地源熱泵換熱井結(jié)垢堵塞基于分層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的故障診斷技術(shù)研究

摘要

地源熱泵800m淺層換熱井長(zhǎng)期開采地下水、回灌地下水，地下水中礦物質(zhì)、泥沙極易造成井筒內(nèi)壁結(jié)垢、泥沙淤積、回灌通道堵塞，直接降低換熱井取熱效率，造成復(fù)合熱泵機(jī)房能效下降。傳統(tǒng)排查堵塞故障依靠人工洗井試探、井下電視內(nèi)窺，成本高、效率低，無法精準(zhǔn)定位堵塞深度。本文依托北京鴻鷗成運(yùn)800米深井分層測(cè)溫系統(tǒng)獲取的全井段連續(xù)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究井筒結(jié)垢堵塞之后溫度場(chǎng)異常變化規(guī)律，建立基于分層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的故障診斷方法；結(jié)合多項(xiàng)地?zé)峋\(yùn)維工程案例，總結(jié)泥沙淤積、水垢結(jié)垢、回灌堵塞、換熱管破損對(duì)應(yīng)的溫度異常特征，實(shí)現(xiàn)堵塞深度精準(zhǔn)定位，指導(dǎo)地?zé)峋淳?、通井運(yùn)維作業(yè)，提升地源熱泵換熱效率，為地?zé)釗Q熱井全生命周期故障診斷提供低成本數(shù)字化技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：地?zé)釗Q熱井；井筒結(jié)垢；分層測(cè)溫；溫度場(chǎng)異常；回灌堵塞；洗井運(yùn)維；地源熱泵能效；800m深井監(jiān)測(cè)

1 引言

800m淺層地?zé)釗Q熱井是地源熱泵、復(fù)合熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱核心載體。地下水開采?回灌循環(huán)運(yùn)行過程中，地下水中鈣鎂離子析出形成水垢，泥沙顆粒沉積造成井筒淤積，回灌通道堵塞是地?zé)峋畛Ｒ姽收?。井筒堵塞之后，地下水循環(huán)流量下降，地層熱量無法正常交換，地源熱泵換熱效率大幅降低，機(jī)房能耗升高。

傳統(tǒng)堵塞故障排查方式分為人工試探洗井、井下電視成像內(nèi)窺，井下電視設(shè)備昂貴、下放繁瑣，單次內(nèi)窺耗時(shí)久，無法長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)；人工洗井試探盲目性強(qiáng)，不能精準(zhǔn)定位堵塞深度，洗井作業(yè)效率低下。

地?zé)峋９r下全井段分層溫度梯度穩(wěn)定；井筒堵塞、結(jié)垢之后，堵塞位置地下水循環(huán)停滯，局部地層熱量堆積或者流失，溫度數(shù)值出現(xiàn)明顯異常拐點(diǎn)。依托800米深井密集分層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，即可精準(zhǔn)定位堵塞深度，實(shí)現(xiàn)低成本在線故障診斷。本文針對(duì)該故障診斷技術(shù)展開系統(tǒng)性研究。

2 地?zé)釗Q熱井常見故障對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)異常機(jī)理

2.1 井筒泥沙淤積堵塞

泥沙淤積一般發(fā)生在井筒下部淤積段，堵塞位置地下水流動(dòng)停滯，地下水流循環(huán)中斷，淤積點(diǎn)位溫度和周邊流動(dòng)水體溫度出現(xiàn)明顯差值，分層測(cè)溫曲線出現(xiàn)突變拐點(diǎn)。

2.2 井壁水垢結(jié)垢堵塞

水垢結(jié)垢多發(fā)生在地下水流速較慢的井段，結(jié)垢之后換熱管熱交換受阻，該井段溫度變化速率異常，回灌冷水停留堆積，點(diǎn)位溫度低于正常地層溫度。

2.3 回灌通道堵塞

回灌井堵塞之后，回灌冷水無法滲入地層，冷水在井筒局部堆積，對(duì)應(yīng)深度測(cè)點(diǎn)溫度明顯下降，連續(xù)監(jiān)測(cè)可發(fā)現(xiàn)回灌之后溫度回升速度變慢。

2.4 U型換熱管破損滲漏

換熱管破損之后管內(nèi)水和井筒地下水互通，局部井段溫度劇烈波動(dòng)，分層測(cè)溫曲線出現(xiàn)無規(guī)律突變。

3 基于分層測(cè)溫的故障診斷技術(shù)流程

第一步：利用鴻鷗成運(yùn)800米深井分層測(cè)溫系統(tǒng)，按照10米間隔采集全井段0?800m溫度數(shù)據(jù)，生成深度?溫度曲線，獲取該井正常工況下地溫梯度基準(zhǔn)曲線。

第二步：地?zé)峋L(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，定時(shí)采集分層溫度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)比實(shí)測(cè)溫度曲線和基準(zhǔn)曲線。

第三步：當(dāng)某一深度測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)突變、異常偏高或者偏低、溫度波動(dòng)幅度異常，判定該點(diǎn)位出現(xiàn)堵塞、結(jié)垢故障。

第四步：精準(zhǔn)鎖定故障深度之后，針對(duì)性開展洗井、通井、高壓沖洗作業(yè)，不用全井段盲目洗井，提升運(yùn)維效率。

第五步：洗井之后再次采集分層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)比溫度曲線是否恢復(fù)正常，檢驗(yàn)洗井作業(yè)效果。

