串聯(lián)式U型地?zé)峋嵝Ч治?/h1>
2021-02-18 02:25:02楊瑞濤
地下水 2021年6期
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(xué)石油與天然氣工程學(xué)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(jī)愈發(fā)嚴(yán)重。國家著手大力發(fā)展新能源，其中地?zé)崮茏鳛橐环N清潔的可再生能源得到了大力推廣。
世界上第一個(gè)地?zé)峋聯(lián)Q熱器裝置是Charles Live 在1931年建成的，其是由地?zé)峋畠?nèi)的管道組成，清潔的取熱工質(zhì)通過泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)[1]。經(jīng)過近100 a不斷發(fā)展，淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)已日益成熟，但中深層地?zé)崮艿睦眠€略顯不足。前人[2-3]利用經(jīng)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(shù)學(xué)模型，對(duì)井下地?zé)崮芾玫姆治龅於死碚摶A(chǔ)。與目前廣泛使用的井下同軸換熱器地?zé)嵯到y(tǒng)相比[4,5]，閉式循環(huán)U形地?zé)峋捎谄涮厥獾木斫Y(jié)構(gòu)，可以提供更大的流量和取熱量，它被認(rèn)為具有更大的潛力。但目前所采用的地下取熱系統(tǒng)均為單井取熱系統(tǒng)，存在出口溫度低等技術(shù)缺陷[6]。若將兩口以上的U型地?zé)峋M(jìn)行串聯(lián)，則可解決中深層地?zé)峋隹跍囟冗^低的問題。
因此，本文以串聯(lián)U型地?zé)峋疄檠芯繉?duì)象，以管內(nèi)流體溫度分布數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了循環(huán)工質(zhì)的溫度分布模型，結(jié)合算例分析，驗(yàn)證了串聯(lián)U型地?zé)峋娜嵝Ч?。本文的研究成果為中深層地?zé)崮艿母咝Ю锰峁┝艘环N新的技術(shù)思路。
1 串聯(lián)U型地?zé)峋べ|(zhì)溫度分布模型
串聯(lián)式U型地?zé)峋蓛蓚€(gè)及以上的U型井通過地面管道串聯(lián)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(zhì)溫度過低、取熱量不足的問題。其原理如圖1所示。
圖1 串聯(lián)式U型的地?zé)峋韴D
根據(jù)串聯(lián)管路的基本特點(diǎn)，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(biāo)原點(diǎn)的取熱流體溫度分布數(shù)學(xué)模型(Fluid Temperature Distribution Model，簡(jiǎn)稱FTD Model)為基礎(chǔ)[7]，再耦合式(1)與式(2)，即可得到串聯(lián)式取熱流體溫度分布模型。
2 計(jì)算實(shí)例分析
以西安某小區(qū)兩口串聯(lián)U型地?zé)峋疄槔?，該U型井埋管深度為2 500 m；水平長度為490 m。換熱管的內(nèi)、外徑分別為0.123 6 m和0.139 7 m；水泥環(huán)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(nèi)鋪設(shè)保溫層，保溫層外徑為0.159 7 m。兩口U型地?zé)峋膸缀螀?shù)一致。當(dāng)?shù)谝豢赨型地?zé)峋倪M(jìn)口溫度為5℃，循環(huán)排量設(shè)置為60 m3/h，利用本文所建立的計(jì)算模型獲得的供暖期內(nèi)(西安地區(qū)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(lián)式U型地?zé)峋畠?nèi)循環(huán)工質(zhì)平均溫度分布
從圖2可知，串聯(lián)式U型地?zé)峋某隹跍囟葟膯尉?7.96℃升至27.34℃，同時(shí)，取熱量增加0.65 MW。串聯(lián)后，在顯著提高出口溫度的同時(shí)，取得了良好的取熱效果。因此，將兩口U型地?zé)峋?lián)可以克服中深層地?zé)峋隹跍囟冗^低的缺點(diǎn)。
3 影響因素研究
3.1 循環(huán)流量的影響
假設(shè)入口溫度設(shè)定為5℃，串聯(lián)式U型地?zé)峋?0～80 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(huán)流量的變化
