王建輝,劉自強(qiáng),焦 敏,劉 偉,付 鵬,梁迎凱, 王 鵬,彭國輝,袁小雪

(1.河北省科學(xué)院能源研究所,河北 石家莊 050081;2.河北桓杰能源科技有限公司,河北 石家莊 050011)

0 引言

開發(fā)和利用中深層地?zé)崮苜Y源為建筑物提供熱源,具有良好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排效果,這已經(jīng)成為全社會(huì)的共識(shí)。近年來,各地把地?zé)嶙鳛樘娲茉粗?不斷加大投資開發(fā)力度,地?zé)峋當(dāng)?shù)量驟增[1-3]。

地?zé)衢_發(fā)利用過程要有水回灌技術(shù)措施,但是部分單位在利用地?zé)豳Y源時(shí)沒有采取回灌措施,或者回灌措施不合理,造成地?zé)嵛菜迸?。僅河北省地?zé)嵛菜迸帕烤瓦_(dá)到5 000萬噸/年以上,不僅地下地?zé)崴Y源大量浪費(fèi),也導(dǎo)致淺層地下水和地表水污染以及產(chǎn)生地面沉降。許多已有的地?zé)峋疅o法繼續(xù)使用,造成大量的資金浪費(fèi)。當(dāng)前為保證地下水的100%回灌要求,不但需要增加回灌井的數(shù)量,而且還需要增加回灌水的壓力,增加了系統(tǒng)投資費(fèi)用以及運(yùn)行能耗。所以亟需研究新的技術(shù),利用一種封閉循環(huán)的中深層地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行“傳熱不傳質(zhì)”,在不取用地?zé)崴耐瑫r(shí),將地?zé)崴臒崃刻崛〕鰜?無需抽采地下水,也不需要開鑿回灌井,可以極大的降低深層地?zé)崴玫慕?jīng)濟(jì)成本,并且不污染和擾動(dòng)淺層、中深層地下水和土壤。從而可以將關(guān)停的地?zé)峋闷饋?最大限度地避免資金浪費(fèi)。

本文通過對(duì)一種適用于中深層地?zé)峋耐S套管式換熱器換熱性能實(shí)驗(yàn)研究,依靠循環(huán)介質(zhì)與地下熱儲(chǔ)之間的換熱來達(dá)到提取地下熱能的辦法,對(duì)中深層地?zé)峋叭岵蝗∷?最大限度的利用深層地?zé)?可以比較有效地解決地質(zhì)沉降與地下、地上污染等問題。

1 中深層地?zé)釂尉畵Q熱原理

中深層地?zé)釂尉畵Q熱又稱套管換熱,是在中深層地?zé)峋型ㄟ^同軸套管進(jìn)行單井內(nèi)部流體循環(huán),基于熱傳導(dǎo)的方式與地層換熱,是一種以“取熱不取水”形式開發(fā)地?zé)崮艿募夹g(shù),該技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4-9],例如,換熱系統(tǒng)屬于全封閉運(yùn)行,無需考慮回灌問題,基本不受地域條件的限制,占地面積小等。中深層地?zé)釂尉畵Q熱實(shí)現(xiàn)過程,如圖1所示。

圖1 中深層地?zé)釂尉畵Q熱示意圖

選擇性能較為適當(dāng)?shù)耐奶坠苁骄聯(lián)Q熱(器)方式。同心套管式井內(nèi)換熱器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示,即向高溫地層(熱儲(chǔ)層)鉆進(jìn)一定深度,當(dāng)滿足地?zé)峋O(shè)計(jì)要求后,采用固井工藝封閉地?zé)崮芫?然后在鉆井內(nèi)安裝井底裝置和一套同心套管,為提高換熱效率在套管和周邊地層的余隙內(nèi)灌注傳導(dǎo)材料,以保證套管和圍巖之間的緊密接觸和傳熱。

