本发明涉及水源热泵开采利用技术领域，尤其涉及一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置。
背景技术：
近年来，由于煤炭、石油、天然气等不可再生能源在使用过程中产生大量的二氧化碳等温室气体，导致全球气候变暖和生态环境日益恶化，节能环保和能源的可持续利用受到世界各国的广泛关注。地热能是一种新型、可再生、清洁无污染的能源，地下水源热泵作为一种重要的地热能开采利用技术，因其低碳排放、环境友好、经济高效等优点正在国内外得到迅速发展。
地下水源热泵是通过吸收浅层地下水中的太阳能和地热能进行集中供热和制冷的系统。在冬季，地层能够提供较高的温度，地下水被抽上地面进行建筑物空间的供热，同时将热量传递后的冷水回灌至含水层；在夏季，相对低温的浅层地下水又被抽上地面进行热量交换和制冷，同时将热水回灌至地下；在系统的周期运行过程中，区域的地热能可以大致维持平衡，而地下水资源量并没有被消耗和利用。然而，在水源热泵系统的抽水和回灌的过程中，经过一定时间的运行，抽水井中用于热量交换的地热水并不能100%进行回灌，而且随着长时间的积累，回灌效率更是急剧下降，回灌井中发生的堵塞问题严重影响着工程的使用寿命。大量工程实践表明，在水源热泵项目中，导致工程失败的最常见原因就是回灌堵塞问题，国内外相当一部分热泵项目停产，主要的技术层面问题就是回灌井堵塞所导致的回灌效率低下乃至项目的终止。
介质堵塞问题是影响水源热泵工程向实践层面推广的最主要因素，按照引起堵塞的原因不同，可将其分为物理堵塞、化学堵塞及生物堵塞。对于地下水源热泵系统回灌堵塞问题的研究，主要集中在回灌井与地下含水层的堵塞机理、堵塞预测与模拟、堵塞防治措施等。国内相关水源热泵开采利用及堵塞防治技术较多，如：cn210374167u公开了一种防堵塞水源热泵系统；cn109916439a公开了一种海水源热泵前端换热器堵塞检测系统及检测方法；cn103995976a公开了一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法；cn202248051u公开了一种用于防止地下水回灌井堵塞的装置等。但是对水源热泵系统回灌过程中的化学堵塞的试验验证技术在国内外尚未出现。
技术实现要素：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，包括有渗流砂柱、循环水箱、蠕动泵、回灌冷却水箱和测压管，在所述的渗流砂柱上设有多组接口，每组接口均包括有取样口、温度传感器接口和测压管接口，实现试验过程中对温度与水压的测量以及水质于砂样的取样检测；每个温度传感器接口分别连接有温度传感器，每个测压管接口分别与测压管连接，将所述的回灌冷却水箱置于低温恒温水槽内，所述的循环水箱、蠕动泵、回灌冷却水箱和渗流砂柱通过管道依次连接构成一个循环回路，在所述的渗流砂柱表面覆盖有加热板。
所述的渗流砂柱采用有机玻璃制作，尺寸为：l=2000mm，管径为de120×10；每组三个取样口、温度传感器接口和测压管接口分别布置于渗流砂柱外壁正上方及左右两侧且均位于同一剖面上，相邻两组接口之间间隔200mm，共有10组接口，在渗流砂柱进出口法兰盘前分别设置阀门并连接进出水软管。
在所述的渗流砂柱的进水端与出水端内分别填装厚度100mm、粒径为2mm的石英砂，同时在渗流砂柱的两侧再分别布设一层150目的纱网，在每个取样口与渗流砂柱衔接处布设200目的纱网。
在所述的渗流砂柱内放有砂柱介质，所述的砂柱内介质为取自钻孔现场的中深层地层砂土砂样，经阴干和颗粒筛分后均匀填装并压实，在填装砂样前将渗流砂柱内壁涂抹一层凡士林，所述砂样的颗粒级配为：1mm＜粒径＜2mm的颗粒占1.92%，0.5mm＜粒径＜1mm的颗粒占5.95%，0.25mm＜粒径＜0.5mm的颗粒占58.79%，0.075mm＜粒径＜0.25mm的颗粒占18.56%，粒径＜0.075mm的颗粒及黏土含量占14.56%。
