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一种地热尾水高效回灌技术

摘要:

  由于传统对井抽灌技术存在种种缺陷,导致浅层和中深层地热开发尾水难以等量回灌和持续回灌。本文在充分解析各种原因基础上,提出采用发明的一整套井水回灌设备,实行封闭式取水还水,保持井水水质不变,杜绝各种堵塞因素,保证地热尾水等量回灌和持续回灌,保证取水温度长久稳定,对成井工艺和取水还水设计施工方法提出一整套改进意见。

关键词:封闭式取水还水   等量回灌   持续回灌   立体贮能   保持含水层热平衡

引言

  随着地热资源税的开征,地热开发企业必须刻不容缓解决井水回灌难题。根据各省现行地热资源税收费标准,能够回灌的部分按照每立方井水0~3元征收,不能回灌的部分按照每立方10~30元征收。能够回灌的井水比较便宜,不能回灌的井水很贵,说明国家在用水费价格逼着大家解决井水回灌难题。能够保证井水等量回灌的企业才能生存,不能保证井水等量回灌的企业只能关门。在这生死存亡关键时刻,最近全国各地都在召开井水回灌技术研讨会,说明大家都在积极寻找解决井水回灌难题的办法。国家已经明确十四五期间清洁能源目标任务,大力提倡利用浅层地热能制冷供暖,大力提倡利用中深层地热供暖,明确规定只取热不取水,必须保证所取井水全部回灌地下,对于地热开发企业来说这是巨大商机,也是严峻挑战。

  由于传统对井抽灌技术存在种种缺陷,导致井水难以等量回灌和持续回灌。为了解决井水回灌难题,很多人费尽心机,有人搞下层抽水上层回灌的单井抽灌方案,也有人搞两个井靠得很近的诱导抽灌方案,回灌水没有与地下含水层充分换热就被抽上来了,不能保证取水温度长久稳定,属于为了回灌而回灌的假回灌。

  作者从事地源热泵等中央空调产品制造和工程设计施工几十年,为了解决井水难以等量持续回灌难题,在长期生产实践中发现问题解决问题,不断完善改进设计发明了一整套井水回灌设备,发明了采用很多小管井多点微量注灌,利用地下含水层立体贮能的封闭式等量取水还水地下工程设计施工方法,彻底掌握了井水回灌主动权,解决了保持地下含水层热平衡和保持井水水质不变难题。为了推动地热开发技术进步,帮助大家解决井水回灌难题,2018年把发明的一整套井水回灌设备,和多点微量注灌封闭式等量取水还水地下工程设计施工方法,结合起来申报发明专利,专利号ZL201810526254.5,专利名称《一种地源热泵封闭式等量取水还水系统》,2020年6月26日获得国家知识产权局授权。

  作者研究井水回灌三十年,已在全国各地各种水文地质条件下成功实施很多浅层井等量取水还水工程,不管是每小时流量几立方到几十立方井水的小工程,还是每小时流量几百立方井水的大工程,等量轻松回灌十年二十年,不需要回扬洗井,一直稳定运行到现在,取水温度和回灌井压力几乎没有变化。实践证明发明的一整套井水回灌设备是成熟可靠的,实践证明多点微量注灌,利用地下含水层立体贮能的封闭式等量取水还水设计施工理论是正确的,方法是可行的,只要能够取到水的地方就能保证井水等量持续回灌。

  本发明一整套井水回灌设备和多点微量注灌封闭式等量取水还水设计施工方法,不仅适用于浅层井水源热泵系统,同样适用于中深层地热开发取水还水系统。为了帮助大家彻底解决井水回灌难题,很有必要撰写本文详细讲解取水还水基本原理和实施方法。

一、解析取水容易回灌难的根本原因

1.1、取水井和回灌井动能条件不同

  因为传统技术都是采用开口井自流取水,完全依靠井里动水位下降,与井里静水位之间形成压差才能自流取水。随着取水井里动水位下降,在取水井周围形成漏斗区,漏斗区降得越深,取水量越大。

  因为传统技术都是采用开口井自流回灌,完全依靠井里动水位升高,与井里静水位之间形成压差才能自流回灌。随着回灌井里动水位升高,在回灌井周围堆成水丘,动水位升得越高,回灌能力越强。(详见图1)。