圖3表明，隨著循環(huán)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?zé)峋娜崮芰?，但并不意味著流量越高越好。這是因?yàn)檩^大的流量會(huì)消耗更多的泵功并導(dǎo)致較低的出口溫度，從而降低熱能的可用性。因此，必須根據(jù)各種因素選擇合適的流量。從圖3還可以看出，兩口地?zé)峋?lián)可以顯著增加工質(zhì)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(dāng)流量為10 m3/h，出口溫度從單井的44.51℃增至串聯(lián)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(dāng)流量為80 m3/h，溫度的增幅可達(dá)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?zé)峋?lián)。
3.2 進(jìn)口溫度的影響
假設(shè)工質(zhì)的循環(huán)排量為60 m3/h，串聯(lián)式U型地?zé)峋M(jìn)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(jìn)口溫度的變化
圖4表明，當(dāng)入口溫度升高時(shí)，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(lián)井的變化趨勢(shì)幾乎一致。因U型取熱井存在地面連接管線，地面環(huán)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(huán)境對(duì)循環(huán)工質(zhì)溫度的影響可忽略不計(jì)。對(duì)于深埋管換熱型地?zé)峋嬖诰矁?nèi)循環(huán)工質(zhì)溫度始終存在與井筒附近地層溫度保持一致的趨勢(shì)，停止運(yùn)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(shì)。因此，U型地?zé)峋诜枪┡就Ｖ惯\(yùn)行期間可以快速使井筒周圍地溫場(chǎng)得到恢復(fù)。串聯(lián)式U型井非供暖期的恢復(fù)特征與單U型井應(yīng)不相同，其在恢復(fù)方面的優(yōu)勢(shì)需要后續(xù)深入研究。
4 結(jié)語
(1)結(jié)合串聯(lián)管路的水力及熱力特點(diǎn)，耦合經(jīng)典的FTD Model，建立了地?zé)衢_采中取熱流體溫度分布模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)串聯(lián)式U型地?zé)峋徇^程中流體溫度的預(yù)測(cè)。
(2)串聯(lián)式U型地?zé)峋茱@著提高工質(zhì)的出口溫度，克服了單井出口溫度過低的缺點(diǎn)。
(3)隨著循環(huán)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?zé)峋?lián)；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(lián)井的溫度分布隨入口溫度的變化趨勢(shì)幾乎一致。
(4)串聯(lián)式U型井非供暖期的恢復(fù)特征與單U型井應(yīng)不相同，其在恢復(fù)方面的優(yōu)勢(shì)需要后續(xù)深入研究。
(5)串聯(lián)式U型地?zé)峋m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(shù)與經(jīng)濟(jì)分析耦合，從而全面評(píng)估串聯(lián)式U型地?zé)峋?xiàng)目的可行性。
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因此，本文以串聯(lián)U型地?zé)峋疄檠芯繉?duì)象，以管內(nèi)流體溫度分布數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了循環(huán)工質(zhì)的溫度分布模型，結(jié)合算例分析，驗(yàn)證了串聯(lián)U型地?zé)峋娜嵝Ч?。本文的研究成果為中深層地?zé)崮艿母咝Ю锰峁┝艘环N新的技術(shù)思路。
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圖1 串聯(lián)式U型的地?zé)峋韴D
根據(jù)串聯(lián)管路的基本特點(diǎn)，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(biāo)原點(diǎn)的取熱流體溫度分布數(shù)學(xué)模型(Fluid Temperature Distribution Model，簡(jiǎn)稱FTD Model)為基礎(chǔ)[7]，再耦合式(1)與式(2)，即可得到串聯(lián)式取熱流體溫度分布模型。
2 計(jì)算實(shí)例分析
