中深层深井换热器实验测试及传热特性模拟研究

中深层深井换热器实验测试及传热特性模拟研究

祖拜旦·排黑尔丁

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摘要：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。中深层地热能根据开采和热量提取方式主要分为水热型和换热型。浅层地热能开发单井换热量低，需采用占地面积较大的管群换热，经常受制于项目用地；中深层水热型地热开发经济性显著，但根据地质条件不同，可能会存在尾水回灌较难的问题，同时在一定程度上会对地下水造成破坏，目前国内大多数区域受限。中深层换热型系统的开发，较好地避免了上述开发方式的缺点，通过地热井固井密封以构建闭式循环，保证取热介质(循环水)与地下水不接触，达到“取热不取水”的目的。目前国内外众多学者已经开始探索研究这种地热能开发利用方式，特别是其中采用套管式换热器装置的新系统。

关键词：中深层深井；换热器；实验测试；传热特性；模拟研究

引言

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。

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,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。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,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。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。

2换热器常见问题剖析

2.1淤堵

在板式热交换器中，最普遍的问题就是阻塞，其产生的原因有4种。第一，板式热交换器的流道间距只有3~8mm，当粒径大于4mm的物料通过时，会造成流道堵塞。第二，过滤过程中含有大量的杂物，如杂草，有机絮团、棉纱等，这些杂质的粒径都很大，容易引起板式换热装置的阻塞。第三，如果水里有油、沙等物质，就会产生大量的胶体及淤渣，从而导致板管式换热装置的阻塞。然而，胶、泥等难溶解于各类表面活性剂中，通过化学与传统的在线循环冲洗方法难以实现解堵化，而需对板式换热器进行拆卸与清理，耗费了巨大的人力和资源。第四，由于水溶液中存在大量的钙镁离子，当流经板式换热器时，会在板材的表层沉积，生成碳酸钙和碳酸镁等杂质，从而造成孔道狭窄和阻塞。

2.2渗漏

板式换热设备的渗漏问题有2种：一是外部渗漏，二是内部渗漏。一般来说，造成外泄漏的原因是工人没有将其夹住，板式换热器的每个部分的大小都不一致，造成了实际的误差很大，造成了锁紧螺丝的松动，在使用时，由于密封垫与密封槽分离，再加上没有经常对其进行清洗，所以在密封垫中含有一些杂物，造成了密封垫的破损和老化，从而造成了板式换热器的外漏。由于板式热交换器选用钛合金材质，所以通常而言，腐蚀并非引起内泄漏的重要因素。造成内泄漏的主要因素是板材在冷冲成形过程中产生了残留应力，而组装锁模的尺寸偏小，导致了零件的残余应力无法很好地缓解；在此基础上，提出了一种新的油气分离方法。在通过板式热交换器的过程中，由于气液两相的波动和液体的波动，导致板式板的振荡和变形；由于连续的震动和残余应力的共同作用，使薄板产生了隐性裂纹，导致了内部泄漏。

3结果讨论

3.1出口水温分析

单个采暖季内，地埋管换热器的出口水温在前5天内骤降，后续出口水温衰减趋势逐渐放缓并趋于恒定。这是因为经过非采暖季的自然恢复，采暖季初的土壤温度较高，与管内流体的温差较大，因此换热量较大，出口水温先是迅速达到该采暖季的峰值，而后由于地温的迅速衰减而随之骤降。然而，随着地温下降和水温先升后降，两者温差的缩小导致了换热量降低，后续温差变化速率减慢，因此地温和出口水温的下降速度都趋缓。经过非采暖季的自然地温恢复，地埋管换热器的出口水温基本回升至接近前一年同时刻的水平，但整体仍呈现水温逐渐下降的趋势，且下降趋势随运行年份逐步放缓。随着地埋管换热器钻井深度的增加，出口水温呈现上升的趋势。上升幅度随运行时间逐渐下降，两年后维持较稳定的增幅。总体来看，同时刻涨幅维持在4%~8%，且采暖季初的出口水温随深度变化较小，采暖季末的变化较之更显著。这是因为不同埋深的地埋管换热器的换热性能以及所处的地质情况有所差异，而经过非采暖季的自然地温恢复，该差异造成的取热功率变化降低。

3.2热作用半径分析

经过地埋管换热器的运行，局部地温的变化因工况、深度、与换热器距离及运行时长不同而产生差异。仅依靠大地热流进行地温恢复无法弥补采暖季的取热量，所以宏观上呈现下降趋势。随着距地埋管换热器距离的增加，岩土间的传热距离增加，因此远场的地温变化存在迟滞性。加之大地热流提供的自然热恢复量小于取热量，地温的回升被取热导致的温度降覆盖，因此土壤温度的波动趋势逐渐减弱，最终呈现单调递减的趋势。热作用半径随深度的增加而增加，增幅逐渐下降，且随着地层的差异存在明显的阶梯变化趋势。仅在地层交界处表现为热作用半径骤增，整体仍呈现随热作用半径增大而增幅下降的趋势。而针对深处地层导热系数较小的工况，交界处热作用半径骤减，整体依然表现为随热作用半径增大而增幅下降的趋势。即便如此，这两类地层相较于其上有着更高体积比热容的其他地层，热作用半径依然更大。尤其是随着深度的增加，应当适当增加管间距，并在条件允许时针对下部管道适当造斜，以使相邻埋管在深部位置具有较大的管间距，尽可能避免管间热干扰，确保中深层地埋管的换热性能。

3.3地温场变化情况

循环水在套管式换热器流动过程中，水温与井壁温差沿地热井深度方向增大，从深部地层中吸收热量更多，导致深部地层温度降幅增大。其次，由于地层的差异性，地热井周围地层温度下降及恢复等值线在地层交界面处出现了“阶梯式”变化，岩石导热系数较大的地层在地层交界面附近造成的温度扰动距离更远。结合热扩散率定义可知，在岩石密度、比热容接近的情况下，岩石导热系数与地温梯度越大，越有利于远处地层热量向地热井周围补给，所以地热井取热过程中在张家坡组层位造成的温度扰动距离较上部地层有明显突变，。

结语

对于所处地区的地层导热系数和体积比热容较小的情况，中深层地埋管换热器长期运行的热作用半径及其随深度的增量更显著。为保证地埋管换热器长期运行的稳定性，应设置合理的管间距或对埋管深部进行造斜，尽可能削弱管群间的热干扰，提高中深层地热能的利用效率。

参考文献

[1]孔彦龙，陈超凡，邵亥冰，等.深井换热技术原理及其换热量评估[J].地球物理学报，2017，60(12)：4741−4752.

[2]尚宏波，赵春虎，靳德武，等.中深层地热单井换热数值计算[J].煤田地质与勘探，2019，47(6)：159−166.