(图1)传统开口井对井抽灌原理图

 不管是取水井取水,还是回灌井回灌,必须要有一定压差动能条件才能取水,才能回灌。取水井里动水位可以无限下降,取水动能条件没有问题。回灌井里静水位由地下水静水位决定,地下水静水位有深有浅,在地下水静水位很浅的地方,没有自流回灌动能条件,必须实行加压回灌,为井水回灌创造动能条件才能回灌。华北平原地下水静水位多在地面以下10~30米深,回灌井里装满井水以后,可以形成1~3个水柱回灌压力,自流回灌能力较强。在南通地区挖下去1~2米深就见水,没有自流回灌能力,即使打很多回灌井也不能保证井水等量回灌。南通市地处长江下游出海口,地势较低,井里静水位只有1~2米深,地下200米以内都是淤泥夹细砂,含水层渗透系数非常小,为了能在这种水文地质条件下保证井水等量持续回灌,必须要给回灌井创造动能条件,从而造就了采用很多小管井实行封闭式加压回灌,多点微量注灌的封闭式等量取水还水系统发明专利。

1.2、取水井和回灌井阻力条件不同

  取水井取水,地下水从外围向圆心流动,过水面积越来越小,地下水流速越来越快,快到一定程度就会把地下含水层里面细小泥砂浮动起来,随着水流带入取水井内,改良了靠近取水井的渗透流道。

  回灌井回灌,回灌水从圆心向外流动,靠近回灌井的含水层阻力最大,要想打开渗透流道很难。因为越是向外过水面积越大,地下水流速越慢,推力越小,不能把靠近井管的泥砂推向远处,没有改良含水层渗透流道的能力,导致回灌井和取水井阻力条件不同。

1.3、开口井取水还水导致回灌越来越难

  因为传统技术都是采用开口井取水还水,没有采用可靠的井水回灌设备,不能实行封闭式取水还水,井水有与空气接触的机会,容易生成氧化物和微生物堵塞回灌井和地下含水层,导致井水回灌越来越难。因为没有采用可靠的井水回灌设备,不能把井水中的气体和细小泥砂分离出来,回灌井和地下含水层容易气堵和砂堵,导致井水回灌越来越难。因为传统技术都是采用开口井取水还水,需要经常把取水井和回灌井对调抽灌,把堵塞在含水层渗透流道里面的气体和脏物反抽出来改善回灌条件,经常回扬洗井反复改变地下水流向,反复重组地下含水层渗透流道,造成地下含水层物理堵塞,导致井水回灌越来越难。

1.4、传统对井抽灌技术回灌井数量太少

  传统对井抽灌技术都是采用开口井取水还水,为了节省打井费用,都是按照一抽二灌,至多一抽三灌配置回灌井,属于强制回灌或者免强回灌。完全依靠回灌井里动能条件和含水层渗透能力回灌,靠天吃饭,没有主动权。因为地下水静水位有深有浅,动能条件不等。因为浅层井取水还水参与对流热交换的含水层厚度有大有小,含水层渗透系数有大有小,阻力条件不等,所以回灌井数量不能固定。因为回灌井数量太少,不能满足井水等量轻松回灌和长久持续回灌要求,必须根据水文地质条件,在确保等量轻松回灌前提下合理确定回灌井数量,必须要让回灌能力远远大于取水量,才能彻底掌握井水回灌主动权。

二、怎样杜绝各种堵塞因素

2.1、严防泥砂堵塞回灌井和地下含水层

2.1.1、严格控制单井取水量,严禁超采

  必须根据水文地质勘探资料选择目标取水层,根据含水层渗透系数和参与对流热交换的砂层厚度,认真计算取水量。严禁超采,以防地下水进入取水井的流速太快带入泥砂。刚打好的取水井可以采用大流量水泵超强度抽水洗井几个小时,把取水井周围地下含水层渗透流道抽通以后,改用流量小一点的潜水泵抽水,让取水井里动水位大幅度上升,把取水井里动水位保持在设计要求之内,才能把潜水泵流量确定下来。特别是在细砂含水层里面取水,能取100立方井水的只取50立方井水,大幅度减小动水位下降幅度,严格控制地下水进入取水井的流速,不让地下含水层里的细小泥砂移动,才能取到含砂量很低,甚至不含泥沙的清水。