所述的加热板为硅橡胶材质的异型加热板，在加热板上预留有各个接口对应的孔，加热板完全覆盖在渗流砂柱的外壁上，加热板还连接有智能数显温度控制器。加热板覆盖在渗流砂柱外表面，既解决了传统加热带、加热棒等加热不均匀问题，便于砂柱内砂层的充分加热，又可以精准控制温度并恒温持续加热，达到模拟地热水含水砂层的效果。
所述的低温恒温水槽功率为1000w，电压为220v，温度范围在0-99.9℃，温度波动：0.2℃；内部工作尺寸：255mm×170mm×130mm；所述的回灌冷却水箱尺寸为：100mm×100mm×100mm，连同两侧的进出水管一起置于低温恒温水槽内，实现蠕动泵供水压力的传递，同时还可以充冷却回灌水，操作简便易行。
所述的温度传感器采用高精度数显温度计，探头材质为304不锈钢，探头长度和管径分别为25mm与5mm，测温精度为0.1℃。
本发明集成循环水箱、蠕动泵、回灌冷却水箱、渗流砂柱及其配套检测设施于一体，工艺构筑物布置紧凑，系统整体设计精巧实用。
本发明中实验砂样为取自中深层地下含水层的粉细砂，阴干并进行颗粒筛分后再填装入砂柱中，砂柱外层覆盖加热板用于持续恒温加热，以便模拟地热井对应的含水砂层；实验水样取自实际运行热泵工程的深层地热水。将砂柱饱水排气后加热定温，利用低温恒温水槽对进水箱定温冷却，回灌水沿着整个砂柱从进口至出口，完成温度的上升和恢复，从而模拟热泵工程的回灌过程。在上述过程中，整个砂柱表面分别定距设置若干组测压管接口、温度传感器接口和取样口，通过对砂层渗透系数、温度场、水中离子浓度变化，以及实验前后砂样的元素组成、成分含量等测定，可以分析试验过程的水岩反应作用及热泵井的化学堵塞情况。
本发明的优点是：本发明中设计了一套试验装置用于实现对水源热泵回灌过程在含水砂层中的运行模拟，再由检测系统对试验过程中的水样和砂样分别测定其离子浓度与元素含量组成，以验证含水层中的矿物结晶与矿化度的变化，由渗透系数变化进一步的验证水源热泵回灌系统化学堵塞情况，从而对实际生产中的水源热泵工程化学堵塞的预测和防治措施提供思路，也为水源热泵工程作为一种新能源技术向实践层面推广提供技术支撑。
附图说明
图1为水源热泵回灌试验装置图。
图2为渗流砂柱剖面图。
图3为加热板平面图。
图4为试验检测模块流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，包括有渗流砂柱5、循环水箱1、蠕动泵2、回灌冷却水箱3和测压管8，在所述的渗流砂柱5上设有多组接口，每组接口均包括有取样口10、温度传感器接口和测压管接口，实现试验过程中对温度与水压的测量以及水质于砂样的取样检测；每个温度传感器接口分别连接有温度传感器9，每个测压管接口分别与测压管8连接，将所述的回灌冷却水箱3置于低温恒温水槽4内，所述的循环水箱1、蠕动泵2、回灌冷却水箱3和渗流砂柱5通过管道依次连接构成一个循环回路，在所述的渗流砂柱5表面覆盖有加热板7。渗流砂柱5右侧进水端与左侧出水端分别填装厚度100mm、粒径为2mm的石英砂，同时在石英砂柱的两侧再分别布设一层150目（100um）的纱网11，在取样口10与砂柱衔接处布设200目（75um）的纱网，防止试验过程砂柱内砂样的流失。砂柱内介质为取自钻孔现场的中深层地层砂土，经阴干和颗粒筛分后均匀填装并压实，在填装砂样前需要将砂柱内壁涂抹一层凡士林，以防止试验中砂样随渗流在砂柱内壁流失，砂样的颗粒级配为：1mm＜粒径＜2mm的颗粒约占1.92%，0.5mm＜粒径＜1mm的颗粒约占5.95%，0.25mm＜粒径＜0.5mm的颗粒约占58.79%，0.075mm＜粒径＜0.25mm的颗粒约占18.56%，粒径＜0.075mm的颗粒及黏土含量约占14.56%。试验水样为取自实际运行水源热泵工程的深层地热水，取水深度约1500m，水温50℃，水样类型为：na-cl-hco3。如图3所示位系统检测模块，对试验过程中的水样及试验结束后的砂样进行检测，以便对其定性分析及化学成分分析。
