西安市某地熱試驗項目U型深埋管換熱研究

龍安杰 熊文學 盧雄 寇楓

摘要：通過建立數學物理模型，利用移動有限長線熱源模型同心套管式地埋管的取熱量影響因素進行了分析，并對恢復期間地溫場的變化進行計算。

關鍵詞：U型深埋管;取熱量;換熱規律

本試驗采用的是中深層地埋管“取熱不取水”技術，通過利用鉆井技術向地下中深層巖層鉆井，下入高效換熱管，將低溫流體介質注入到取熱管（井）中，把地層深處的地熱能傳遞給管內低溫流體使之升溫，管內與管外流體只存在熱交換而不存在質交換。利用此技術，可以避免開采地下熱水，防止地下水資源浪費與隨意排放，不產生污染物，是資源可持續利用的有效途徑。

1 取熱井熱力計算模型

對于中深層地熱能開發，通常埋管所處的巖層結構為非均質、溫度場為非均勻分布，不能像淺層土壤源熱泵埋管換熱那樣被簡化為一維問題。為此，數值模擬計算采用移動有限長線熱源模型對井下換熱器展開計算，具體模型設置與計算方法如下。

2.深埋管取熱量計算結果與分析

通過建立數學物理模型，利用先進的移動有限長線熱源模型對地埋管的換熱量與地溫場的改變進行計算。

2.1U型水平對接管計算結果

采用試驗井的測井溫度數據，對井深2500 m U型水平對接管進行模擬計算。

（1）地熱井取熱量隨工作時間變化情況

計算結果表明，隨著工作時間的推移，地熱井的取熱量呈現下降趨勢。從圖2-1、圖2-2則可以看出，在滿負荷工作初期，地熱井的取熱量大但下降速度快，而到工作中、后期其取熱量變小且變化速度趨于平緩。因此，為了能更客觀地表現地熱井的取熱能力，我們選擇地熱井取熱量變化率小于0.5%時的計算值作為地熱井取熱能力的評價依據，并以此值進行相關方案的設計。

（2）不同工況下地熱井換熱計算結果

圖2-3～2-4分別給出了不同工質流量/入口水溫下，U型水平對接管出口水溫和換熱功率與入口水溫/工質流量的關系圖。從圖中可以看到，在工質流量一定的情況下，U型水平對接管的出口水溫隨入口水溫的增大而近乎線性增加，換熱功率卻隨入口水溫的增大而近乎線性減小。當入口水溫一定時，隨工質流量的增加，U型水平對接管的出口水溫將減小，且減小速率降低;U型水平對接管的換熱功率則隨之而增大，但其增大速率降低。

由于中深層埋管內水的溫度變化較小，密度變化可忽略不計，因此由于重力影響導致的沿程損失可以忽略。

（3）停止供暖后地溫恢復分析

通過建立中深層地熱能巖石三維傳熱數值模型，分析了一個取暖季停止供暖后，地下緊鄰水泥環的地層溫度隨著時間變化規律。如圖2-7是地下2500m深處緊鄰水泥環的地層溫度隨著時間變化圖。結果表明，經過一個取暖季后，緊鄰水泥環的地層溫度初始恢復快，后期恢復慢。運行一年后，2500米深處地層溫度由供熱季結束時的30.23℃升溫恢復到76.1℃，相對于初始地溫狀態81℃，大約下降4.9 ℃，地溫的恢復率為92.2%。而除下降管2500米深處之外，地溫的恢復率均大于97%。

（4）地層導熱系數對地熱井換熱效果的影響

根據關中盆地共獲得的實測巖石熱導率數據，由淺到深熱導率始終在1.5-2.4 W/（m?K）之間，且砂巖、泥巖熱導率相差不大。故此，在測得的熱導率數據范圍內，我們對不同地層導熱系數（即巖石熱導率）下，入口水溫15℃、工質流量為40 m/h時U型水平對接管的換熱情況進行了模擬計算。

由于欠缺本項目鉆井地區地層實際的熱導率值，在計算中，均采用平均值2.294 W/（m·K）作為地層導熱系數進行。

（5）U型井水平段換熱效果分析

當水平段長度增加1000 m后，工作121天時，其出口水溫較之為增加長度前的高2.7℃，總換熱功率較增加長度前的大0.125 MW，而水平段對總換熱功率的貢獻也由16%增長至與下降段接近的35%。可見，只要水平段出口流體溫度低于地層溫度，有效增加水平段的換熱面積確實對提高U型水平對接管的取熱能力有較大幫助。