2.1.2、认真做好成井工艺细节,严防漏砂

  必须根据水文地质条件采用合适的钻井施工方法,在细砂层里面取水还水,尽量采用反循环钻井工艺,防止泥浆糊住井壁影响水流量。含水层粒径越小,取水井开孔直径越要加大,保证回填滤料要有足够厚度才能起到阻挡过滤泥砂作用。加大开孔直径有利于增加过水面积增加取水量。根据各个含水层里面的泥砂粒径大小,选用合适的粒径滤料对应回填,既要防止滤料粒径过小影响水流量,也要防止滤料粒径过大不能起到阻档过滤泥砂作用。选用合适的井管和过滤材料认真包裹,严防漏砂。依靠一系列有效措施保证取到合格的清水。

2.1.3、采用除砂效率高的气水分离除砂器

  传统的旋流除砂器(图2)因为没有气水分离能力,为了防止气堵,只能把井水中解压出来的气泡随着水流从顶部带走,所以传统的旋流除砂器只能下进上出设计。因为桶体内的井水向上旋流,只有较大颗粒砂子能够突破向上旋流的水流升力往下沉淀,细小泥砂都被水流带走了,除砂效率很低。本发明带有气水分离器的上进下出式旋流除砂器,简称气水分离除砂器(图3)。因为桶体直径较大,水在桶体内旋流速度较慢,能把井水中的溶解气体充分解压分离出来。同时由于改进为上进下出,井水向下旋流,巧妙利用了水流导向力、离心力和泥砂重力,三力合成能把井水中的细小泥砂旋流沉淀到桶体底部。

(图2)传统的旋流除砂器

(图3)气水分离除砂器

2.1.4、完善工程技术规范,制度控制成井工艺

  现行地源热泵工程技术规范取水还水部分编得都比较简单,成井工艺都是要求按照单供水的GB50296《供水管井技术规范》执行,这样规定显然不合理。《湖南省地源热泵系统工程技术标准》征求意见稿DBJ43/XX-2020编得比较详细,明确规定取水井滤料粒径2~10mm,回灌井滤料粒径5~20mm,这样规定也不合理。一是因为同一口取水井可能要从几个含水层里面取水,各个含水层粒径可能不一样,在细砂层里面取水还水因为含水层粒径很细,取水井采用粒径2~10mm滤料回填肯定嫌粗,不能起到阻档过滤泥砂作用。作者认为取水井回填滤料粒径按照含水层粒径3~5倍规定比较合适。二是因为现行工程技术规范受到传统技术限制,规定取水井和回灌井应能满足互换抽灌需要。既然回灌井需要经常作为取水井使用,回灌井也应作为取水井对待,也要采用取水井滤料回填,不能采用过粗滤料回填,只有不取水单回灌的回灌井回填滤料粒径可以粗点儿。水文地质条件千变万化,每个工程应该根据水文地质条件一地一策,甚至一井一策编制成井工艺方案。企业标准应该严于国家标准,不能只图符合国家标准。

2.2、严防氧化物堵塞回灌井和地下含水层

  由于传统技术都是采用开口井自流取水,都是采用开口井自流回灌,井水有与空气接触的机会。井水中含有各种化学离子,主要有钙、镁、钠、钾、铁、铝、硫酸根等。不少化学离子一遇到氧气就会发生氧化反应,有的生成粘稠物,有的生成沉淀物。必须实行封闭式取水还水,杜绝开口井取水,杜绝开口井回灌,严格防止井水接触空气。也要杜绝真空负压回灌,以防吸入空气。井水接触空气以后,不仅当场发生氧化反应,回灌地下含水层以后还会继续氧化反应。不仅生成氧化物,还会滋生微生物,堵塞回灌井井壁过滤层和地下含水层渗透流道,回扬洗井很难清除。必须采用本发明三道脱气设备实行封闭式取水还水,保证井水从取出来到回灌地下全过程不接触空气,不让井水发生氧化反应,保持井水水质不变,才能保证井水长久轻松回灌。