渗流砂柱5采用有机玻璃制作，尺寸为：l=2000mm，管径为de120×10；在距离两个端点100mm处开始设置取样口10、测压管接口以及温度传感器接口，三个接口分别布置于砂柱外壁正上方及左右两侧且位于同一剖面，以此为参考每间隔200mm设置一组上述接口，共计10组，从右侧入口至左侧出口分别标记为a、b、c、d、e、f、g、h、i与j点；另外，在砂柱进出口法兰盘前分别设置阀门并连接进出水软管。
加热板7外部采用特种硅橡胶材质，内部加热元件为优质镍铬合金，总尺寸：960mm×380mm，厚度为2mm，共计2片；电压为220v，每片额定功率1500w，加热温度范围为常温至250℃；考虑砂柱外表面为传感器接口、测压管接口及取样口的设置，设计为异型加热板并定制，如图3所示，其覆盖在砂柱外壁，通过智能数显温控器控制砂柱加热温度。
低温恒温水槽4功率为1000w，电压为220v，温度范围在0-99.9℃，温度波动：0.2℃。内部工作尺寸：255mm×170mm×130mm。回灌冷却水箱3尺寸为：100mm×100mm×100mm，连同进出水软管置于低温槽内将低温冷却水供至渗流砂柱。
蠕动泵2的主要参数：直流电机12v；泵管材质为硅胶管；流量范围为：5-40ml/min，其管径尺寸（内径×外径）为：2.0×4.0mm；流量范围为：19-100ml/min，其管径尺寸（内径×外径）为：3.0×5.0mm。根据实际水源热泵工程的运行时间，模拟砂柱含水层的持续间歇回灌。
温度传感器9采用高精度数显温度计，探头材质为304不锈钢，探头长度和管径分别为25mm与5mm，测温精度为0.1℃。
本发明的工作过程：
（1）试验装置运行模块
地热水由循环水箱1经蠕动泵2定流量抽水至回灌冷却水箱3，其中，蠕动泵2的流量为20ml/min，冷却水箱3为全封闭水箱，试验前需先将箱内气体排空以保证其密封性；将水箱3置于低温恒温水槽4操作空间内，低温槽的工作温度设置为4℃，达到目标温度后蠕动泵2开启运行，同时打开砂柱前后进出水阀门6；渗流砂柱5全长2000mm，水平放置，其两端由高度0.3m支架12支撑，试验砂样自a点至j点分层均匀填装至砂柱内；在砂柱上自a至j各点处，分别设置测压管8接口、温度传感器9接口以及取样口10，如图2所示，该三个接口位于砂柱上各点的同一剖面，其中，测压管管径5mm，管长1500mm，距地面安装高度0.5m；温度传感器探头通过柱体上传感器接口整体埋设于砂层内部，接口处将探杆插入橡胶塞中进行密封；取样口处安装dn15的不锈钢阀门。为了消除后续试验过程中气泡堵塞的干扰，试验运行前需要将砂柱5竖立放置，关闭取样口和测压管接口，打开进出水阀门6，自下而上缓慢充水，流量为10ml/min，饱水一周左右，以便将砂层内的气体充分排空。在试验砂柱外覆盖一层加热板7，如图3所示，通过智能数显温控器控制加热温度恒定在50℃，以便为砂柱5持续加热，模拟深层地热水的砂层环境。通过温度传感器9探测到砂柱内各点达到加热带恒定温度后，方可进行低温冷却水的回灌；试验出水经de15的橡胶软管回流至循环水箱1中。
本试验装置开启后，打开进出水阀门6，测压管8的水位迅速上升，a点至j点上温度传感器9的数值逐渐变化，待水位和温度数值保持恒定时，系统基本达到稳定状态，记录各点温度与水压，同时对各点依次取样。为模拟实际水源热泵工程的运行，蠕动泵在一个运行周期内每天工作12h，停泵12h；加热带则连续不间断恒温加热；各点取样每72h取样一次，直至a至j各点上测压管值有相对较大变幅（尤其是砂柱前段a、b和c点），以此作为试验结束的直观依据，并对实验尾水进行取样。
（2）水样与砂样检测系统模块
