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        基于同層回灌的中深層地?zé)崮芮鍧嵐┡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

        2022-04-29 05:43:18胡文全曹慶皎張昌建羅景輝劉小溪
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年10期
        關(guān)鍵詞:揚(yáng)程熱泵深層

        胡文全,曹慶皎,張昌建,2,羅景輝,2,劉小溪

        (1.河北工程大學(xué),河北 邯鄲 056000;2.河北省暖通空調(diào)創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056000)

        受能源與環(huán)境雙重壓力影響,中深層地?zé)崂眉夹g(shù)研究日趨活躍,高效利用中深層地?zé)崾墙鉀Q碳達(dá)峰、碳中和的有效途徑之一[1]。

        我國目前利用中深層地?zé)嵊?種方法[2]。

        (1)水熱型地?zé)釗Q熱技術(shù)。通過將地下水資源開采抽出,提取熱量后回灌。具有單井取熱量大、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn),但回灌困難、污染地下水環(huán)境。

        (2)保水取熱換熱技術(shù)。利用外界循環(huán)液進(jìn)入井下管道與巖土層換熱,無需開采地下水資源,取熱不取水。主要包括2種形式:U型對接井和同軸套管井。但換熱量有限,工程造價(jià)高,施工難度大。

        本文針對中深層地?zé)崮芡茝V應(yīng)用過程中存在的技術(shù)難題,提出的“同層回灌技術(shù)”,通過潛水泵和真空保溫套管將取出的高溫水經(jīng)過換熱后,送回同取水層,不對地下水造成影響,實(shí)質(zhì)上是一種“取熱不取水”的方式[3-4];將取熱與熱泵技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)熱能梯級(jí)利用,構(gòu)成完整的供暖系統(tǒng)[5]。

        1 深井概況

        地?zé)峋挥诤颖惫こ檀髮W(xué)新校區(qū),所屬地?zé)崽餅楹?磁縣地?zé)崽?,屬于沉積盆地型地?zé)崽?,地溫梯?.53℃/100 m,井深1 570 m,終孔在地層古近系;穩(wěn)定水位36.82 m。根據(jù)水樣水質(zhì)全分析資料,本井熱儲(chǔ)含水層水化學(xué)類型HCO3·Cl-K·Na,溶解性總固體866.00 mg/L,pH值8.22,總硬度38.04 mg/L,屬弱堿性軟水。

        1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

        如圖1所示,鉆井分為三開:

        圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

        一開0~94.2 m井段:螺旋套管φ377×8 mm,套管入井深度94.2 m,高出地面長度2.2 m。

        二開94.2~951.74 m井段:石油套管φ273×8.89 mm,套管入井深度78.45~951.74 m。

        三開951.74~1 570 m井段:石油套管(花管)φ177.8×8.05 mm,套管入井深度935.11~1 570 m。1 206~1 521 m設(shè)置12 m濾水管8根。

        1.2 鉆井溫度變化圖

        該井測井的最終深度為1 552.40 m。測得井深1 552 m的井溫為61.6℃。水溫T(℃)與鉆井深度L(m)的變化關(guān)系如圖2所示,二者可擬合為多項(xiàng)式公式:

        圖2 鉆井深度與水溫關(guān)系圖

        T=0.0601L3-8.5152L2+430.06L-6573.5。

        1.3 熱儲(chǔ)含水層抽水試驗(yàn)

        對熱儲(chǔ)含水層進(jìn)行正式抽水試驗(yàn),獲得最大降深62.51 m時(shí),涌水量63.648 m3/h,抽水試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行了水位恢復(fù)觀測,見表1。根據(jù)測井資料和抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù),劃分14個(gè)含水層,單層厚度為1.45~7.40 m,累計(jì)含水層(中細(xì)砂巖)總厚度43 m。抽水試驗(yàn)最大涌水量1 527.55 m3/d,井口出水最大溫度為48.5℃。