圖2 中深層地?zé)崮芫畠?nèi)換熱器結(jié)構(gòu)剖面圖

同心套管的取熱過程是通過地面高壓水泵往井外套管注入載熱流體,載熱流體下降過程中由于溫差的存在被周圍的巖土加熱升溫,經(jīng)過數(shù)千米以上的井內(nèi)熱交換,當(dāng)?shù)竭_(dá)底部時(shí)溫度較高,吸收并蘊(yùn)含了熱量,通過內(nèi)套管再次向上運(yùn)移流出換熱器,經(jīng)熱交換冷卻后的循環(huán)載熱流體再次進(jìn)入地下熱循環(huán),將地層中的熱量源源不斷地轉(zhuǎn)移到供暖系統(tǒng)中,整個(gè)過程不與地下含水層的水產(chǎn)生質(zhì)交換,此外,地?zé)崮芤矊⑼ㄟ^熱傳導(dǎo)或熱對(duì)流,又或是對(duì)流換熱的方式在地層中傳熱,也不受地?zé)崴Y源的環(huán)境約束,具有清潔環(huán)保、高效節(jié)能的特點(diǎn)。

既有的地?zé)峋脑炫c新井類似,只是不需要重新打井、固井。只需要采用比原井管內(nèi)徑小的金屬外管即可。在下入套管換熱器前,注意要對(duì)舊井進(jìn)行井下觀測(cè),保證井況完好,無滲漏、無雜物。

2 井下同軸換熱器地?zé)醾鳠崮Ｐ?/h2>

井下同軸換熱器的傳熱過程如圖3所示。中深層地?zé)嵊镁峦S換熱器系統(tǒng)主要由同軸管內(nèi)換熱流體、井下同軸套管、鉆孔回填材料以及地?zé)峋獾膸r土構(gòu)成。該系統(tǒng)的傳熱過程主要有以下幾個(gè)部分:① 井孔外部巖土的導(dǎo)熱過程;② 回填材料和井孔壁面的換熱過程;③ 回填材料內(nèi)部導(dǎo)熱過程;④ 同軸套管外管壁面與回填材料的換熱過程;⑤ 同軸套管外管管壁的導(dǎo)熱過程;⑥ 同軸套管環(huán)腔內(nèi)流體與外管內(nèi)壁的對(duì)流換熱過程;⑦ 同軸套管環(huán)腔內(nèi)流體與內(nèi)管外壁的對(duì)流換熱過程;⑧ 同軸套管內(nèi)管管壁的導(dǎo)熱過程;⑨ 同軸套管內(nèi)管流體與內(nèi)管內(nèi)壁的對(duì)流換熱過程。

圖3 中深層地?zé)嵊镁峦S換熱器傳熱過程示意圖

其中,中深層地?zé)峋峦S套管換熱器外管壁面和井孔壁面之間采用回填材料填充,且認(rèn)為其填充充分,即不論是換熱器外管壁面,還是井孔壁面與回填材料間的縫隙無限接近為零,并溫度相同,所以此傳熱過程無熱量損耗,省略不計(jì)。

在中深層地?zé)峋峦S套管換熱器中環(huán)腔與內(nèi)管循環(huán)工質(zhì)的溫度分布可以經(jīng)由流體的熱平衡來判斷,流體由環(huán)腔空間進(jìn)入內(nèi)管流出,公式(1)為環(huán)腔內(nèi)流體的能量公式,公式(2)為內(nèi)管中流體的能量公式:

(1)

式中:C1為環(huán)腔通道熱容量;M為水流量(kg/s);cf為水比熱容(J/(kg·K))。

(2)

式中:C2為內(nèi)管通道熱容量。其中:

(3)

式中:r2o為內(nèi)管外半徑(m);r1i為外管內(nèi)半徑(m);r1o為外管外半徑(m);ρfcf為水定容比熱(J/(m3·K));ρ1c1為外管定容比熱( J/(m3·K));ρbcb為回填材料定容比熱(J/(m3·K))。

(4)

