魏永祥，胡登海，郭 武，孫崇亮

（中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710055)

與傳統(tǒng)能源相比，地?zé)崮懿皇軞夂驐l件的影響，既可作為基本負(fù)荷能，也可作為峰值負(fù)荷能使用。從其開(kāi)發(fā)利用成本來(lái)看，地?zé)崮茉聪鄬?duì)于其他可再生能源更有發(fā)展?jié)摿1]。截至目前，我國(guó)多地已將地?zé)崮軕?yīng)用至市政供暖工程中去，尤其對(duì)對(duì)于中深層地?zé)崮艿奶剿餮芯扛鼮樯钊搿?/p>

張育平[2]對(duì)關(guān)中盆地中深層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)“保水取熱”供暖關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)提出在中深層地?zé)崮芄┡矫?，已形成了封閉式的“保水取熱”型換熱系統(tǒng)（同軸套管換熱和 U 型對(duì)接井換熱)，可以有效解決目前地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用中遇到的問(wèn)題。丁永昌[3]建立了地?zé)崴到y(tǒng)的優(yōu)化方法，著重分析了火積分析應(yīng)用到換熱器上的優(yōu)化策略，分析了地?zé)崴到y(tǒng)的不同形式及其優(yōu)化準(zhǔn)則，提出了兩種較為可行的運(yùn)行調(diào)控策略。韓二帥[4]分析了無(wú)干擾地?zé)峁峒夹g(shù)和水熱型地?zé)峁峒夹g(shù)兩種技術(shù)的基本情況和應(yīng)用效果，為中深層地?zé)崮芄┡到y(tǒng)研究提供了參考依據(jù)。魏崇山[5]通過(guò)有限元數(shù)值模擬對(duì)地?zé)峁┡P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

目前關(guān)于地?zé)崮苎芯看蠖嗉性诘責(zé)崮芟到y(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。但是，由于地?zé)崮芙粨Q裝置施工對(duì)人員工作狀態(tài)、工作環(huán)境要求嚴(yán)苛，且工作巖層復(fù)雜，熱能交換二次平衡狀態(tài)的位置確定困難，施工過(guò)程常常會(huì)遇到地?zé)嵫b置安裝困難的問(wèn)題，目前關(guān)于地?zé)崮艿难芯垦b置優(yōu)化的研究仍舊不足?；诖?，本文依托西咸新區(qū)灃西新城無(wú)干擾地?zé)崮芄┡?xiàng)目（三期)一標(biāo)段楓溪美郡區(qū)域施工、豐京苑中深層無(wú)干擾地?zé)崮芄┡こ?，在分析地?zé)崮芙粨Q原理的基礎(chǔ)上，對(duì)中深層無(wú)干擾地?zé)崮苣芰拷粨Q裝置從取熱裝置、換熱管安裝裝置優(yōu)化展開(kāi)研究。

1 工程概況

西咸新區(qū)灃西新城楓溪美郡住宅小區(qū)總建筑用地面積8·6 萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)采用中深層地?zé)釒r供熱技術(shù)為背景工程進(jìn)行供暖，其中共設(shè)計(jì)6 口換熱井，分別位于背景工程南北區(qū)各3 口，如圖1 所示。地?zé)峋捎肸J30 石油鉆機(jī)鉆井，井深2 500m，井間距15m。

圖1 背景工程圖

2 施工重難點(diǎn)

地?zé)崮芄┡且环N新型清潔能源技術(shù)，通過(guò)石油鉆機(jī)向地下深層鉆孔，并在井孔內(nèi)安裝石油套管及HDPE 換熱管，在石油套管最底部安裝密閉的金屬換熱器，通過(guò)金屬換熱器的快速聚能及換熱站的循環(huán)將地下深處的熱能導(dǎo)出。施工過(guò)程中有以下施工重難點(diǎn)。

1)地?zé)崮芙粨Q裝置安裝過(guò)程對(duì)工作狀態(tài)、工作環(huán)境要求都極為嚴(yán)苛。

2)地?zé)崮軗Q熱后的高溫?fù)Q熱介質(zhì)取熱效率低、在套管下放過(guò)程中易出現(xiàn)井內(nèi)憋壓的技術(shù)問(wèn)題。

3)HDPE 換熱管焊接質(zhì)量差，安裝效率低，后期因HDPE 管焊接質(zhì)量缺陷，造成更換換熱管帶來(lái)的成本壓力。

3 地?zé)崮芰拷粨Q裝置優(yōu)化研究

為解決中深層地?zé)崮芙粨Q裝置安裝過(guò)程中遇到的施工重難點(diǎn)，本文基于理論研究、工程應(yīng)用，通過(guò)分析地?zé)崮苣芰拷粨Q原理，從取熱裝置優(yōu)化、換熱管安裝裝置安裝等進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.1 地?zé)崮芰拷粨Q原理

中深層無(wú)干擾地?zé)嵝履茉吹責(zé)崮苣芰拷粨Q原理是：通過(guò)石油鉆機(jī)向地下一定深處（2 000～3 000m)高溫巖層進(jìn)行鉆孔，在井孔內(nèi)安裝J55 材質(zhì)石油套管及高密度聚乙烯HDPE 換熱管，在石油套管最底部安裝密閉的金屬換熱器（聚能裝置)，通過(guò)金屬換熱器的快速聚能及換熱站的循環(huán)將地下深處的熱能導(dǎo)出，并通過(guò)專(zhuān)用熱泵系統(tǒng)向地面建筑物供熱的一種清潔能源技術(shù)。交換原理的本質(zhì)是將地下深處的溫度70～120℃的中深層地?zé)崮苓M(jìn)行“取熱不取水”無(wú)干擾轉(zhuǎn)換，具體原理如圖2 所示。

