火力發(fā)電工程濃鹽水回注系統(tǒng)應(yīng)用研究

魏 巍， 李 進(jìn)，薛 鈺，張連杰

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

巴基斯坦某坑口電廠位于沙漠地區(qū)，水資源稀少。電廠主水源為煤礦疏干水，經(jīng)過深度處理后供電廠使用[1-3]。經(jīng)過處理后的疏干水以及循環(huán)水排污水會產(chǎn)生大量的濃鹽水，循環(huán)水排污水和濃鹽水的處置為本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)[4-5]?；凇叭≈诘叵?，還之地下”的環(huán)保理念，將濃鹽水回注到地下第三含水層。濃鹽水的回注既補(bǔ)充了因?yàn)槊旱V開采導(dǎo)致水大量流失的地下含水層，又避免了濃鹽水排至地表或者淺層含水層引起的生態(tài)影響。相比常規(guī)電廠的濃鹽水零排放處理[6-7]，回注具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

回注也稱回灌，是將處理后的生活污水、天然雨水以及工業(yè)廢水通過深井等方式直接輸入到地下的一種方法。目前，回注主要運(yùn)用于北方地下水資源匱乏地區(qū)，將水質(zhì)滿足要求的水儲存到地下，盡量緩解地下水消耗的速度，同時(shí)回注也是深基坑降水的一種常用方法[8-10]。回注在油氣田領(lǐng)域中運(yùn)用較多，主要是將采出油中的大量含水處理后回注至地下[11-12]。在國外，研究和利用回注起步很早，主要是將城市再生水處理達(dá)標(biāo)后，通過回注有效的增加地下水的儲量，同時(shí)可以較好的通過巨大的地下水空間調(diào)蓄水資源，還可以預(yù)防海水及苦咸水的入侵[13]。德國在坑口電廠建設(shè)中，為了解決大量的采礦疏干水問題，將疏干水集中收集并處理后回注到地下，盡可能的維持原有地下生態(tài)平衡以及地下水位。

我國在20世紀(jì)60年代開始對回注進(jìn)行研究利用，上海利用回注的方法補(bǔ)充地下水，解決因大規(guī)模開采地下水導(dǎo)致的地面沉降問題[14-15]?，F(xiàn)階段我國回注系統(tǒng)大多數(shù)利用在油氣田開采以及城市再生水處理方面，國內(nèi)電力工程還未利用該系統(tǒng)，主要原因是相關(guān)的回注水質(zhì)要求和環(huán)境影響評價(jià)[16]還沒有權(quán)威的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，但通過國外的設(shè)計(jì)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)來看，這是一個(gè)可以借鑒研究的電廠廢水處置方向，特別是以地下水為水源的電力工程。

1 工程概況

本文基于巴基斯坦某沙漠地區(qū)的坑口電廠，該項(xiàng)目將電廠產(chǎn)生的濃鹽水回注到離發(fā)電廠約14 km外的沙漠地區(qū)地下含水層。電廠在設(shè)計(jì)工況下產(chǎn)生的濃鹽水量為489 m3/h，最大工況下濃鹽水量為585 m3/h。電廠按最大濃鹽水量設(shè)3臺回注水泵(2用1備)，輸送至回注區(qū)域的10口回注井。

回注區(qū)域位于沙漠開闊地帶。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，回注地塊地下部分從上到下分別為沙丘砂含水層和煤層頂部含水層以及煤層底部含水層?；刈⑺ㄟ^回注井輸入到最下面的第三含水層，該層為平均厚度約40 m的承壓含水層。該層主要為中粗砂成分，是該區(qū)域含水容積最大的含水層。地層剖面圖如圖1所示。

圖1 地層剖面示意圖

2 回注井抽水、注水試驗(yàn)

為了分析該區(qū)域回注的可行性和確定回注區(qū)域回注地層的水文地質(zhì)參數(shù)包括滲透和導(dǎo)水系數(shù)、井損、單井回注量及影響半徑等[17-18]，在回注區(qū)域進(jìn)行了一系列抽水、回注試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表1所列。