2.3、严防气体堵塞回灌井和地下含水层

  井水长期承压状态封闭在地下,含有各种气体,主要有二氧化碳、二氧化硫、甲烷等气体,还有少量硫化氢、氯化氢等气体。含有二氧化碳气体的井水就和碳酸饮料汽水碑酒一样,地下水流入取水井里以后,就象碑酒瓶打开了瓶盖,会有少量气体解压出来,肉眼可见少量气泡上浮。把碑酒倒进杯子里以后,会有大量气体解压出来。把碑酒喝到肚子里以后还有少量气体解压出来。井水经过潜水泵搅动和管路中快速流动,会有大量气体解压出来,这和啤酒瓶在打开瓶盖之前剧烈摇晃一下,打开瓶盖时会有大量气体喷出来道理一样。如果把未经充分脱气的井水回灌到地下,就会造成回灌井周围地下含水层渗透流道气堵。必须采用本发明三道脱设备,把井水中含有的溶解气体彻底解压分离出来,保证回灌水中没有气体,才能保证回灌井和地下含水层不会发生气堵,才能保证井水长久轻松回灌。

2.4、不能反复改变地下含水层渗透流道

  传统对井抽灌技术需要经常把取水井和回灌井对调过来反抽灌,称为回扬洗井,就是为了把堵塞在含水层渗透流道里面的气泡反抽出来,也是想把堵塞在回灌井井壁过滤层和含水层渗透流道里面的氧化物微生物反抽出来。清除含水层里面气泡堵塞比较容易,清除粘稠的氧化物微生物堵塞非常困难,只能暂时改善含水层气泡堵塞,不能解决氧化物微生物堵塞。因为经常回扬洗井,反复改变地下水流向,反复重组地下含水层渗透流道,造成含水层物理堵塞,导致不能长久持续回灌。为了保证井水长久轻松回灌,一是要让回灌水永远都从回灌井向取水井单向流动,因为地下含水层渗透流道打通以后不能反复改变地下水流向,破环砂粒之间稳定关系。二是不能让回灌量大于含水层渗透能力,能回灌20立方井水的只回灌10立方井水,只有在回灌量小于渗透能力情况下,才能保证地下含水层泥砂不会移动,才能保证渗透流道不会改变。

三、怎样实施封闭式取水还水系统

3.1、封闭式取水不是简单的加上井盖

  必须实行封闭式等量取水还水,防止井水氧化反应,防止氧化物微生物堵塞回灌井和地下含水层,才能保证井水长久持续回灌。作者写过几稿封闭式取水还水培训材料,十几年前就把培训材料发布到网上,直到现在大家都是半知半解。作者最近和一家地热开发企业交流时,一说必须实行封闭式取水还水,他们就说我们已用井盖把取水井封闭起来取水,已用井盖把回灌井封闭起来加压回灌。单用井盖把取水井井口封闭起来抽水行不行?肯定不行!因为潜水泵一启动,井里动水位就会下降,刚开始能对动水位以上空间拉真空,随着地下水不断流入取水井,井水中的溶解气体不断解压出来,动水位以上真空度随之失去,真空负压取水的吸引力随之失去。随着井水不断流入取水井内,动水位以上气体越聚越多,就会压迫井里动水位不断下降,动水位越降越深,潜水泵扬程功耗越来越大,出水量越来越小,直到取水井里达到一定压力,取水井里的井水不能解压脱气为止。由此可见这种封闭式取水不是做的好事,而是做的坏事。

3.2、封闭式回灌也不是简单的加上井盖

  没有把井水里面的溶解气体充分解压分离出来之前,能不能实行封闭式加压回灌?肯定不行!因为井水经过潜水泵搅动和管路中快速流动,井水中会有的溶解气体解压出来,变成很多小气泡随着水流快速流动,到了回灌井井口往下拐弯的地方,水往低流,气往上走,就会造成回灌井井口气阻。必须要在回灌井井盖上面开孔排气,否则不能回灌。如果把含有气体的井水强制回灌地下,井水中的气体在地下含水层中解压出来,就会造成地下含水层渗透流道气堵,必须频繁回扬洗井才能回灌。所以这种封闭式加压回灌不是做的好事,而是做的坏事。

  由于水文地质条件不同,井水中含气量有多有少,即使含气量只有1%,每取一百立方井水就有一立方气体解压出来,变成成千上万个微小气泡堵塞在地下含水层渗透流道里面,对于井水回灌危害也是极大,必须成套采用本发明三道脱气设备才能彻底解决气堵问题。