        表1 熱儲(chǔ)含水層抽水試驗(yàn)觀測

        2 中深層地?zé)崮芮鍧嵐┡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2.1 供暖系統(tǒng)原理

        通過井下120 m處潛水泵,將45℃熱水抽出,輸送至清潔供暖系統(tǒng)一級(jí)板換換熱,水溫下降至35℃,提取出的熱量:Q1=(45-35)×20×1.163=232.6 kW直接供給熱用戶。

        35℃低溫?zé)崴M(jìn)入二級(jí)板換換熱,水溫下降至8℃,提取出熱量:Q2'=(35-8)×20×1.163=628 kW,經(jīng)熱泵機(jī)組(選型見2.3.3,cop=3.72)提升能級(jí)后,獲得熱量Q2=Q2'÷(3.72-1)×3.72=858.9 kW,熱泵機(jī)組電功率為230.9 kW。

        8℃冷水通過石油真空保溫管道輸送至井下1 300 m處,通過花管回灌至井下1 300~1 500 m處,實(shí)現(xiàn)同層(館陶組熱儲(chǔ)層)回灌。

        2.2 清潔供暖系統(tǒng)原理

        清潔供暖系統(tǒng)的組成主要由潛水泵、管道管網(wǎng)、一級(jí)、二級(jí)板式換熱器、水源熱泵、回灌壓力泵及熱用戶組成。系統(tǒng)工藝流程圖如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)工藝流程圖

        2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

        2.3.1 負(fù)荷設(shè)計(jì)

        河北工程大學(xué)現(xiàn)需要采暖的建筑面積為19 700 m2,建筑負(fù)荷985 kW,熱量損失8%,需要熱量1 063.8 kW。

        2.3.2 系統(tǒng)阻力

        (1)管網(wǎng)阻力計(jì)算

        井下抽水流量L=20 m3/h,由公式(1)可計(jì)算各管道沿程阻力。

        其中井下抽水管道DN80管道,v1=1.1 m/s,λ1=0.24,l1=120 m;

        井上供回水管道DN100管道,v2=0.63 m/s,λ2=0.18,l2=400 m;

        井下非保溫回灌管道DN80管道,v3=1.1 m/s,λ3=0.24,l3=200 m;

        井下回灌石油保溫套管DN100管道,v4=0.63 m/s,λ4=0.18,l4=1 100 m。

        水力計(jì)算得:P1=2.3 mH2O,P2=1.8 mH2O,P3=3.8 mH2O,P4=5.0 mH2O;合計(jì)12.9 mH2O。

        附加50%局部阻力,6.5 mH2O。

        (2)抽水揚(yáng)程及設(shè)備阻力

        抽水高度120 m、板式換熱器兩臺(tái)合計(jì)10 m H2O。

        合計(jì)阻力149.4 m,循環(huán)水泵選用200QJ20-200,流量20 m3/h,揚(yáng)程200 m,電機(jī)功率22 kW;額外設(shè)置流量20 m3/h,揚(yáng)程80 m,電機(jī)功率11 kW的變頻水泵CDL-32-60用于克服井下涌水壓力實(shí)現(xiàn)回灌。

        2.3.3 水源熱泵選型計(jì)算

        總熱負(fù)荷需求為1 063.8 kW,其中一級(jí)板換直接供熱提供232.6 kW,需依靠熱泵提供831.2 kW熱量。選用約克YEWS260HA50E-HP2型水源熱泵,當(dāng)前工況下電功率230.9 kW。

        二級(jí)板換熱水側(cè)進(jìn)出口溫度為35/8℃,取蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫15/5℃,流量54 m3/h。

        2.3.4 板式換熱器選型計(jì)算[6]