表1 試驗(yàn)方案

首先進(jìn)行非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，之后進(jìn)行三階段降深穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。 在非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)時(shí)， 同步對動水位和出水量的觀測， 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)節(jié)三個(gè)階段的流量值為 36 m3/h，72 m3/h， 108 m3/h 左右。 試驗(yàn)開始前測量起始水位，試驗(yàn)開始后，在第一階段每1～5 min觀測一次水位，第二階段10～20 min觀測一次水位，第三階段每30 min觀測一次水位， 直至水位穩(wěn)定。 穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間為 8 h。 對水溫、 氣溫觀測一般每隔 2～4 h觀測一次。

2.1 滲透系數(shù)與導(dǎo)水系數(shù)

非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用 108 m3/h 的速率進(jìn)行抽水， 開展試驗(yàn)近 32 h， 水位基本穩(wěn)定， 水位下降7.23 m， 隨后進(jìn)行12 h的水位恢復(fù)試驗(yàn)， 最終水位接近原水位，試驗(yàn)水位過程如圖2所示。

圖2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)過水位過程線

根據(jù)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用直線圖解法，繪制出降深—時(shí)間對數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)s-lgt圖

根據(jù)Theis公式：

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)， m2/s；Q為流量， m3/s；Δs為一個(gè)時(shí)間對數(shù)周期對應(yīng)的降深， m。

由圖3可得Δs為0.65 m，根據(jù)式(1)T = 0.008 4 m2/s。

滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)換算公式為：

式中：K為滲透系數(shù)， m/s；M為含水層厚度，m。

平均含水層取厚度取40 m，由式(2)可得K=2.1×10-4m/s。

滲透系數(shù)的大小代表水流通過地下土層的難易程度，導(dǎo)水系數(shù)的大小代表含水層的過水能力，根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中巖土體滲透性分級標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)滲透系數(shù)大于1×10-4m/s時(shí)，滲透性等級為強(qiáng)透水，因此可以判定該煤層下部承壓含水層為滲透性強(qiáng)，導(dǎo)水能力強(qiáng)。

2.2 井損系數(shù)與影響半徑

在地下水抽采的過程中，以抽水點(diǎn)為中心周圍的補(bǔ)水區(qū)域形成一個(gè)穩(wěn)定的降落漏斗。降落漏斗的半徑即為影響半徑[19]。影響半徑是抽水試驗(yàn)中很重要的一個(gè)特征值，也是地下水動力學(xué)中非常經(jīng)典的一個(gè)參數(shù)，由法國學(xué)者Dupuit提出的可滲透環(huán)島半徑演變而來。對一個(gè)邊界條件一定的理想含水層，影響半徑是一個(gè)固定值，其表征了地層的補(bǔ)水條件，在理論上無論是在抽水過程還是回注過程影響半徑值是相等的。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)Dupuit公式(3)推導(dǎo)出影響半徑，可以據(jù)此合理的布置回注井。

式中：si為i次降深， m；Qi為第i次降深對應(yīng)的流量， m3/s；R為影響半徑， m；rw為井徑， m；T為導(dǎo)水系數(shù)， m2/s；Cw為井損系數(shù)， s2/m5。

根據(jù)三階段穩(wěn)定抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的si/Qi—Qi曲線，如圖4所示。

圖4 si/Qi—Qi曲線圖

通過式(3)和圖4中的擬合曲線可以求解回注井的井損系數(shù)為0.000 4 s2/m5，影響半徑約為236 m。因此在設(shè)計(jì)當(dāng)中，回注井的合理間距要大于兩倍的影響半徑，最后兩回注井間距設(shè)計(jì)值取500 m。

2.3 單井回注量

為了確定單井能接受的回注流量，進(jìn)行了三次短期回注試驗(yàn)(每次周期為3 d)，一次長期回注試驗(yàn)(周期為90 d)?；刈⒎绞讲捎脽o壓自然回注。三次短期回注流量分別為50 m3/h、70 m3/h、80 m3/h。

