同轴套管换热器井下换热性能实验研究

王建辉,刘自强,焦 敏,刘 伟,付 鹏,梁迎凯, 王 鹏,彭国辉,袁小雪

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

0 引言

开发和利用中深层地热能资源为建筑物提供热源,具有良好的经济性和节能减排效果,这已经成为全社会的共识。近年来,各地把地热作为替代能源之一,不断加大投资开发力度,地热井数量骤增[1-3]。

地热开发利用过程要有水回灌技术措施,但是部分单位在利用地热资源时没有采取回灌措施,或者回灌措施不合理,造成地热尾水直排。仅河北省地热尾水直排量就达到5 000万吨/年以上,不仅地下地热水资源大量浪费,也导致浅层地下水和地表水污染以及产生地面沉降。许多已有的地热井无法继续使用,造成大量的资金浪费。当前为保证地下水的100%回灌要求,不但需要增加回灌井的数量,而且还需要增加回灌水的压力,增加了系统投资费用以及运行能耗。所以亟需研究新的技术,利用一种封闭循环的中深层地埋管换热系统进行“传热不传质”,在不取用地热水的同时,将地热水的热量提取出来,无需抽采地下水,也不需要开凿回灌井,可以极大的降低深层地热水利用的经济成本,并且不污染和扰动浅层、中深层地下水和土壤。从而可以将关停的地热井利用起来,最大限度地避免资金浪费。

本文通过对一种适用于中深层地热井的同轴套管式换热器换热性能实验研究,依靠循环介质与地下热储之间的换热来达到提取地下热能的办法,对中深层地热井“取热不取水”,最大限度的利用深层地热,可以比较有效地解决地质沉降与地下、地上污染等问题。

1 中深层地热单井换热原理

中深层地热单井换热又称套管换热,是在中深层地热井中通过同轴套管进行单井内部流体循环,基于热传导的方式与地层换热,是一种以“取热不取水”形式开发地热能的技术,该技术具有独特的优势[4-9],例如,换热系统属于全封闭运行,无需考虑回灌问题,基本不受地域条件的限制,占地面积小等。中深层地热单井换热实现过程,如图1所示。

图1 中深层地热单井换热示意图

选择性能较为适当的同心套管式井下换热(器)方式。同心套管式井内换热器结构原理如图2所示,即向高温地层(热储层)钻进一定深度,当满足地热井设计要求后,采用固井工艺封闭地热能井,然后在钻井内安装井底装置和一套同心套管,为提高换热效率在套管和周边地层的余隙内灌注传导材料,以保证套管和围岩之间的紧密接触和传热。

图2 中深层地热能井内换热器结构剖面图

同心套管的取热过程是通过地面高压水泵往井外套管注入载热流体,载热流体下降过程中由于温差的存在被周围的岩土加热升温,经过数千米以上的井内热交换,当到达底部时温度较高,吸收并蕴含了热量,通过内套管再次向上运移流出换热器,经热交换冷却后的循环载热流体再次进入地下热循环,将地层中的热量源源不断地转移到供暖系统中,整个过程不与地下含水层的水产生质交换,此外,地热能也将通过热传导或热对流,又或是对流换热的方式在地层中传热,也不受地热水资源的环境约束,具有清洁环保、高效节能的特点。

既有的地热井改造与新井类似,只是不需要重新打井、固井。只需要采用比原井管内径小的金属外管即可。在下入套管换热器前,注意要对旧井进行井下观测,保证井况完好,无渗漏、无杂物。

2 井下同轴换热器地热传热模型

井下同轴换热器的传热过程如图3所示。中深层地热用井下同轴换热器系统主要由同轴管内换热流体、井下同轴套管、钻孔回填材料以及地热井外的岩土构成。该系统的传热过程主要有以下几个部分:① 井孔外部岩土的导热过程;② 回填材料和井孔壁面的换热过程;③ 回填材料内部导热过程;④ 同轴套管外管壁面与回填材料的换热过程;⑤ 同轴套管外管管壁的导热过程;⑥ 同轴套管环腔内流体与外管内壁的对流换热过程;⑦ 同轴套管环腔内流体与内管外壁的对流换热过程;⑧ 同轴套管内管管壁的导热过程;⑨ 同轴套管内管流体与内管内壁的对流换热过程。

图3 中深层地热用井下同轴换热器传热过程示意图

其中,中深层地热井下同轴套管换热器外管壁面和井孔壁面之间采用回填材料填充,且认为其填充充分,即不论是换热器外管壁面,还是井孔壁面与回填材料间的缝隙无限接近为零,并温度相同,所以此传热过程无热量损耗,省略不计。

在中深层地热井下同轴套管换热器中环腔与内管循环工质的温度分布可以经由流体的热平衡来判断,流体由环腔空间进入内管流出,公式(1)为环腔内流体的能量公式,公式(2)为内管中流体的能量公式:

(1)

式中:C1为环腔通道热容量;M为水流量(kg/s);cf为水比热容(J/(kg·K))。

(2)

式中:C2为内管通道热容量。其中:

(3)

式中:r2o为内管外半径(m);r1i为外管内半径(m);r1o为外管外半径(m);ρfcf为水定容比热(J/(m3·K));ρ1c1为外管定容比热( J/(m3·K));ρbcb为回填材料定容比热(J/(m3·K))。

(4)

式中:r2i为内管内半径(m);ρ2c2为内管定容比热(J/(m3·K))。

中深层同轴套管式地埋管换热器的换热量Q:

Q=cfM(t2-t1)

(5)