以西安某小區(qū)兩口串聯(lián)U型地?zé)峋疄槔?，該U型井埋管深度為2 500 m；水平長度為490 m。換熱管的內(nèi)、外徑分別為0.123 6 m和0.139 7 m；水泥環(huán)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(nèi)鋪設(shè)保溫層，保溫層外徑為0.159 7 m。兩口U型地?zé)峋膸缀螀?shù)一致。當(dāng)?shù)谝豢赨型地?zé)峋倪M(jìn)口溫度為5℃，循環(huán)排量設(shè)置為60 m3/h，利用本文所建立的計(jì)算模型獲得的供暖期內(nèi)(西安地區(qū)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(lián)式U型地?zé)峋畠?nèi)循環(huán)工質(zhì)平均溫度分布
從圖2可知，串聯(lián)式U型地?zé)峋某隹跍囟葟膯尉?7.96℃升至27.34℃，同時(shí)，取熱量增加0.65 MW。串聯(lián)后，在顯著提高出口溫度的同時(shí)，取得了良好的取熱效果。因此，將兩口U型地?zé)峋?lián)可以克服中深層地?zé)峋隹跍囟冗^低的缺點(diǎn)。
3 影響因素研究
3.1 循環(huán)流量的影響
假設(shè)入口溫度設(shè)定為5℃，串聯(lián)式U型地?zé)峋?0～80 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(huán)流量的變化
圖3表明，隨著循環(huán)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?zé)峋娜崮芰?，但并不意味著流量越高越好。這是因?yàn)檩^大的流量會(huì)消耗更多的泵功并導(dǎo)致較低的出口溫度，從而降低熱能的可用性。因此，必須根據(jù)各種因素選擇合適的流量。從圖3還可以看出，兩口地?zé)峋?lián)可以顯著增加工質(zhì)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(dāng)流量為10 m3/h，出口溫度從單井的44.51℃增至串聯(lián)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(dāng)流量為80 m3/h，溫度的增幅可達(dá)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?zé)峋?lián)。
3.2 進(jìn)口溫度的影響
假設(shè)工質(zhì)的循環(huán)排量為60 m3/h，串聯(lián)式U型地?zé)峋M(jìn)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(jìn)口溫度的變化
圖4表明，當(dāng)入口溫度升高時(shí)，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(lián)井的變化趨勢(shì)幾乎一致。因U型取熱井存在地面連接管線，地面環(huán)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(huán)境對(duì)循環(huán)工質(zhì)溫度的影響可忽略不計(jì)。對(duì)于深埋管換熱型地?zé)峋嬖诰矁?nèi)循環(huán)工質(zhì)溫度始終存在與井筒附近地層溫度保持一致的趨勢(shì)，停止運(yùn)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(shì)。因此，U型地?zé)峋诜枪┡就Ｖ惯\(yùn)行期間可以快速使井筒周圍地溫場(chǎng)得到恢復(fù)。串聯(lián)式U型井非供暖期的恢復(fù)特征與單U型井應(yīng)不相同，其在恢復(fù)方面的優(yōu)勢(shì)需要后續(xù)深入研究。
4 結(jié)語
(1)結(jié)合串聯(lián)管路的水力及熱力特點(diǎn)，耦合經(jīng)典的FTD Model，建立了地?zé)衢_采中取熱流體溫度分布模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)串聯(lián)式U型地?zé)峋徇^程中流體溫度的預(yù)測(cè)。
(2)串聯(lián)式U型地?zé)峋茱@著提高工質(zhì)的出口溫度，克服了單井出口溫度過低的缺點(diǎn)。
(3)隨著循環(huán)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?zé)峋?lián)；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(lián)井的溫度分布隨入口溫度的變化趨勢(shì)幾乎一致。
(4)串聯(lián)式U型井非供暖期的恢復(fù)特征與單U型井應(yīng)不相同，其在恢復(fù)方面的優(yōu)勢(shì)需要后續(xù)深入研究。
(5)串聯(lián)式U型地?zé)峋m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(shù)與經(jīng)濟(jì)分析耦合，從而全面評(píng)估串聯(lián)式U型地?zé)峋?xiàng)目的可行性。
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