3.3、封闭式取水还水地源热泵系统实施方法

  封闭式取水还水系统必须按照(图4)实施,不仅要用井盖把取水井封闭起来取水,不仅要用井盖把回灌井封闭起来加压回灌,还要连续采用三道脱气设备,把井水里面溶解气体彻底解压并且分离出来,保证回灌水里面不再含有气体,才能保证回灌井和地下含水层不会发生气堵,不需要回扬洗井也能保证井水长久持续回灌。必须采用三道脱气设备才能形成全封闭的取水还水系统,才能保证井水从取出来到回灌地下过程中井水不与空气接触,不会发生氧化反应,保持井水水质不变,才能保证井水长久持续回灌。


(图4)一抽多灌封闭式等量取水还水地源热泵系统原理构成图

3.4、典型案例

  辽宁省营口市中国五矿营口工业园区服务大厦水源热泵工程(图5),制冷供暖面积10万m2,每小时取水还水480m3。地下200米以内都是渗透系数很小的细砂层,因为90m以内井水太咸,设计6个井群在地下90~180m之间取水还水。每个取水井出水量80m3井水,分别对应10个小管井回灌。2009年作者设计方案出来以后,中国五矿总公司先后两次邀请建设部专家组召开论证会,反复论证确认可行以后批准实施,2010年投产运行至今用户没做任何调整,备用回灌井至今没有动用。回灌井井口压力始终保持在0.02~0.05MPa微压状态,井水温度几乎没有变化。

四、三道脱气设备原理作用介绍

4.1、真空负压机组

  采用真空负压机组(图6)针对取水井动水位以上空间抽真空。极限真空度可以抽到-0.09MPa,但是由于取水井里有气体不断解压出来,实际真空度抽到-0.06MPa比较经济。针对动水位以上抽真空的主要目的,一是为了能让取水井里的井水能在真空负压环境中得到解压脱气,二是为了减少动水位下降幅度。在取水量小于渗透量情况下,井里动水位只会升高不会下降。在取水量大于渗透量情况下,取水井动水位可以减少下降6m。与开口井取水相比,由于增加了真空负压吸引力,同样动水位情况下能够大幅度提高出水量。井里动水位下降幅度减少6m,取水井外面漏斗区同样减少下降6m,按照1:5水力坡度计算,可以减小漏斗区半径30m,利于将漏斗区半径控制在建筑物以外,对于浅层井取水还水防止地面建筑物沉降很有意义。

4.2、气水分离除砂器

  在取水井和地源热泵机组之间管路中串联安装带有气水分离器的上进下出式旋流除砂器(图3)。由于这种改进设计的旋流除沙器,不仅能把井水中的细小泥沙分离出来,还能把井水中的溶解气体彻底解压并且分离出来,这是保证回灌井和地下含水层不会发生气堵,防止泥砂堵塞和氧化物微生物堵塞的关键设备。

4.3、回灌井气水分离器

  在回灌井顶部安装回灌井气水分离器(图7),这是实行封闭式加压回灌,防止回灌井井口发生气阻必须安装的关键设备。及时排除来水中的余气,及时排除地下上来的气体。特别是整个封闭式取水还水系统运行初期,管路里面都是空的,因为回灌井气水分离器排气量巨大,能够快速排气,防止把大量气体强制回灌地下发挥重要作用。

  气水分离器可以根据需要做成各种安装形式,工作原理和自动排气阀差不多,是一种不怕井水氧化物脏堵的大排量单向自动排气阀,只排气不排水,只排气不回气。设有手动排气阀,可以手动排水排气,方便检查排气口是否正常自动排气,方便取水化验监测水质。

  因为三道脱气设备都是实行封闭式取水还水,保证井水等量持续回灌的关键设备,所以称为一整套井水回灌设备。

(图5)营口五矿大厦)

(图6)真空负压机组

(图7)回灌井气水分离器

五、一抽多灌封闭式等量取水还水技术优势

5.1、由于采用三道脱气设备形成全封闭的取水还水系统,能够保证井水从取出来到回灌地下全过程不与外部空气接触,不会发生氧化反应,保持井水水质不变,没有氧化物微生物堵塞回灌井和地下含水层,换热器和管路系统不会产生氧化物微生物水垢。