短期注水水位抬升情況見表2所列，通過表中數(shù)據(jù)可以看出：回注量為50 m3/h時(shí)，水位抬升高度約33.7 m，距離地表(地表絕對高程65 m)約31.3 m；回注量70 m3/h，水位抬升后距離地表約19.3 m；回注量為80 m3/h，水位抬升后距離地表約8.2 m?？紤]到后期正常運(yùn)行后，回注時(shí)間較長，水位抬升不宜過高。尤其是后期若回注井清洗不及時(shí)，水位抬高會驟升，因此為保證后期運(yùn)行的可靠性，最后選擇70 m3/h作為長期回注流量，持續(xù)時(shí)間為90 d。

表2 短期回注試驗(yàn)結(jié)果表

長期回注時(shí)間水位曲線如圖5所示。

圖5 長期回注時(shí)間水位曲線圖

經(jīng)過對注水試驗(yàn)結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論：

1) 試驗(yàn)初期， 水位上升很快， 后期平緩， 但總體呈上升趨勢。

2) 水位上升高度與注水流量之間并非正比例關(guān)系。

3)不考慮其他因素的影響， 目前長期注水試驗(yàn)水位抬升高度圍繞49.9 m 呈波動狀態(tài)， 可認(rèn)為水位基本穩(wěn)定。 經(jīng)過近三個(gè)月的注水結(jié)果來看， 含水層阻塞效應(yīng)并不明顯。

4) 70 m3/h的回注量可以作為單井設(shè)計(jì)回注水量。

3 長期回注可行性分析

3.1 電廠壽命期回注可行性

長期回注可行性取決于工程的水文地質(zhì)條件， 如第三含水層的分布情況、厚度、 滲透系數(shù)等， 以及煤礦疏干排水等影響。 為了深入分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件， 運(yùn)用 MODFLOW 軟件建立地下水流數(shù)值模型對水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化。如圖6所示為地下水流數(shù)值模型。

圖6 地下水流數(shù)值模型

模型范圍基本以回注區(qū)塊為中心， 南北向80 km， 東西向 50 km。 根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)勘查報(bào)告以及煤礦疏干井資料和鉆孔資料， 收集了200 余個(gè)鉆孔資料， 對第三含水層進(jìn)行概化。根據(jù)最大回注水量工況，布置 10 口回注井， 每口井回注量為67.32 m3/h ， 對第三含水層進(jìn)行疏干排水及回注計(jì)算， 模型運(yùn)行 30 a后， 第三含水層等水位線見圖 6。在疏干排水和回注同時(shí)運(yùn)行30 a后， 回注井位置水位下降約8～12 m。根據(jù)計(jì)算，煤礦疏干水的開采有利于回注區(qū)域的水位下降，因此在電廠壽命期內(nèi)回注是可行的。

3.2 水質(zhì)控制和阻塞分析

隨著回注的進(jìn)行可能對濾管、 濾料、 局部含水層產(chǎn)生阻塞， 從而導(dǎo)致回注能力降低。根據(jù)德國回注井的實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，造成阻塞效應(yīng)的主要因素來自于回注水質(zhì)[20-21]。一是水中懸浮物的含量，二是水中的Fe2+和含氧量，回注水中的氧將水中Fe2+和FeS2氧化為 Fe(OH)3，也會與煤層下部含水層中FeS2反應(yīng)生成Fe(OH)3沉淀，將阻塞濾管和含水層， 降低回注能力。反應(yīng)式見式(4)、式(5)：

綜上所述，通過水質(zhì)控制能有效降低阻塞效應(yīng)，通過調(diào)研已經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行的回注系統(tǒng)和理論分析，回注的水濁度需要控制在5FNU內(nèi)，含氧量在1 mg/L內(nèi)，鐵離子含量在0.1 mg/L內(nèi)。