圖2 地?zé)崮苣芰拷粨Q原理

3.2 取熱裝置優(yōu)化

本裝置包括取熱裝置和滑套，滑套安裝于取熱裝置的下方，取熱裝置包括外層取熱套管、中心套管和保溫管，保溫管設(shè)置于中心套管的上方，保溫管的側(cè)壁設(shè)置有空心夾層；滑套包括聚能套管、滑套殼體和用于連接聚能套管與滑套殼體的滑套連接座，滑套殼體設(shè)置有滑套中心管，泄壓塞通過(guò)固定連接柱固定安裝于滑套中心管的內(nèi)側(cè)壁上，如圖3 所示。

圖3 換熱裝置示意圖

套管導(dǎo)熱器由套管接頭本體、導(dǎo)熱芯軸、導(dǎo)向頭等主要零件構(gòu)成。套管接頭與套管接箍連接，導(dǎo)熱芯軸可有效傳遞熱能量。各零件用特殊合金鋼生產(chǎn)，具有耐酸堿、抗腐蝕作用。套管導(dǎo)熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 套管導(dǎo)熱器結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置通過(guò)增加了輸入換熱裝置內(nèi)的換熱介質(zhì)，避免換熱后的高溫?fù)Q熱介質(zhì)在井內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程中再次散熱，提高換熱效率，并在裝置優(yōu)化過(guò)程中設(shè)置滑套，避免了下井過(guò)程中井內(nèi)憋壓情況的發(fā)生。

3.3 換熱管安裝裝置優(yōu)化

本裝置換熱管采用高密度聚乙烯HDPE 復(fù)合管，長(zhǎng)12m，壁厚8·1mm，采用熱熔方式續(xù)接，其具有安裝難度低、成本低、水溫滿足供暖要求、有利于維修更換、耐腐蝕、使用年限長(zhǎng)等特點(diǎn)。

HDPE 換熱管安裝裝置包括以下內(nèi)容：①制作HDPE 管吊裝對(duì)接門(mén)式支架，高15m，設(shè)置纜風(fēng)繩；②門(mén)式支架上固定立式熱熔焊機(jī)，并配備計(jì)時(shí)器水平尺；③門(mén)架平臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)機(jī)，對(duì)HDPE 管進(jìn)行起吊。具體安裝步驟如下。

1)第一步制作門(mén)架，門(mén)架包括了門(mén)架底座、門(mén)架、門(mén)架斜撐及纜風(fēng)繩，門(mén)架底座采用I20a 工字鋼焊接而成，門(mén)架為直徑89mm 無(wú)縫鋼管，連接采用法蘭連接；第二步安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)；第三步安裝立式熱熔焊接，焊機(jī)安裝過(guò)程利用水平尺調(diào)整水平和垂直；第四步安裝計(jì)時(shí)器，試焊HDPE管，根據(jù)焊接情況調(diào)整熱熔焊機(jī)及卷?yè)P(yáng)機(jī)。具體布置如圖5 所示。

圖5 地?zé)峋畵Q熱管安裝裝置圖

2)利用卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊HDPE 管，下部熱熔焊機(jī)卡環(huán)固定HDPE 管，再次起吊HDPE 管，調(diào)整對(duì)齊HDPE 管，再利用平銑刀處理管口，熱熔焊接HDPE 管，計(jì)時(shí)器及時(shí)熱熔時(shí)間機(jī)焊接后冷卻時(shí)間，完成HDPE 管熱熔焊接，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)下放HDPE 管后，進(jìn)行下個(gè)焊口作業(yè)。

4 工程應(yīng)用效果分析

將地?zé)崮苣芰拷粨Q裝置優(yōu)化研究成果應(yīng)用至西咸新區(qū)灃西新城楓溪美郡住宅小區(qū)供暖項(xiàng)目中，優(yōu)化后的取熱裝置通過(guò)增加了輸入換熱裝置內(nèi)的換熱介質(zhì)，避免換熱后的高溫?fù)Q熱介質(zhì)在井內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程中再次散熱，大大提高了換熱效率，同時(shí)裝置優(yōu)化過(guò)程中設(shè)置滑套，也避免了現(xiàn)場(chǎng)下井施工過(guò)程中井內(nèi)憋壓情況的發(fā)生。

采用優(yōu)化后的門(mén)式支架換熱管安裝裝置，提高了中深層無(wú)干擾地?zé)崮艿責(zé)峋畠?nèi)HDPE 換熱管安裝質(zhì)量、安裝效率，與傳統(tǒng)安裝方式相較，節(jié)約了工期約3～5 日，同時(shí)通過(guò)立式熱熔焊接HDPE 換熱管，保證了HDPE 換熱管后期安全。

5 結(jié)語(yǔ)

中深層無(wú)干擾地?zé)崮苣芰拷粨Q技術(shù)是通過(guò)鉆機(jī)向地下一定深處的干熱巖層鉆孔，在鉆孔中安裝密閉的金屬換熱器，通過(guò)換熱器傳導(dǎo)將地下深處的熱能導(dǎo)出，并通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備系統(tǒng)向地面建筑物供熱的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“取熱不取水”無(wú)干擾轉(zhuǎn)換。

對(duì)中深層無(wú)干擾地?zé)崮苋嵫b置通過(guò)增加了輸入換熱裝置內(nèi)的換熱介質(zhì)，避免換熱后的高溫?fù)Q熱介質(zhì)在井內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程中再次散熱，提高換熱效率，并在裝置優(yōu)化過(guò)程中設(shè)置滑套，其中滑套安裝于取熱裝置的下方，可避免下井過(guò)程中井內(nèi)憋壓情況的發(fā)生。