串聯式U型地熱井取熱效果分析

楊瑞濤，肖 東

(1.陜西延長石油國際能源化工有限公司，陜西 西安 710065；2. 西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500)

隨著能源的不斷開采和利用，各國面臨的能源危機愈發嚴重。國家著手大力發展新能源，其中地熱能作為一種清潔的可再生能源得到了大力推廣。

世界上第一個地熱井下換熱器裝置是Charles Live 在1931年建成的，其是由地熱井內的管道組成，清潔的取熱工質通過泵實現循環[1]。經過近100 a不斷發展，淺層地熱能利用技術已日益成熟，但中深層地熱能的利用還略顯不足。前人[2-3]利用經典的Ramey井筒溫度傳熱模型的過程中，建立了考慮各種因素的井筒傳熱數學模型，對井下地熱能利用的分析奠定了理論基礎。與目前廣泛使用的井下同軸換熱器地熱系統相比[4,5]，閉式循環U形地熱井由于其特殊的井身結構，可以提供更大的流量和取熱量，它被認為具有更大的潛力。但目前所采用的地下取熱系統均為單井取熱系統，存在出口溫度低等技術缺陷[6]。若將兩口以上的U型地熱井進行串聯，則可解決中深層地熱井出口溫度過低的問題。

因此，本文以串聯U型地熱井為研究對象，以管內流體溫度分布數學模型為基礎，建立了循環工質的溫度分布模型，結合算例分析，驗證了串聯U型地熱井的取熱效果。本文的研究成果為中深層地熱能的高效利用提供了一種新的技術思路。

1 串聯U型地熱井工質溫度分布模型

串聯式U型地熱井由兩個及以上的U型井通過地面管道串聯而成，即第一口U型井的出口管道與為第二口U型井的入口管道相連，可解決取熱介質溫度過低、取熱量不足的問題。其原理如圖1所示。

圖1 串聯式U型的地熱井原理圖

根據串聯管路的基本特點，其水力及熱力特征可用式(1)及式(2)表示。

(1)

Qi-1=Qi

(2)

以井筒入口軸線處為坐標原點的取熱流體溫度分布數學模型(Fluid Temperature Distribution Model，簡稱FTD Model)為基礎[7]，再耦合式(1)與式(2)，即可得到串聯式取熱流體溫度分布模型。

2 計算實例分析

以西安某小區兩口串聯U型地熱井為例，該U型井埋管深度為2 500 m；水平長度為490 m。換熱管的內、外徑分別為0.123 6 m和0.139 7 m；水泥環的外徑為0.311 1 m；在U型井的上升段中，距離地面750 m范圍內鋪設保溫層，保溫層外徑為0.159 7 m。兩口U型地熱井的幾何參數一致。當第一口U型地熱井的進口溫度為5℃，循環排量設置為60 m3/h，利用本文所建立的計算模型獲得的供暖期內(西安地區為每年的11月15日至次年的3月15日)的全井筒平均溫度分布如圖2所示。

圖2 串聯式U型地熱井內循環工質平均溫度分布

從圖2可知，串聯式U型地熱井的出口溫度從單井的17.96℃升至27.34℃，同時，取熱量增加0.65 MW。串聯后，在顯著提高出口溫度的同時，取得了良好的取熱效果。因此，將兩口U型地熱井串聯可以克服中深層地熱井出口溫度過低的缺點。

3 影響因素研究

3.1 循環流量的影響

假設入口溫度設定為5℃，串聯式U型地熱井在10～80 m3流量下的出口溫度和取熱功率變化如圖3所示。

圖3 出口溫度和取熱功率隨循環流量的變化

圖3表明，隨著循環流量的增加，出口溫度降低，取熱功率增加。雖然較大的流量可以提高地熱井的取熱能力，但并不意味著流量越高越好。這是因為較大的流量會消耗更多的泵功并導致較低的出口溫度，從而降低熱能的可用性。因此，必須根據各種因素選擇合適的流量。從圖3還可以看出，兩口地熱井串聯可以顯著增加工質的出口溫度和取熱量，并且隨著流量的增加，出口溫度和取熱量增加的幅度越來越大。當流量為10 m3/h，出口溫度從單井的44.51℃增至串聯井的49.96℃，取熱量從0.46 MW增至0.52 MW，增加幅度約為13%左右；當流量為80 m3/h，溫度的增幅可達52%，取熱量的增幅甚至超過了78%，因此流量越大，則越有必要將兩U型地熱井串聯。

3.2 進口溫度的影響

假設工質的循環排量為60 m3/h，串聯式U型地熱井進口溫度為0℃～20℃下的出口溫度和取熱功率變化如圖4所示。

圖4 出口溫度和取熱功率隨進口溫度的變化

圖4表明，當入口溫度升高時，出口溫度近似線性增加，而取熱量近似線性下降。單井和串聯井的變化趨勢幾乎一致。因U型取熱井存在地面連接管線，地面環境溫度也有輕微影響，地面管線做保溫和地埋處理后，這種地面環境對循環工質溫度的影響可忽略不計。對于深埋管換熱型地熱井，存在井筒內循環工質溫度始終存在與井筒附近地層溫度保持一致的趨勢，停止運行后井筒附近地層溫度始終存在與熱影響范圍外地層溫度保持一致的趨勢。因此，U型地熱井在非供暖季停止運行期間可以快速使井筒周圍地溫場得到恢復。串聯式U型井非供暖期的恢復特征與單U型井應不相同，其在恢復方面的優勢需要后續深入研究。

4 結語

(1)結合串聯管路的水力及熱力特點，耦合經典的FTD Model，建立了地熱開采中取熱流體溫度分布模型，實現了對串聯式U型地熱井取熱過程中流體溫度的預測。

(2)串聯式U型地熱井能顯著提高工質的出口溫度，克服了單井出口溫度過低的缺點。

(3)隨著循環流量的增加，出口溫度降低，取熱功率增加，流量越大，越有必要將兩U型地熱井串聯；隨著入口溫度的升高，出口溫度近似線性增加，而取熱量近似線性下降，單井和串聯井的溫度分布隨入口溫度的變化趨勢幾乎一致。

(4)串聯式U型井非供暖期的恢復特征與單U型井應不相同，其在恢復方面的優勢需要后續深入研究。

(5)串聯式U型地熱井雖可取得較好的取熱效果，但也意味著投資成本的增加。因此，建議將技術與經濟分析耦合，從而全面評估串聯式U型地熱井項目的可行性。