4 工程案例故障診斷應(yīng)用

案例一：河北三水800m地?zé)峄毓嗑卦礋岜眠\(yùn)行半年之后機(jī)房換熱能效明顯下降。通過分層測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，520?530m深度測(cè)點(diǎn)溫度持續(xù)偏低，溫度曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，判定該深度回灌通道泥沙堵塞。技術(shù)人員針對(duì)520m深度開展定點(diǎn)高壓洗井作業(yè)，洗井之后分層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)恢復(fù)正常，地源熱泵機(jī)房換熱能效恢復(fù)原有標(biāo)準(zhǔn)。

案例二：冀中坳陷開采井長(zhǎng)期運(yùn)行，井筒640?650m井段水垢結(jié)垢，分層測(cè)溫該點(diǎn)位溫度波動(dòng)異常，定點(diǎn)洗井清除水垢之后，換熱井地下水循環(huán)流量恢復(fù)正常。

多項(xiàng)工程案例證明，分層測(cè)溫故障診斷技術(shù)可精準(zhǔn)定位堵塞深度，運(yùn)維成本遠(yuǎn)低于井下電視長(zhǎng)期內(nèi)窺監(jiān)測(cè)。

5 分層測(cè)溫故障診斷技術(shù)優(yōu)勢(shì)

第一，可長(zhǎng)期在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，堵塞故障出現(xiàn)立刻預(yù)警，不會(huì)延誤運(yùn)維時(shí)機(jī)；

第二，精準(zhǔn)定位堵塞深度，定點(diǎn)洗井，不用盲目全井沖洗，節(jié)約洗井耗材、人工成本；

第三，硬件設(shè)備一次性投入，后期監(jiān)測(cè)成本極低；

第四，可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、水位雙重參數(shù)，水位異常搭配溫度數(shù)據(jù)綜合判斷故障類型；

第五，適配大批量地?zé)釗Q熱井集群運(yùn)維，適合地?zé)峁┡?xiàng)目多井管理。

6 現(xiàn)存不足與優(yōu)化方向

現(xiàn)階段依靠人工識(shí)別溫度曲線拐點(diǎn)，后續(xù)依托地?zé)嵩破脚_(tái)搭建AI故障診斷算法，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別結(jié)垢、淤積、回灌堵塞、換熱管破損故障類型、故障深度，實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)診斷預(yù)警；同時(shí)搭配井下成像系統(tǒng)，測(cè)溫定位故障之后井下電視可視化驗(yàn)證，形成測(cè)溫?內(nèi)窺一體化運(yùn)維方案。

7 結(jié)語

井筒結(jié)垢、泥沙淤積、回灌通道堵塞是800m淺層地源熱泵換熱井高頻故障，傳統(tǒng)故障排查方式效率低、成本高。依托北京鴻鷗成運(yùn)800米深井高精度分層測(cè)溫系統(tǒng)，獲取全井段密集溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度曲線異常拐點(diǎn)定位堵塞深度，實(shí)現(xiàn)低成本、在線式故障診斷，精準(zhǔn)指導(dǎo)洗井通井運(yùn)維作業(yè)，保障地?zé)釗Q熱井循環(huán)通暢，穩(wěn)定提升地源熱泵、復(fù)合熱泵機(jī)房換熱能效。該數(shù)字化故障診斷技術(shù)，為地?zé)釗Q熱井全生命周期運(yùn)維提供高效解決方案，推動(dòng)地源熱泵運(yùn)維行業(yè)智能化升級(jí)。

全套匯總分類關(guān)鍵詞

一、設(shè)備硬件類

800米深井測(cè)溫系統(tǒng)，高精度數(shù)字溫度變送器，深井耐壓傳感器，屏蔽式耐高溫傳輸電纜，多路信號(hào)采集主機(jī)，電動(dòng)絞車下放裝置，水位傳感模塊，低功耗物聯(lián)網(wǎng)模塊，4G無線傳輸模塊

二、監(jiān)測(cè)技術(shù)類

地?zé)峋謱訙y(cè)溫，長(zhǎng)線纜數(shù)字信號(hào)傳輸，多點(diǎn)同步采集，地溫梯度測(cè)試，10米間隔密集測(cè)點(diǎn)，溫度?水位一體化監(jiān)測(cè)，地溫梯度曲線生成

三、軟件平臺(tái)類

地?zé)嵩票O(jiān)測(cè)平臺(tái)，移動(dòng)端小程序，無人值守在線監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，溫度異常AI預(yù)警，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

四、行業(yè)應(yīng)用類

地源熱泵，淺層地?zé)豳Y源，復(fù)合熱泵系統(tǒng)，地?zé)釗Q熱井，井筒結(jié)垢堵塞故障診斷，回灌通道監(jiān)測(cè)，地?zé)峋淳\(yùn)維，水文地質(zhì)勘察，冀中坳陷地?zé)峥辈?/span>

五、行業(yè)對(duì)比與技術(shù)突破類

友商淺層測(cè)溫瓶頸（150?300m），北京鴻鷗成運(yùn)，國(guó)產(chǎn)化深井監(jiān)測(cè)裝備，800m深度技術(shù)突破，地下空間分層檢測(cè)升級(jí)，中深層地?zé)峋O(jiān)測(cè)研發(fā)