浅层地热能开发的地质环境问题及关键技术研究

【摘要】：目前,国内浅层地热能开发利用的主要方式有水源热泵和土壤源地埋管热泵两种。其中,地下能源采集系统工程设计的合理性和工程质量直接影响着周边地质环境和热交换效率稳定性问题。为此,针对存在的突出问题通过大量的调研、资料收集分析研究了浅层地热能开发过程中由于工程问题导致的热贯通、地下水位下降、地面塌陷、水质恶化等地质环境问题；结合工程实践和专题试验从成井管材、施工工艺、材料选择提出了具体的解决措施和技术方案。特别是针对传统的“一井抽多井回”模式存在的占地面积大、回灌困难问题,提出了“单井抽回两用系统”和“PVC-U塑料管成井技术”设计思路,并结合生产实际进行了室内和生产性试验。其中,郑州荥阳鑫苑小区“单井抽回两用系统”解决了细颗粒松散地层回灌困难等问题,通过4年的运行情况证实：系统参数稳定、供热制冷效果可靠,取得了显著地经济效益、社会效益和环境效益。浅层地热能是一种可再生绿色能源,其能量相当于9.4×1020KJ的热能或3.2×105亿t标准煤的热量。具有埋藏浅、分布广泛、开发成本低等特点,在目前技术经济条件下,浅层地热能通过热泵机组进行能量的提取和交换,可以替代煤炭、石油、天然气实现建筑物供暖制冷。我国在浅层地热能开发领域虽然起步较晚,但发展速度较快,尤其是近1 0年,我国的华北平原、东北、西北等地区逐步大面积开发利用浅层地热能。同时,国家及相关部委也相继出台了一系列鼓励政策和优惠措施。在目前实际开发利用情况来看：许多地区存在着前期适宜性勘查评价滞后、管理混乱、盲目建设、从业人员技术参差不齐等,从而因为工程技术问题导致了一系列地质环境和热交换效率稳定性问题。如：地下水回灌困难、能量交换系统热贯通等,由此造成地下水浪费、区域地下水位下降、地面沉降塌陷、水质污染恶化和生态环境的破坏。针对存在的突出问题,在通过大量调研和试验,从地质环境问题、工程技术问题为切入点进行课题研究,并提出合理的解决措施,对今后浅层地热能科学、合理、可持续开发利用、国家能源结构优化和节能减排具有积极的意义。浅层地热能开发涉及水工环地质、腐蚀科学、钻探、暖通和机电安装等专业领域。其中,地下能源采集系统是整个供暖制冷系统的关键。开发利用的合理性直接影响着生态环境和地质环境。通过TRT-9型车载式岩土热响应测试仪对现场实际土壤温度的测试、地层冷热平衡的分析研究和地源热泵运行监测可知：在供暖制冷2个工况下,其运行时间大致相同时,地层基本可以达到冷热平衡；在北方或南方地区,仅用于供暖或制冷或者供暖制冷2个工况运行时间相差较大时,地层冷热平衡会随时间而发生变化,最终导致地层的冷热平衡的破坏。由此可直接影响土壤中微生物种群数量、植被的生长速度、地下N2O和CH4集中释放、地层孔隙度变化、水质变化等；当回灌率低时,将造成地下水资源浪费、水位下降、地面沉降塌陷等地质环境问题。地下水源热泵还是土壤源地埋管热泵系统,在开发浅层地热能时都存在着系统腐蚀结垢问题。特别是地下水源热泵系统是开式系统,地下水在整个管网和设备系统腐蚀结垢更加严重。许多地区的地下水源热泵系统,由于水源井工程和管材选择问题导致系列的腐蚀结垢,而出现水量逐年下降、回灌困难、水质恶化、地面管道堵塞等。腐蚀结垢问题严重影响着整个换热系统的使用寿命、运行效果和地质环境。目前,我国多数的地下水源热泵水井成井的管材有水泥管、铸铁管、普通钢管,最常用的是普通钢管和镀锌桥式过滤管组合的成井管柱。通过常用成井材料的腐蚀结垢试验证明：所有的金属管材都存在着腐蚀结垢现象,特别是镀锌桥式过滤管腐蚀速度最快,在第7d时开始腐蚀结垢,150d时其过水缝隙几乎全部堵塞。而PVC-U塑料管无论是在什么水质和时间中均不存在腐蚀结垢和溶解析出问题,是成井的最佳材料。研究与实际检测发现：地下水源热泵成井管材选择与成井工艺决定着抽水井和回灌井的使用寿命和运行质量。其中,成井工艺中,钻井方法与钻进速度、钻井液选择、洗井方法选择及成井质量与水源井的抽水和回灌量和效果有着直接关系。目前的成井管材和工艺使其使用寿命在2-8a,主要表现：由于腐蚀结垢堵塞使单井出水量和回灌量逐年减小管材腐蚀破裂后出混水、出砂、井内坍塌等。