式中:r2i為內(nèi)管內(nèi)半徑(m);ρ2c2為內(nèi)管定容比熱(J/(m3·K))。

中深層同軸套管式地埋管換熱器的換熱量Q:

Q=cfM(t2-t1)

(5)

式中:t1為環(huán)腔流體進(jìn)口溫度(℃);t2為內(nèi)管流體出口溫度(℃);M為水流量(kg/s);cf為水比熱容(J/(kg·K));Q為換熱量(W)。

3 中深層地?zé)峋畵Q熱量測(cè)試

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

原有熱源井深1 760 m,泵室段長度400 m,材質(zhì)為φ339.7×9.65鋼制石油套管,取水段長度1 305 m,材質(zhì)為φ177.8×8.05鋼制石油套管。換熱器型式采用同軸套管式,總長度同井深,外套管為φ127×4.5無縫鋼管,加管箍焊接,下端封閉。內(nèi)套管為PPR75管,加管箍熔接,下端開有進(jìn)水孔,采用圓鋼配重。換熱量測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 換熱量測(cè)試系統(tǒng)圖

采集測(cè)試井初始溫度時(shí),打開1#閥門,關(guān)閉2#閥門,開啟1#水泵往井外套管注入循環(huán)水,循環(huán)水下降過程中吸收并蘊(yùn)含了熱量,通過內(nèi)套管再次向上移動(dòng)流出換熱器,循環(huán)一段時(shí)間后,2#溫度傳感器采集的溫度即為測(cè)試井的初始溫度。

正式測(cè)試時(shí),關(guān)閉1#閥門,打開2#閥門,開啟1#、2#、3#水泵,開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)和1#、2#空氣源熱泵機(jī)組,循環(huán)水從換熱器出來后先通過冷卻塔散一部分熱量,再經(jīng)過兩臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)一步散熱后,再次進(jìn)入套管式換熱器進(jìn)行循環(huán),將地層中的熱量源源不斷地取出來,整個(gè)取熱過程不與地下含水層的水產(chǎn)生質(zhì)交換。1#、2#溫度傳感器所測(cè)溫度即為套管式換熱器進(jìn)出水溫度,配合電磁流量計(jì)組成試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)最小采集間隔時(shí)間為60 s。

測(cè)試系統(tǒng)包括電磁流量計(jì)(精度0.2級(jí)DN65)、1#溫度傳感器(PT1000,精度A級(jí),0.15 ℃)、2#溫度傳感器(PT1000,精度A級(jí),0.15 ℃)、1#空氣源熱泵機(jī)組(額定制冷量150 kW)、2#空氣源熱泵機(jī)組(額定制冷量130 kW)、1#泵(流量12 m3/h,揚(yáng)程91 m)、2#泵(流量25 m3/h,揚(yáng)程20 m)、3#泵(流量22.3 m3/h,揚(yáng)程16 m)、冷卻塔(20 T)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試熱源井深1 760 m,水位深度90 m,通過專用測(cè)溫儀沿井深方向,每間隔10 m測(cè)量地下巖土層溫度,測(cè)得熱源井90 m水位深處溫度為17.1 ℃,井底1 760 m處溫度為64.3 ℃,從地面到地下1 760 m的靜態(tài)溫度沿井深方向基本呈線性變化,如圖5所示,平均溫度為39.8 ℃,平均地溫梯度值為2.8 ℃/100 m。

圖5 地?zé)峋貙映跏紲囟惹€圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)出口溫度及取熱量的變化曲線,如圖6、圖7所示。由圖6可知,在開始階段,隨著循環(huán)水與同軸套管換熱器的管壁以及地下巖土之間換熱,循環(huán)水進(jìn)出口溫度不斷下降,取熱量上下波動(dòng)幅度的較大,在隨后的運(yùn)行過程中,溫度逐漸降低,同軸套管換熱器與井下周圍巖土體的換熱逐漸穩(wěn)定,循環(huán)水進(jìn)出口溫度趨于穩(wěn)定,此時(shí),換熱器進(jìn)出口平均溫差為14.06 ℃。