在電廠內(nèi)將回注水經(jīng)過深度處理去除掉鐵離子和懸浮物后進(jìn)入封閉水池。為了盡量多的降低水中氧含量，入井管深入液位以下100 m。

在長時(shí)間運(yùn)行后，管徑濾網(wǎng)沉積懸浮物是不可避免的，因此在運(yùn)行過程中通過回注井水位上升程度判定是否進(jìn)行井的清洗。

3.3 現(xiàn)階段運(yùn)行情況

本電站從2020年初投入使用，已連續(xù)運(yùn)行了2 a多。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行人員的反饋，回注系統(tǒng)運(yùn)行良好。本文收集了近6個(gè)月的回注井液位記錄，回注井液位曲線如圖7所示。

圖7 回注井液位曲線圖

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以看出，近6個(gè)月的運(yùn)行水位(回注井水位距地表距離)主要集中在13～21 m附近。當(dāng)水位低于9～10 m時(shí)，現(xiàn)場會進(jìn)行回注井的清洗，一般4～6個(gè)月進(jìn)行一次洗井。由圖7可知，該井運(yùn)行良好，水位參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

4 管線設(shè)計(jì)及儀表控制

整個(gè)管線長度約14 km，到達(dá)回注區(qū)域后，通過支管引入10口回注井中。管路沿線地形有起伏，根據(jù)管網(wǎng)水錘計(jì)算，在沿線高點(diǎn)以及回注井入口處設(shè)置空氣閥。

經(jīng)過合理的空氣閥及水錘閥設(shè)計(jì)，在管路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和事故停泵工況，均能最大程度的減小管路的水錘破壞。

回注井區(qū)域單獨(dú)設(shè)置了一套PLC遠(yuǎn)程控系統(tǒng)，采用PLC主站加遠(yuǎn)程IO采集單元的方式實(shí)現(xiàn)對所有回注井的信號采集和監(jiān)視?；刈⒕甈LC系統(tǒng)主站通過光纖與電廠內(nèi)的疏干水處理PLC系統(tǒng)通訊，將采集到的所有回注井的回注流量、回注井含水層液位、回注井注水管液位等信息輸送至電廠PLC控制網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。

5 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明回注系統(tǒng)的可靠性主要取決于回注井回注層的透水穩(wěn)定性和水質(zhì)控制。其次根據(jù)回注井液位的高低判斷回注井是否需要進(jìn)行清洗。主要結(jié)論如下：

1)以礦區(qū)疏干水為水源的火力發(fā)電工程產(chǎn)生的濃鹽廢水處理達(dá)標(biāo)后可以通過回注方式排至地下承壓含水層。回注體現(xiàn)了“取之于地下，還之于地下”的環(huán)保理念，既解決了濃鹽水的去向，也維持了地下水的生態(tài)穩(wěn)定性。

2)回注井區(qū)域地下含水層的穩(wěn)定性及透水性需要進(jìn)行非穩(wěn)定流抽水和穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算含水層導(dǎo)水系數(shù)、滲透系數(shù)，判斷地層是否適合回注。單井回注量以及井間距需要通過抽水試驗(yàn)和短期及長期的回注試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算含水層的透水影響半徑以及通過回注水位線確定合理的單井回注水量。

3)根據(jù)抽水試驗(yàn)和短期及長期回注試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算含水層的透水影響半徑，通過回注水位線確定合理的單井回注水量。

4)長期回注的可行性需要模擬回注區(qū)域一定范圍內(nèi)的地下疏干排水和回注情況，結(jié)合長期回注試驗(yàn)結(jié)果并根據(jù)數(shù)值模擬的水位變化趨勢判定電廠壽命期內(nèi)的回注可行性。

5)影響回注井阻塞效應(yīng)的主要因素為回注水的水質(zhì)，其中以懸浮物、含氧量、鐵離子含量最重要。

6)回注井系統(tǒng)宜配置PLC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，根據(jù)液位遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)流量，同時(shí)通過監(jiān)測液位數(shù)據(jù)判斷回注井何時(shí)需要清洗。