高 嵩 戴志清 郭 璞

（1.中國能源建設集團有限公司工程研究院 2.中能建地熱有限公司 3.中國能源建設集團科技發(fā)展有限公司）

0 引言

地熱能是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點，是一種現(xiàn)實可行且具有競爭力的清潔能源。我國地熱資源豐富，地熱資源包括淺層地熱資源、水熱型地熱資源（中低溫、高溫）和干熱巖資源［1］。

我國地熱能產業(yè)正處在能源供需多極化格局越來越清晰，能源結構低碳化趨勢越來越明顯的當下，隨著“碳達峰、碳中和”的目標進一步明確，地熱能在能源結構調整、應對氣候變化、大氣污染治理中將發(fā)揮更積極的作用，2020年地熱能年利用量7000萬噸標準煤，地熱能供暖年利用量4000萬噸標準煤。京津冀地區(qū)地熱能年利用量達到約2000萬噸標準煤［2］。預計我國到2050年非化石比重占能源消費總量比重超過47%，地熱能貢獻量約占可再生能源總量的50%［3］。淺層地熱能供暖、制冷，熱水型地熱多能互補綜合應用技術快述發(fā)展。深層中低溫熱水型穩(wěn)定發(fā)展，干熱巖發(fā)電研究與工程實踐剛剛起步［4］。中深層地熱能的利用目前在世界范圍內的研究方興未艾，主要用于供暖。

深層地巖換熱器是在不抽取地下熱水的前提下，獲得中深層地熱能并加以利用，研制深層地巖換熱器，建立井管外壁地巖溫度、井管內部水溫測量模型，完成不同工況下的實際換熱能力實驗，通過對實測溫度數(shù)據的分析，結合地下巖石的物理特性建立換熱器分段傳熱數(shù)理模型。綜上，為實現(xiàn)上述研究，測溫方案的研究是十分必要的。

1 測溫方案

1.1 測溫方案的提出

示范項目中采用中深層地巖換熱器外管長度2100～2300m，垂直埋入鉆孔中，需要測量不同深度的套管內水溫及相應深度的桶外土壤、巖石溫度。任何測溫部位的溫度變化范圍在＋5℃到＋90℃之間，測溫點最大環(huán)境壓強為20MPa，測溫點間距20m。以一定步長時間為間隔持續(xù)測量，并記錄全部數(shù)據加以存儲，為后續(xù)數(shù)據分析建模提供依據。需要研究選擇適當?shù)臏y溫儀器設備、傳感器，滿足測溫要求。

鑒于地下井高溫、多水的環(huán)境特點和需要連續(xù)測溫的要求，采用分布式感溫光纖測溫方式［5］，近年來發(fā)展起來的一種實時、在線、多點的溫度傳感技術，測溫范圍廣（－40℃～＋120℃），可以實時測量溫度，感應靈敏、信號回傳速度快，比傳統(tǒng)的點式測溫節(jié)省大量的測溫儀器和信號放大裝置；使用壽命長，尤其在高溫、高熱、強電磁輻射等惡劣環(huán)境下具有特殊優(yōu)勢。

1.2 測溫原理

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)DTS是基于光纖拉曼散射現(xiàn)象。激光器光源發(fā)出的光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生散射，散射光有多種類型，如瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射等。其中拉曼散射是與光纖分子的熱振動相關聯(lián)的，因而對溫度有敏感，可以用來進行溫度測量。在光纖中，散射信號是連續(xù)的，通過使用高速信號采集技術測量入射光和拉曼散射光之間的時間間隔，可以得到拉曼散射光發(fā)生的位置，由于拉曼散射光對溫度敏感，所以可以沿著光纖測量到相應的溫度分布。

圖1 為分布式光纖測溫系統(tǒng)結構圖，在同步控制模塊的觸發(fā)下，激光器發(fā)出的光在光脈沖調制器的作用下，形成特定重復頻率和寬度的脈沖光。脈沖光通過光耦合器連接到恒溫槽和傳感光纖上。在脈沖光的傳輸過程中，不同測試點的散射光信號會有部分沿著傳輸光路返回至光耦合器。光耦合器會將約50%的拉曼散射光耦合至光處理子系統(tǒng)。

圖1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的結構

1.3 測溫系統(tǒng)的構成

測溫系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 測溫系統(tǒng)構成框圖

系統(tǒng)主要由內管光纜、外管光纜、測溫主機、上位機、熱能計幾大關鍵部件構成。內管光纜、外管光纜實時測量地層與管內循環(huán)水的溫度；測溫主機調制、解調內（外）管光纜測溫信號；上位機數(shù)據存儲和顯示；熱能計測量流量及進出口溫度，構成原理如圖3所示。

圖3 流量與溫度測量系統(tǒng)構成框圖

2 結果與討論

本項目中光纖光纜需下到約2000m井深，2000m內部工質（水）壓強為20MPa，介質（水和土壤）溫度不超過100℃，因此壓強是對光纜的最苛刻要求。通過熱力井測溫光纜承受壓力演算公式：

壓力≤（壁厚×2×鋼管材質抗拉強度）／（外徑×系數(shù)）推算出光纜外徑須滿足：

外徑≤（2×鋼管材質抗拉強度×壁厚）／（壓力×系數(shù)S）

SST鋼管焊接拉拔成型做成光纜，SST鋼管焊接拉拔成型后抗拉強度890MPa，壁厚0.18mm。經測算，光纜外徑小于4.01mm可以從理論上滿足抗壓20MPa的要求：

外徑≤（2×890MPa×0.18mm）／（20MPa×4）＝4.01mm

最終確定光纜SST鋼管外徑為2.6mm。

根據需要，共有內管和外管兩根測溫光纜，如圖4和圖5所示，分層、實時測量地層與管內循環(huán)水的動、靜態(tài)溫度（動態(tài)指溫度漸變過程；靜態(tài)指前后時刻溫差為0，系統(tǒng)穩(wěn)定）。

圖4 內外光纜安裝位置示意圖

圖5 內外光纜空間位置關系示意圖

內、外管兩根光纜由井口向下敷設至井底，外管測溫光纜通過水泥與巖石固結在一起，實現(xiàn)對巖層溫度的實時測量，內管光纜插入循環(huán)水中，實時測量循環(huán)水的溫度。

3 結束語

中深層地巖換熱器是在不抽取地下熱水的前提下，獲得中深層地熱能并加以利用，本項目依托示范項目開展研究深層地熱能情況，研究并提出了應用于中深層地巖換熱器的光纖測溫系統(tǒng)，建立井管外壁地巖溫度、井管內部水溫測量方案。通過上述研究證明了中深層地巖換熱器采用分布式感溫光纖測溫的可行性。