        一級(jí)板換基本參數(shù)見表2。

        表2 一級(jí)板換基本參數(shù)表

        Δ大=Δ小,用平均溫差代替對數(shù)平均溫差,平均溫差Δtm=5℃。

        由公式(2)估算傳熱面積:10 m2

        其中:K'為經(jīng)濟(jì)換熱系數(shù),水-水換熱器取值2 900~4 650 W/(m2·k)。

        選BR0.6M型換熱器,有效換熱面積f=0.6 m2,流道截面積S=2.132×10-3m2,當(dāng)量直徑d1=d2=7.6 mm。

        換熱器流速取W1=W2=0.35 m/s。

        由公式(3)計(jì)算雷諾數(shù):Re1=3 548,Re2=3 219.7。

        由公式(4)計(jì)算努謝爾特?cái)?shù):Nu1=111.7,Nu2=125.9。

        由公式(5)計(jì)算換熱系數(shù):α1=117.8,α2=130.9。

        由公式(6)計(jì)算傳熱系數(shù):K=4 228.9 W/m2·℃。

        板換熱阻RP為45×10-5m2·℃/W,水垢熱阻Rf為1.16×10-6m2·℃/W。

        由公式(7)計(jì)算理論換熱面積:Fm=11 m2。

        由公式(8)計(jì)算單程流道數(shù):n1=n2=8。

        由公式(9)計(jì)算流程數(shù):N1=N2=1.2。

        故取n=10,N=1。

        由公式(10)計(jì)算實(shí)際換熱面積:F=11.4 m2。

        最終選用BR0.6MH型換熱器,板片數(shù)21,換熱面積11.4/12.6 m2(計(jì)算/裝機(jī))。

        二級(jí)板換同理,得出n=13,N=2,F(xiàn)=30.6 m2。

        最終選用BR0.6型換熱器,板片數(shù)53,換熱面積30.6/31.8 m2(計(jì)算/裝機(jī))。

        2.4 其他設(shè)備選型

        (1)一級(jí)供熱泵:80KQL50-32-7.5/2,流量50 m3/h、揚(yáng)程32 m,電機(jī)功率7.5 kW。

        (2)內(nèi)循環(huán)泵:100KQL80-24-7.5/2,流量80 m3/h、揚(yáng)程24 m,電機(jī)功率7.5 kW。

        (3)二級(jí)供熱泵:100KQL100-32-15/2,流量100 m3/h、揚(yáng)程32 m,電機(jī)功率15 kW。

        總電功率293.9 kW,其中熱泵功率230.9 kW,水泵功率63 kW。

        3 清潔供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

        本系統(tǒng)已在河北工程大學(xué)建造并投入運(yùn)行,供暖面積19 700 m2,運(yùn)行狀況良好,達(dá)到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

        3.1 本系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

        運(yùn)行天數(shù)150 d,電費(fèi)單價(jià)0.6元。

        熱泵運(yùn)行時(shí)間系數(shù)0.6,季節(jié)系數(shù)0.6,功率230.9 kW;水泵運(yùn)行時(shí)間系數(shù)0.6,功率63 kW。

        運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)26.11萬元。

        3.2 集中供暖運(yùn)行費(fèi)用

        采用集中供熱,運(yùn)行費(fèi)用為6.4元(/m2·月),運(yùn)行5個(gè)月,運(yùn)行費(fèi)用為63.04萬元。

        每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用63.04-26.11=36.93萬元。河北省內(nèi)廢棄地?zé)峋袔装倏?,若改造為本系統(tǒng),將產(chǎn)生極高的經(jīng)濟(jì)效益。

        4 結(jié)論

        (1)設(shè)計(jì)了清潔供暖系統(tǒng),系統(tǒng)制熱量1 091.5 kW,系統(tǒng)COP4.72,實(shí)現(xiàn)了深層地?zé)豳Y源的高效利用,是解決碳達(dá)峰,碳中和的有效途徑。

        (2)首次采用了同層回灌技術(shù),為解決深層取水導(dǎo)致的環(huán)境污染問題提供了新的途徑。

        (3)建成了示范項(xiàng)目,解決了河北工程大學(xué)19 700 m2冬季供暖問題,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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