5.2、由于采用气水分离除砂器,能把井水中的气体和细小泥砂分离出来,没有气体和泥砂堵塞回灌井和地下含水层,不需要回扬洗井也能保证井水长久轻松回灌。

5.3、由于采用很多小管井多点微量注灌,回灌水永远都是从回灌井向取水井单向缓慢渗透流动,不会改变含水层渗透流道,不会造成含水层物理堵塞。

5.4、由于采用很多小管井多点微量注灌,回灌水从回灌井向取水井缓慢渗透流动,能在地下含水层土壤里面充分吸收能量或者转移能量,达到充分换热和长久取热目的。

5.5、由于采用一抽多灌多点微量注灌,回灌水从很多小管井向取水井立体对流(图8),与传统的对井抽灌线性对流相比(见图9),能把参与对流热交换的地下含水层贮能体体积扩大很多倍,保证井水温度长久稳定,保持地下含水层贮能体热平衡具有绝对优势。

5.6、小管回灌井打井速度快,成本低。一个小管回灌井的打井费用和一个垂直埋管井差不多,五个小管回灌井没有一个取水井造价高,一抽十灌打井费用不高于传统的开口井一抽两灌,可以留有一定数量备用回灌井用于调节回灌压力,能在不增加打井费用前提下彻底掌握井水回灌主动权。

(图8)一抽十灌立体贮能模型图

(图9)一抽十灌立体对流与一抽两灌线性对流相比图

5.7、(图10)是老式旋流除砂器和老式气水分离器。老式气水分离器因为不能自动排气,只能依靠液位触点开关打开桶体顶部电动阀间断排气。为了防止液位开关失灵,必须要有液位报警和安全泄压装置。容量8点几立方,高度5~6米,重量好几吨,制造成本高。为了防冻必须要有高大厂房才能安装,安装成本很高。本发明回灌井气水分离器(图7)和水分离器除砂器(图3)外形尺寸小,回灌井气水分离器可以安装在回灌井井口地坑里面,气水分离除砂器一般机房都能安装,结构简单价格便宜安装成本很低,自动排气无人值守没有运行费用,相比之下还是本发明井水回灌设备更好用、更耐用。

六、怎样保证取水温度长久稳定

  根据地下含水层厚度和渗透系数,在确保取到合格清水前提下认真计算取水量。根据总流量需要确定取水井数量,根据取水井取水量在确保长久轻松回灌前提下合理配置回灌井数量。根据项目用地条件合理布置取水还水井群,根据用地条件合理分布取水井和回灌井位置,尽量加大取水井与回灌井之间距离,尽量增加回灌井数量,让回灌水从很多小管回灌井向取水井缓慢渗透立体对流,努力把参与对流热交换的地下含水层贮能体的体积做到最大。

  认真计算一个制冷供暖年度总共要向地下含水层提取或者投放多少能量,根据取水井与回灌井之间立体对流热交换构成的含水层贮能体体积,和含水层比热容认真计算地下含水层温度变化。认真验算能否通过域内外热交换和大地热流补热,以及地下水泾流置换,能否保证一个制冷供暖年度之内保持地下含水层热平衡。如果不能保持含水层热平衡,就要充分利用封闭式等量取水还水技术优势,在夏季高温天气把地下水抽上来,经过闭式冷却塔空气换热以后再回灌地下,施跨季节贮能,或者采用太阳能集热系统等补热方式,调节地下含水层温度,保持含水层热平衡,才能保证取水温度长久稳定,保证地源热泵机组长期高效稳定运行。

七、封闭式等量取水还水地源热泵市场前景

7.1、浅层井水源热泵是最节能的冷暖两用空调

  地下含水层温度不受大气环境温度影响,具有一年四季恒温特点,温度比较适中,是地源热泵理想的换热对象。将一般空调针对室外空气换热,改变为针对地下含水层换热,不管是制冷还是制热都能获得很高能效比。夏季利用15℃左右井水作为冷凝器冷却水制冷,能获得1:6以上能效比,耗用1kWh电量能从地下搬运6kW以上冷量,比一般空调节能50%。冬季利用15℃左右井水作为蒸发器换热水源,能获得过1:5以上能效比,耗用1kWh电量能从地下搬运5kW以上热量,是供暖费用很低的节能环保热水锅炉,解决了严寒地区冬季不能使用空调供暖的难题。因为井水温度和含水层温度一致,决定了打井取水还水的井水源热泵,是最节能的冷暖两用空调。