在土壤源地埋管设计和施工中,通过热阻、雷诺数、傅力叶方程等计算公式和分析研究可以看出：地埋管热交换效率和效果与地埋管材料、直径、管壁厚度、钻孔口径有着密切关系；不同的围填材料具有不同的导热系数,其换热效率及效果不同。砂、粘土均具有良好的导热性,是地埋管围填材料最经济适用的材料,可以就地取材,并且利用泥浆+钻屑混合物作为围填材料,可减少废渣和废浆处理费用。在泥浆+钻屑混合物中,砂或者岩石碎屑作为骨料,其粒径大小和均匀性对回填材料的性质有一定的影响,回填时骨料应选择粒径0.5～2mm的中粗砂为主。采用现场泥浆十钻屑混合物作为围填材料时,尽可能选择均匀的中粗砂(岩屑)和0.8%左右的膨润土混合材料,以便达到最佳的换热效果。影响浅层地热能开发的问题及因素很多,特别是地下水源热泵系统的地下能源采集系统质量的好坏将直接影响着整个换热效率和运行情况,是技术核心和关键。研究发现：传统的正循环泥浆钻进工艺存在着效率低、泥浆污染地层严重,洗井困难、成井质量较差,对单井抽水量和回灌量影响较大；而泵吸反循环和气举反循环等“欠平衡钻井”钻进方法具有井底干净、无重复破碎、钻井效率高、地层无污染、洗井容易等优点,成井质量好、能够真实反映单井的出水量和回灌量。所以,在设计和施工中对于松散地层推荐泵吸反循环和气举反循环工艺；对于基岩地层则推荐空气潜孔锤钻进工艺。PVC-U塑料管在成井过程中存在下入困难和井管爆裂2个问题,从而影响着塑料管的推广应用。PVC-U塑料管作为地下水源抽水井或回灌井管材使用,与金属管材相比具有不腐蚀结垢、成井速度快、使用寿命长等诸多优点。针对PVC-U塑料管物理力学性能指标和特点,采用“井内压力平衡法”下管工艺,解决了下管困难和爆裂问题。最大成井深度已达437m,填补了国内外空白。通过分析研究总结了井管内外压力差和动载荷(冲击载荷)是导致塑料管体爆裂事故的2个主要原因。井内的泥浆密度过大和过滤缝隙堵塞是塑料管下入困难的主要原因。所以,在实际工程中必须采取必要的技术措施,尽可能减少井管内外的压力差和动载荷(冲击载荷)。目前国内外的“同井回灌”技术在水文地质条件好的地区得到了一定范围的使用,其效果较好。但是,局限性较大、存在着不同程度的热贯通问题。作者在此基础上提出了“单井抽回两用系统”,利用单口井(并列抽水井管和回灌管)在地下垂向距离地下水缓慢上升过程来实现能量交换和提取。根据不同的水文地质条件确定了3种设计方案,即：中部抽水—上部和下部回灌、下部抽水—上部回灌、上部抽水—下部回灌等方案。结合工程在郑州荥阳鑫苑小区进行了2口井的设计和回灌试验,最终以2号井的设计和施工方案取得了成功,使回灌量达到了100%,并在小区16500m2建筑物得到了供暖制冷。经过4a的运行证明：系统运行稳定可靠、抽水回灌正常(70m3/h),取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益。总而言之,本文以实际工程试验和大量的调查数据为依托,利用环境地质学、地下水科学和腐蚀科学理论系统对浅层地热能开发造成的地质环境问题进行了全面分析研究,以钻探和腐蚀科学学理论系统研究浅层地热能开发中水源热泵系统的关键技术,即：成井质量和地下水及时回灌,并提出了具体解决措施；通过试验与实际工程,自主创新提出了“单井抽回两用系统”技术方案和成井工艺方法,通过在实际应用取得了显著的效益。该研究成果对今后浅层地热能合理、科学开发利用提供了依据和技术支撑,为节能减排、可持续发展具有一定的推动作用。 【关键词】：浅层地热能 地质环境问题 工程技术问题 关键技术研究 单井抽回两用系统
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P314;TU83
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 绪论17-28
• §1.1 课题来源及研究目的和意义17-19
• 1.1.1 课题来源17