圖6 換熱系統(tǒng)取熱量與進(jìn)出口水溫隨時(shí)間變化曲線圖

由圖7可知,隨著循環(huán)水在同軸套管式換熱器內(nèi)與管壁以及周圍地下巖土之間的換熱,流量基本保持不變,取熱量上下波動(dòng)幅度隨著換熱系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行趨于穩(wěn)定,同軸套管換熱器內(nèi)循環(huán)水平均流量為12.531 m3/h,熱源井換熱量穩(wěn)定在204 kW左右。

圖7 換熱系統(tǒng)取熱量與流量隨時(shí)間變化

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用工程位于定州某工業(yè)園區(qū)公寓院內(nèi),公寓樓沒有外墻保溫,為非節(jié)能型7層住宅樓,供熱面積9 000 m2,原有一眼1 520 m深地?zé)峋峁嵩垂┡?由于不能保證地?zé)崴耐耆毓嗦?造成了地?zé)峋疅o法繼續(xù)使用和采暖,現(xiàn)改為中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng),利用同軸套管式換熱器“取熱不取水”方式為公寓樓供暖,輔助熱源為4臺(tái)空氣源模塊式機(jī)組,具體設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)

供暖系統(tǒng)自2021年11月改造完畢運(yùn)行以來,系統(tǒng)運(yùn)行情況良好,在供暖期間室內(nèi)溫度保持在20 ℃以上。

中深層地?zé)峋峦S套管換熱器出水回水溫度曲線如圖8所示,最高出水溫度40 ℃,隨著熱泵主機(jī)開啟,溫度剛開始下降較快,然后逐漸趨于平緩,中間的波動(dòng)為停機(jī)調(diào)試設(shè)備,可看出停機(jī)的時(shí)間段內(nèi),井內(nèi)溫度顯著回升。

圖8 中深層地?zé)峋峦S套管換熱器出水回水溫度曲線

空氣源模塊機(jī)組供回水溫度變化曲線如圖9所示,空氣源機(jī)組的特點(diǎn)是需要不定期化霜,在化霜期間出水溫度明顯下降,波動(dòng)較大,這也是空氣源機(jī)組的固有缺點(diǎn),隨著環(huán)境濕度增大,化霜期會(huì)出現(xiàn)的更為頻繁。

圖9 空氣源模塊機(jī)組供回水溫度變化曲線

中深層地埋管地源熱泵側(cè)供回水溫度曲線如圖10所示,熱泵機(jī)組的供回水溫度曲線比較平滑,說明中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。圖10中曲線出現(xiàn)溫度波動(dòng)是由于熱泵的供水溫度探頭裝在了系統(tǒng)的總供水端,所以采集的供水溫度受空氣源供水溫度波動(dòng)影響,也出現(xiàn)了溫度波動(dòng)情況,但相較于空氣源機(jī)組的出水溫度波動(dòng)已經(jīng)有了明顯的改善。

圖10 地源熱泵側(cè)供回水溫度曲線

5 結(jié)論

本文介紹了一種適用中深層地?zé)峋耐S套管式換熱器技術(shù)。

1) 實(shí)驗(yàn)表明,同軸套管式換熱器能夠穩(wěn)定運(yùn)行,可以做到傳熱不傳質(zhì),在最大限度利用深層地?zé)岬耐瑫r(shí),不消耗深層地下水,并且取熱量大、后期運(yùn)行費(fèi)用低,單井取熱量可達(dá)到204 kW左右。

2) 中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)采用同軸套管式換熱器取熱能夠持續(xù)穩(wěn)定的為建筑供暖。在實(shí)際工程應(yīng)用中,利用關(guān)停的深層地?zé)峋?只取熱而不抽取地下水,不產(chǎn)生大氣、熱污染或化學(xué)污染和廢物處置問題,可有效解決高投入鉆井費(fèi)用后的深層地?zé)峋e置問題。