7.2、等量取水还技术能让井水源热泵起死回生

  由于浅层井取水还水地源热泵系统,具有节能环保冷暖两用和投资省、占地少、运行费用低绝对优势,在本世纪初得到广泛运用,但是因为没有很好解决井水等量持续回灌难题,受到各地政府封杀。必须认真解决井水回灌难题,才能让井水源热泵起死回生。本发明将传统的开口井自流取水,改变为封闭式真空负压取水,这是一个巨大技术进步。将传统的开口井自流回灌,改变为封闭式加压回灌,也是一个巨大技术进步。在不增加打井费用前提下,采用很多小管井封闭式加压回灌,将传统的一抽二灌改变为一抽多灌多点微量注灌,充分利用地下含水层立体贮能,能把地下含水层能量仓库做得很大,更是一个巨大技术进步。不仅解决了井水等量持续回灌难题,同时解决了保持含水层热平衡和保持井水水质不变难题,这种高质量封闭式等量取水还水技术,是挽救井水源热泵的新技术革命。

7.3、利用含水层贮能是严寒地区地源热泵发展方向

  因为井水温度和地下含水层温度一致,所以井水源热泵换热水源水温,至少要比土壤源热泵从垂直埋管里得到的水温提高10℃,地源热泵机组制热能效比至少提高30%。因为垂直埋管的地源热泵完全依靠管材内部水温低于管材外部土壤温度才能实现能量传递,完全依靠靠近管材的土壤温度低于远离管材的土壤温度才能实现能量传递,所以得到的换热水源水温较低。加之北方严寒地区浅层土壤温度本来就低,而且因为只供暖不制冷,只取热不贮热,容易出现无热可取现象,所以浅层埋管的地源热泵不适合北方严寒地区供暖。

  必须采用本发明一整套井水回灌设备实行封闭式取水还水,一抽多灌多点微量注灌,利用地下含水层立体贮能设计施工方法,不仅保证取到较高温度的井水,也能保证井水长久等量轻松回灌,必须充分利用封闭式等量取水还水技术优势,在夏季高温天气利用闭式冷却塔等手段实施跨季节贮能,大幅度提高含水层温度,大幅度提高地温热泵制热能效比,是北方严寒地区地源热泵供暖发展方向。

八、解决中深层地热尾水回灌难题的四点建议

  作者研究浅层井取水还水三十年,做了很多研究工作,取得很多心得体会和研究成果,受邀参加地热产业联盟召开的北京地热开发回灌技术研讨会,2020年12月14日在会上做了《采用封闭式取水还水专利新技术,彻底解决井水等量持续回灌难题》演讲报告,得到与会专家和企业代表高度评价,一致认为这是一种完整的高质量的等量取水还水工程设计施工方法,一致认为作者在长期实施浅层井取水还水过程中积累了丰富的理论和实践经验,希望能为中深层地热尾水回灌难题提供好的建议。最近一段时间作者与很多从事中深层地热开发的专业人员深入交流,对中深层地热尾水回灌技术现状和存在问题有了更多了解,主要难点还是集中在砂岩里面取水还水,为了帮助解决砂岩里面井水回灌难题,提供以下四点建议:

8.1、必须实行封闭式取水还水,才能保证井水长久持续回灌

  在中深层砂岩里面取水还水,和在浅层细砂层里面取水还水一样,因为含水层渗透流道细小,容易脏堵气堵,必须采用本发明带气水分离器的旋流除砂器,把井水中的细小泥砂分离出来,防止泥沙堵塞回灌井和地下含水层。必须采用本发明三道脱气设备实行封闭式取水还水,才能保证井水从取出来到回灌地下过程中不与空气接触,防止井水发生氧化反应,防止氧化物微生物堵塞回灌井和地下含水层。必须采用三道脱气设备才能把井水中的溶解气体解压分离出来,才能彻底解决地下含水层气堵难题。只要认真做好封闭式取水还水,保持井水水质不变,没有泥沙和氧化物微生物堵塞回灌井和地下含水层,没有气体堵塞地下含水层,不需要回扬洗井也能保证井水长久等量轻松回灌。