• 1.1.2 研究目的和意义17-19
• §1.2 国内外研究现状及趋势19-25
• 1.2.1 国内外研究现状及问题19-24
• 1.2.2 浅层地热清洁能源开发趋势24-25
• §1.3 课题研究内容和技术路线25-26
• 1.3.1 课题研究内容25
• 1.3.2 课题研究技术路线25-26
• §1.4 本章小结26-28
• 第二章 浅层地热能计算评价与地源热泵28-38
• §2.1 浅层地热能资源与政策28-29
• 2.1.1 浅层地热能概念及资源量28
• 2.1.2 浅层地热能开发政策28-29
• §2.2 浅层地热能潜力计算与节能减排评价29-32
• 2.2.1 国家节能减排目标29
• 2.2.2 浅层地热能潜力与经济价值计算29-30
• 2.2.3 供暖制冷面积计算30-31
• 2.2.4 标准煤替代量和温室气体减排量计算31
• 2.2.5 节能减排效益分析与评价31-32
• §2.3 地源热泵开发浅层地热能方式及特点32-36
• 2.3.1 地源热泵概念32
• 2.3.2 工作原理32-33
• 2.3.3 浅层地热能开发主要方式33-35
• 2.3.4 地源热泵主要特点35-36
• §2.4 本章小结36-38
• 第三章 浅层地热能开发地质环境问题研究38-64
• §3.1 地源热泵开发浅层地热能热污染问题38-53
• 3.1.1 土壤温度测试及变化规律38-45
• 3.1.2 地层冷热平衡分析研究45-49
• 3.1.3 热污染造成的环境问题49-53
• §3.2 地下水位下降与地面沉降问题53-59
• 3.2.1 地下水位降深计算53-55
• 3.2.2 区域地下水位下降与漏斗的形成55-57
• 3.2.3 地面沉降与塌陷57-59
• §3.3 地下水质污染问题59-62
• 3.3.1 地下水污染现状59-60
• 3.3.2 工程导致地下水污染原因及危害60-62
• §3.4 本章小结62-64
• 第四章 浅层地热能开发工程问题研究64-86
• §4.1 热泵系统腐蚀结垢问题与试验研究64-74
• 4.1.1 热泵系统中腐蚀结垢形式及危害64-65
• 4.1.2 地下管井腐蚀机理与类型65-68
• 4.1.3 常用过滤管腐蚀与结垢试验68-74
• §4.2 地下水源井工程现状及问题研究74-80
• 4.2.1 地下水源井工程现状74-75
• 4.2.2 地下水源井工程问题75-80
• §4.3 地下埋管工程现状及问题研究80-84
• 4.3.1 地下埋管工程现状80
• 4.3.2 埋管及围填材料问题研究80-84
• 4.3.3 钻孔口径及工艺问题研究84
• §4.4 本章小结84-86
• 第五章 浅层地热能开发关键技术研究应用86-109
• §5.1 地下水源井工程关键技术86-88
• 5.1.1 地下水源热泵井管材选择86
• 5.1.2 地下水源钻井技术86-88
• §5.2 PVC-U塑料管成井技术88-93
• 5.2.1 PVC-U塑料管特性88-89
• 5.2.2 PVC-U管物理力学性能89-90
• 5.2.3 PVC-U管成井关键技术90-91
• 5.2.4 PVC-U塑料管应用实例91-93
• §5.3 新型地下水源单井抽回两用系统应用研究93-107
• 5.3.1 地下水源热泵系统回灌主要类型与问题93-98
• 5.3.2 新型地下水源单井抽回两用系统设计与试验98-104
• 5.3.3 单井抽回两用系统技术应用情况104-105
• 5.3.4 单井抽回两用系统的特点105-106
• 5.3.5 效益分析106-107
• §5.4 本章小结107-109
• 第六章 结论与建议109-111
• 6.1 主要结论109-110
• 6.2 主要创新点110-111
• 致谢111-112
• 参考文献112-117

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