式中:t1为环腔流体进口温度(℃);t2为内管流体出口温度(℃);M为水流量(kg/s);cf为水比热容(J/(kg·K));Q为换热量(W)。

3 中深层地热井换热量测试

3.1 测试系统

原有热源井深1 760 m,泵室段长度400 m,材质为φ339.7×9.65钢制石油套管,取水段长度1 305 m,材质为φ177.8×8.05钢制石油套管。换热器型式采用同轴套管式,总长度同井深,外套管为φ127×4.5无缝钢管,加管箍焊接,下端封闭。内套管为PPR75管,加管箍熔接,下端开有进水孔,采用圆钢配重。换热量测试系统如图4所示。

图4 换热量测试系统图

采集测试井初始温度时,打开1#阀门,关闭2#阀门,开启1#水泵往井外套管注入循环水,循环水下降过程中吸收并蕴含了热量,通过内套管再次向上移动流出换热器,循环一段时间后,2#温度传感器采集的温度即为测试井的初始温度。

正式测试时,关闭1#阀门,打开2#阀门,开启1#、2#、3#水泵,开启冷却塔风机和1#、2#空气源热泵机组,循环水从换热器出来后先通过冷却塔散一部分热量,再经过两台空气源热泵机组进一步散热后,再次进入套管式换热器进行循环,将地层中的热量源源不断地取出来,整个取热过程不与地下含水层的水产生质交换。1#、2#温度传感器所测温度即为套管式换热器进出水温度,配合电磁流量计组成试验数据采集系统。采集系统最小采集间隔时间为60 s。

测试系统包括电磁流量计(精度0.2级DN65)、1#温度传感器(PT1000,精度A级,0.15 ℃)、2#温度传感器(PT1000,精度A级,0.15 ℃)、1#空气源热泵机组(额定制冷量150 kW)、2#空气源热泵机组(额定制冷量130 kW)、1#泵(流量12 m3/h,扬程91 m)、2#泵(流量25 m3/h,扬程20 m)、3#泵(流量22.3 m3/h,扬程16 m)、冷却塔(20 T)。

3.2 测试结果

测试热源井深1 760 m,水位深度90 m,通过专用测温仪沿井深方向,每间隔10 m测量地下岩土层温度,测得热源井90 m水位深处温度为17.1 ℃,井底1 760 m处温度为64.3 ℃,从地面到地下1 760 m的静态温度沿井深方向基本呈线性变化,如图5所示,平均温度为39.8 ℃,平均地温梯度值为2.8 ℃/100 m。

图5 地热井地层初始温度曲线图

根据实验数据,绘制实验测试系统进出口温度及取热量的变化曲线,如图6、图7所示。由图6可知,在开始阶段,随着循环水与同轴套管换热器的管壁以及地下岩土之间换热,循环水进出口温度不断下降,取热量上下波动幅度的较大,在随后的运行过程中,温度逐渐降低,同轴套管换热器与井下周围岩土体的换热逐渐稳定,循环水进出口温度趋于稳定,此时,换热器进出口平均温差为14.06 ℃。

图6 换热系统取热量与进出口水温随时间变化曲线图

由图7可知,随着循环水在同轴套管式换热器内与管壁以及周围地下岩土之间的换热,流量基本保持不变,取热量上下波动幅度随着换热系统的连续运行趋于稳定,同轴套管换热器内循环水平均流量为12.531 m3/h,热源井换热量稳定在204 kW左右。

图7 换热系统取热量与流量随时间变化

4 实验应用

实验应用工程位于定州某工业园区公寓院内,公寓楼没有外墙保温,为非节能型7层住宅楼,供热面积9 000 m2,原有一眼1 520 m深地热井提供热源供暖,由于不能保证地热水的完全回灌率,造成了地热井无法继续使用和采暖,现改为中深层地埋管地源热泵系统,利用同轴套管式换热器“取热不取水”方式为公寓楼供暖,辅助热源为4台空气源模块式机组,具体设备参数见表1。

表1 设备参数

供暖系统自2021年11月改造完毕运行以来,系统运行情况良好,在供暖期间室内温度保持在20 ℃以上。

中深层地热井下同轴套管换热器出水回水温度曲线如图8所示,最高出水温度40 ℃,随着热泵主机开启,温度刚开始下降较快,然后逐渐趋于平缓,中间的波动为停机调试设备,可看出停机的时间段内,井内温度显著回升。

图8 中深层地热井下同轴套管换热器出水回水温度曲线

空气源模块机组供回水温度变化曲线如图9所示,空气源机组的特点是需要不定期化霜,在化霜期间出水温度明显下降,波动较大,这也是空气源机组的固有缺点,随着环境湿度增大,化霜期会出现的更为频繁。

图9 空气源模块机组供回水温度变化曲线

中深层地埋管地源热泵侧供回水温度曲线如图10所示,热泵机组的供回水温度曲线比较平滑,说明中深层地埋管地源热泵系统能够持续稳定运行。图10中曲线出现温度波动是由于热泵的供水温度探头装在了系统的总供水端,所以采集的供水温度受空气源供水温度波动影响,也出现了温度波动情况,但相较于空气源机组的出水温度波动已经有了明显的改善。

图10 地源热泵侧供回水温度曲线

5 结论

本文介绍了一种适用中深层地热井的同轴套管式换热器技术。

1) 实验表明,同轴套管式换热器能够稳定运行,可以做到传热不传质,在最大限度利用深层地热的同时,不消耗深层地下水,并且取热量大、后期运行费用低,单井取热量可达到204 kW左右。

2) 中深层地埋管地源热泵系统采用同轴套管式换热器取热能够持续稳定的为建筑供暖。在实际工程应用中,利用关停的深层地热井,只取热而不抽取地下水,不产生大气、热污染或化学污染和废物处置问题,可有效解决高投入钻井费用后的深层地热井闲置问题。