魏永祥，胡登海，郭 武，孙崇亮

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710055)

与传统能源相比，地热能不受气候条件的影响，既可作为基本负荷能，也可作为峰值负荷能使用。从其开发利用成本来看，地热能源相对于其他可再生能源更有发展潜力[1]。截至目前，我国多地已将地热能应用至市政供暖工程中去，尤其对对于中深层地热能的探索研究更为深入。

张育平[2]对关中盆地中深层地热能开发“保水取热”供暖关键技术进行了研究，同时提出在中深层地热能供暖方面，已形成了封闭式的“保水取热”型换热系统（同轴套管换热和 U 型对接井换热)，可以有效解决目前地热开发利用中遇到的问题。丁永昌[3]建立了地热水系统的优化方法，着重分析了火积分析应用到换热器上的优化策略，分析了地热水系统的不同形式及其优化准则，提出了两种较为可行的运行调控策略。韩二帅[4]分析了无干扰地热供热技术和水热型地热供热技术两种技术的基本情况和应用效果，为中深层地热能供暖系统研究提供了参考依据。魏崇山[5]通过有限元数值模拟对地热供暖关键技术进行了深入研究。

目前关于地热能研究大多集中在地热能系统关键技术的研究。但是，由于地热能交换装置施工对人员工作状态、工作环境要求严苛，且工作岩层复杂，热能交换二次平衡状态的位置确定困难，施工过程常常会遇到地热装置安装困难的问题，目前关于地热能的研究装置优化的研究仍旧不足。基于此，本文依托西咸新区沣西新城无干扰地热能供暖项目（三期)一标段枫溪美郡区域施工、丰京苑中深层无干扰地热能供暖工程，在分析地热能交换原理的基础上，对中深层无干扰地热能能量交换装置从取热装置、换热管安装装置优化展开研究。

1 工程概况

西咸新区沣西新城枫溪美郡住宅小区总建筑用地面积8·6 万m2，设计采用中深层地热岩供热技术为背景工程进行供暖，其中共设计6 口换热井，分别位于背景工程南北区各3 口，如图1 所示。地热井采用ZJ30 石油钻机钻井，井深2 500m，井间距15m。

图1 背景工程图

2 施工重难点

地热能供暖是一种新型清洁能源技术，通过石油钻机向地下深层钻孔，并在井孔内安装石油套管及HDPE 换热管，在石油套管最底部安装密闭的金属换热器，通过金属换热器的快速聚能及换热站的循环将地下深处的热能导出。施工过程中有以下施工重难点。

1)地热能交换装置安装过程对工作状态、工作环境要求都极为严苛。

2)地热能换热后的高温换热介质取热效率低、在套管下放过程中易出现井内憋压的技术问题。

3)HDPE 换热管焊接质量差，安装效率低，后期因HDPE 管焊接质量缺陷，造成更换换热管带来的成本压力。

3 地热能量交换装置优化研究

为解决中深层地热能交换装置安装过程中遇到的施工重难点，本文基于理论研究、工程应用，通过分析地热能能量交换原理，从取热装置优化、换热管安装装置安装等进行优化研究。

3.1 地热能量交换原理

中深层无干扰地热新能源地热能能量交换原理是：通过石油钻机向地下一定深处（2 000～3 000m)高温岩层进行钻孔，在井孔内安装J55 材质石油套管及高密度聚乙烯HDPE 换热管，在石油套管最底部安装密闭的金属换热器（聚能装置)，通过金属换热器的快速聚能及换热站的循环将地下深处的热能导出，并通过专用热泵系统向地面建筑物供热的一种清洁能源技术。交换原理的本质是将地下深处的温度70～120℃的中深层地热能进行“取热不取水”无干扰转换，具体原理如图2 所示。

图2 地热能能量交换原理

3.2 取热装置优化

本装置包括取热装置和滑套，滑套安装于取热装置的下方，取热装置包括外层取热套管、中心套管和保温管，保温管设置于中心套管的上方，保温管的侧壁设置有空心夹层；滑套包括聚能套管、滑套壳体和用于连接聚能套管与滑套壳体的滑套连接座，滑套壳体设置有滑套中心管，泄压塞通过固定连接柱固定安装于滑套中心管的内侧壁上，如图3 所示。

图3 换热装置示意图

套管导热器由套管接头本体、导热芯轴、导向头等主要零件构成。套管接头与套管接箍连接，导热芯轴可有效传递热能量。各零件用特殊合金钢生产，具有耐酸碱、抗腐蚀作用。套管导热器结构示意图如图4 所示。

图4 套管导热器结构示意图

本装置通过增加了输入换热装置内的换热介质，避免换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热，提高换热效率，并在装置优化过程中设置滑套，避免了下井过程中井内憋压情况的发生。

3.3 换热管安装装置优化

本装置换热管采用高密度聚乙烯HDPE 复合管，长12m，壁厚8·1mm，采用热熔方式续接，其具有安装难度低、成本低、水温满足供暖要求、有利于维修更换、耐腐蚀、使用年限长等特点。

HDPE 换热管安装装置包括以下内容：①制作HDPE 管吊装对接门式支架，高15m，设置缆风绳；②门式支架上固定立式热熔焊机，并配备计时器水平尺；③门架平台固定卷扬机，对HDPE 管进行起吊。具体安装步骤如下。

1)第一步制作门架，门架包括了门架底座、门架、门架斜撑及缆风绳，门架底座采用I20a 工字钢焊接而成，门架为直径89mm 无缝钢管，连接采用法兰连接；第二步安装卷扬机；第三步安装立式热熔焊接，焊机安装过程利用水平尺调整水平和垂直；第四步安装计时器，试焊HDPE管，根据焊接情况调整热熔焊机及卷扬机。具体布置如图5 所示。

图5 地热井换热管安装装置图

2)利用卷扬机起吊HDPE 管，下部热熔焊机卡环固定HDPE 管，再次起吊HDPE 管，调整对齐HDPE 管，再利用平铣刀处理管口，热熔焊接HDPE 管，计时器及时热熔时间机焊接后冷却时间，完成HDPE 管热熔焊接，利用卷扬机下放HDPE 管后，进行下个焊口作业。

4 工程应用效果分析

将地热能能量交换装置优化研究成果应用至西咸新区沣西新城枫溪美郡住宅小区供暖项目中，优化后的取热装置通过增加了输入换热装置内的换热介质，避免换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热，大大提高了换热效率，同时装置优化过程中设置滑套，也避免了现场下井施工过程中井内憋压情况的发生。

采用优化后的门式支架换热管安装装置，提高了中深层无干扰地热能地热井内HDPE 换热管安装质量、安装效率，与传统安装方式相较，节约了工期约3～5 日，同时通过立式热熔焊接HDPE 换热管，保证了HDPE 换热管后期安全。

5 结语

中深层无干扰地热能能量交换技术是通过钻机向地下一定深处的干热岩层钻孔，在钻孔中安装密闭的金属换热器，通过换热器传导将地下深处的热能导出，并通过专用设备系统向地面建筑物供热的新技术，实现“取热不取水”无干扰转换。

对中深层无干扰地热能取热装置通过增加了输入换热装置内的换热介质，避免换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热，提高换热效率，并在装置优化过程中设置滑套，其中滑套安装于取热装置的下方，可避免下井过程中井内憋压情况的发生。