軸管換熱技術(shù)開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮芗炔粫?huì)破壞地?zé)豳Y源，也不會(huì)因地?zé)嵛菜毓嗬щy而造成環(huán)境污染，是一種科學(xué)開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮艿挠行Х椒ā?/p>

2)單井換熱效率與井身結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系，特別是當(dāng)井深增加時(shí)，單井換熱量顯著增加。

3)由于同軸管換熱技術(shù)在我國(guó)用于工程實(shí)踐的實(shí)例還很少，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)方法，合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)、改進(jìn)換熱方法，提高換熱效率，促進(jìn)更科學(xué)、更高效、更綠色開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮堋?/p>

參考文獻(xiàn):

[1]方朝合，宿方儒,中深層地?zé)峥碧介_(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)展與開(kāi)發(fā)對(duì)策[J].山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2017,17(1):89-93.

[2]孔彥龍,陳超凡,邵亥冰，等.深井換熱技術(shù)原理及其換熱量評(píng)估[J].地球物理學(xué)報(bào), 2017,60(12):4742-4752.

[3]袁同星，劉東生.邯鄲市東部平原區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件初析[J].地球?qū)W報(bào)——中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院院報(bào)，2000(2).

[4]任虎俊，李曦濱，趙璞等河北工程大學(xué)新校區(qū)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用試驗(yàn)專(zhuān)項(xiàng)研究[R].河北邯鄲：中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局， 2017.

[5]袁益龍，候兆云，雷宏武，等.增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)井筒—儲(chǔ)層耦合數(shù)值模擬分析[J].可再生能源,2015(03):421-428.