8.2、认真做好固井封水,严防上层泥沙进入取水层和回灌层

  中深层地热开发井打得深,2~3km深的砂岩多是固化的砂石,砂岩里面几乎没有可以移动的砂粒。2~3km深的取水井都是2开3开成井的,潜水泵放在上层不透水的井管里面抽水,潜水泵扰动不到井管外面泥砂,取到的井水中含砂量应该很低。如果取到的井水含砂量较高,唯一可能就是从目标取水层以上松散含水层带入取水井内的,所以要把目标取水层以上松散含水层封水堵死。如果取到的井水里面泥砂含量很低,并且经过地面除砂和过滤,回灌水里面没有泥砂,也要把回灌层以上不参与回灌的松散含水层严密封水堵死,以防上层水进入回灌井,带入泥砂堵塞回灌井和回灌层。在半固化和非固化松散含水层里面取水还水,井身结构和成井工艺必须要按浅层井在细砂层里面取水还水一样设计,才能取到合格清水。

8.3、充分利用井深优势,努力为井水回灌创造动能条件

  由于砂岩渗透流道细小,回灌阻力比较大,要想获得较大回灌量,就要努力为井水回灌创造动能条件,增强回灌能力。有利条件是回灌井打得深,从上到下跨度大,一般情况下只要把浅表松散含水层严密封水堵死,不让表层水进入回灌层,在平原地区应该能把回灌井里静水位降得比较深。只要能把回灌井里静水位降到50米以下,回灌井里装满井水以后,作用在地下回灌层的水柱重力较大,一抽一灌也能保证井水等量回灌。如果把目标回灌层以上所有含水层全部封死,仍然不能把回灌井里静水位降到理想位置,说明目标回灌层地下水源头较高,为了保证井水等量回灌必须采用水泵加压回灌,为井水回灌创造动能条件,实在不行就要多打回灌井。

8.4、尽量让上方含水层参与回灌,增加过水面积降低回灌阻力

  为了保护地表水资源,为了努力降低回灌井里静水位,防止表层水把泥沙带入回灌层,必须要把浅表层松散含水层严密封水堵死。也要充分利用目标回灌层上方含水层参与回灌,增加回灌水过水面积,降低回灌阻力,增加换热面积提高换热量,有利于减小取水井和回灌井之间距离。必须要在各个含水层之间固井封水,防止松散含水层泥沙带入下方回灌层。必须要把各个含水层的深浅走向搞清楚,要把地下水源头高的含水层严密封水堵死,努力降低井里静水位,才能保证井水等量轻松回灌。因为回灌井打得深,从上到下跨度大,该封堵的封堵,该疏导的疏导,能为井水回灌创造良好的回灌条件。与浅层回灌井相比,还是中深层回灌井可操作空间大,比较好处理。

九、技术总结

  封闭式等量取水还水技术核心思想:一是采用一整套井水回灌设备实行封闭式取水还水,杜绝各种堵塞因素,才能保证井水长久轻松回灌。二是要为井水回灌创造动能条件,增加回灌压力,加大过水面积,降低回灌阻力,才能保证井水长久等量轻松回灌。三是努力增加对流热交换面积,提高换热能力,加大含水层贮能体体积,提高贮能能力,才能保证取水温度长久稳定。这是浅层地热能开发和中深层地热能开发必须遵循的三项基本原则。

  地热尾水回灌是个世界难题,难在水文地质条件不等,难在影响井水回灌的因素较多,难在难以透过现象看本质,难在以往没有可靠措施解决。作者不仅把井水难以等量轻松回灌和难以长久持续回灌的各种因素找出来,并且提供一整套井水回灌设备和一整套高质量等量取水还水地下工程设计施工方法,希望能够推动行业技术进步。

十、合作方式

 一是技术转让或者技术参股一家实施能力强的企业,一心一意帮助这家企业做好工程设计施工技术指导。二是普通许可使用,选择几家规模企业许可使用,按照培训工作量收取培训费,按照年完成工程量收取使用费,供应井水回灌设备,提供工程设计施工技术指导。

  作者是地源热泵制造专家,也是地源热泵工程设计专家,能够做好地源热泵工程设计施工每个细节,能够根据水文地质条件做好地下工程设计施工方案,帮助大家彻底解决井水回灌难题,争取更多工程,少走弯路就是效益。

作者:南通长江春风技术服务有限公司   丁祥(高级工程师 )

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