实验终止后，关闭进水阀门，打开出水阀门，充分排水48h。采用洛阳铲取出a至j各点处的部分砂样并阴干，研磨至粉末状，对各点的砂样以及原始砂样进行检测分析。试验砂样、水样检测系统流程图如图4所示：利用x射线衍射仪（xrd）进行物相定性分析，测定砂样的组成、晶型、分子构型构象等；利用扫描电镜(sem)进行形貌分析和能谱分析，测定砂样中各元素的百分比并拍摄其物质形貌；利用x射线荧光光谱仪(xrf)进行样品的化学成分分析，测定砂样中的元素种类及含量；利用傅里叶红外光谱仪（ft-ir）可检测砂样中有机物分子中的化学键或官能团。此外，对各点各批次水样分别测定其k 、na 、ca2 、mg2 、hco3-、co32-、cl-和so42-离子浓度，其中，阴离子浓度采用离子色谱仪测定，阳离子可利用等离子体质谱仪测定。
通过对测压管水头的测定，计算试验过程砂样的渗透系数变化，而伴随渗流场与温度场的变化，由砂柱取样点处水中的各种离子浓度的变化，以及对应的砂样元素组成与含量变化，分析砂柱各段发生的水岩反应，以验证含水层中的矿物结晶与矿化度的变化，进一步的验证地热水回灌过程中含水砂层的化学堵塞情况。
1.一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：包括有渗流砂柱、循环水箱、蠕动泵、回灌冷却水箱和测压管，在所述的渗流砂柱上设有多组接口，每组接口均包括有取样口、温度传感器接口和测压管接口，每个温度传感器接口分别连接有温度传感器，每个测压管接口分别与测压管连接，将所述的回灌冷却水箱置于低温恒温水槽内，所述的循环水箱、蠕动泵、回灌冷却水箱和渗流砂柱通过管道依次连接构成一个循环回路，在所述的渗流砂柱表面覆盖有加热板。
2.根据权利要求1所述的一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：所述的渗流砂柱采用有机玻璃制作，尺寸为：l=2000mm，管径为de120×10；每组三个取样口、温度传感器接口和测压管接口分别布置于渗流砂柱外壁正上方及左右两侧且均位于同一剖面上，相邻两组接口之间间隔200mm，共有10组接口，在渗流砂柱进出口法兰盘前分别设置阀门并连接进出水软管。
3.根据权利要求2所述的一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：在所述的渗流砂柱的进水端与出水端内分别填装厚度100mm、粒径为2mm的石英砂，同时在渗流砂柱的两侧再分别布设一层150目的纱网，在每个取样口与渗流砂柱衔接处布设200目的纱网。
4.根据权利要求3所述的一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：在所述的渗流砂柱内放有砂柱介质，所述的砂柱内介质为取自钻孔现场的中深层地层砂土砂样，经阴干和颗粒筛分后均匀填装并压实，在填装砂样前将渗流砂柱内壁涂抹一层凡士林，所述砂样的颗粒级配为：1mm＜粒径＜2mm的颗粒占1.92%，0.5mm＜粒径＜1mm的颗粒占5.95%，0.25mm＜粒径＜0.5mm的颗粒占58.79%，0.075mm＜粒径＜0.25mm的颗粒占18.56%，粒径＜0.075mm的颗粒及黏土含量占14.56%。
5.根据权利要求1所述的一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：所述的加热板为硅橡胶材质的异型加热板，在加热板上预留有各个接口对应的孔，加热板完全覆盖在渗流砂柱的外壁上，加热板还连接有智能数显温度控制器。
6.根据权利要求1所述的一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：所述的低温恒温水槽功率为1000w，电压为220v，温度范围在0-99.9℃，温度波动：0.2℃；内部工作尺寸：255mm×170mm×130mm；所述的回灌冷却水箱尺寸为：100mm×100mm×100mm，连同两侧的进出水管一起置于低温恒温水槽内。
7.根据权利要求1所述的一种水源热泵回灌过程化学堵塞验证试验装置，其特征在于：所述的温度传感器采用高精度数显温度计，探头材质为304不锈钢，探头长度和管径分别为25mm与5mm，测温精度为0.1℃。
技术总结