地源熱泵換熱井結垢堵塞基于分層測溫數據的故障診斷技術研究

摘要

地源熱泵800m淺層換熱井長期開采地下水、回灌地下水，地下水中礦物質、泥沙極易造成井筒內壁結垢、泥沙淤積、回灌通道堵塞，直接降低換熱井取熱效率，造成復合熱泵機房能效下降。傳統排查堵塞故障依靠人工洗井試探、井下電視內窺，成本高、效率低，無法精準定位堵塞深度。本文依托北京鴻鷗成運800米深井分層測溫系統獲取的全井段連續溫度場數據，研究井筒結垢堵塞之后溫度場異常變化規律，建立基于分層測溫數據的故障診斷方法；結合多項地熱井運維工程案例，總結泥沙淤積、水垢結垢、回灌堵塞、換熱管破損對應的溫度異常特征，實現堵塞深度精準定位，指導地熱井洗井、通井運維作業，提升地源熱泵換熱效率，為地熱換熱井全生命周期故障診斷提供低成本數字化技術方案。

關鍵詞：地熱換熱井；井筒結垢；分層測溫；溫度場異常；回灌堵塞；洗井運維；地源熱泵能效；800m深井監測

1 引言

800m淺層地熱換熱井是地源熱泵、復合熱泵系統的地下換熱核心載體。地下水開采?回灌循環運行過程中，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，回灌通道堵塞是地熱井最常見故障。井筒堵塞之后，地下水循環流量下降，地層熱量無法正常交換，地源熱泵換熱效率大幅降低，機房能耗升高。

傳統堵塞故障排查方式分為人工試探洗井、井下電視成像內窺，井下電視設備昂貴、下放繁瑣，單次內窺耗時久，無法長期在線監測；人工洗井試探盲目性強，不能精準定位堵塞深度，洗井作業效率低下。

地熱井正常工況下全井段分層溫度梯度穩定；井筒堵塞、結垢之后，堵塞位置地下水循環停滯，局部地層熱量堆積或者流失，溫度數值出現明顯異常拐點。依托800米深井密集分層測溫數據，即可精準定位堵塞深度，實現低成本在線故障診斷。本文針對該故障診斷技術展開系統性研究。

2 地熱換熱井常見故障對應的溫度場異常機理

2.1 井筒泥沙淤積堵塞

泥沙淤積一般發生在井筒下部淤積段，堵塞位置地下水流動停滯，地下水流循環中斷，淤積點位溫度和周邊流動水體溫度出現明顯差值，分層測溫曲線出現突變拐點。

2.2 井壁水垢結垢堵塞

水垢結垢多發生在地下水流速較慢的井段，結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，對應深度測點溫度明顯下降，連續監測可發現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水和井筒地下水互通，局部井段溫度劇烈波動，分層測溫曲線出現無規律突變。

3 基于分層測溫的故障診斷技術流程

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

第二步：地熱井長期在線監測，定時采集分層溫度數據，實時對比實測溫度曲線和基準曲線。

第三步：當某一深度測點溫度出現突變、異常偏高或者偏低、溫度波動幅度異常，判定該點位出現堵塞、結垢故障。

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

第五步：洗井之后再次采集分層測溫數據，對比溫度曲線是否恢復正常，檢驗洗井作業效果。

4 工程案例故障診斷應用

案例一：河北三水800m地熱回灌井，地源熱泵運行半年之后機房換熱能效明顯下降。通過分層測溫系統監測數據發現，520?530m深度測點溫度持續偏低，溫度曲線出現明顯拐點，判定該深度回灌通道泥沙堵塞。技術人員針對520m深度開展定點高壓洗井作業，洗井之后分層測溫數據恢復正常，地源熱泵機房換熱能效恢復原有標準。

案例二：冀中坳陷開采井長期運行，井筒640?650m井段水垢結垢，分層測溫該點位溫度波動異常，定點洗井清除水垢之后，換熱井地下水循環流量恢復正常。

多項工程案例證明，分層測溫故障診斷技術可精準定位堵塞深度，運維成本遠低于井下電視長期內窺監測。

5 分層測溫故障診斷技術優勢

第一，可長期在線實時監測，堵塞故障出現立刻預警，不會延誤運維時機；

第二，精準定位堵塞深度，定點洗井，不用盲目全井沖洗，節約洗井耗材、人工成本；

第三，硬件設備一次性投入，后期監測成本極低；

第四，可同時監測溫度、水位雙重參數，水位異常搭配溫度數據綜合判斷故障類型；

第五，適配大批量地熱換熱井集群運維，適合地熱供暖項目多井管理。

6 現存不足與優化方向

現階段依靠人工識別溫度曲線拐點，后續依托地熱云平臺搭建AI故障診斷算法，系統自動識別結垢、淤積、回灌堵塞、換熱管破損故障類型、故障深度，實現智能化自動診斷預警；同時搭配井下成像系統，測溫定位故障之后井下電視可視化驗證，形成測溫?內窺一體化運維方案。

7 結語

井筒結垢、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，傳統故障排查方式效率低、成本高。依托北京鴻鷗成運800米深井高精度分層測溫系統，獲取全井段密集溫度場數據，根據溫度曲線異常拐點定位堵塞深度，實現低成本、在線式故障診斷，精準指導洗井通井運維作業，保障地熱換熱井循環通暢，穩定提升地源熱泵、復合熱泵機房換熱能效。該數字化故障診斷技術，為地熱換熱井全生命周期運維提供高效解決方案，推動地源熱泵運維行業智能化升級。

全套匯總分類關鍵詞

一、設備硬件類

800米深井測溫系統，高精度數字溫度變送器，深井耐壓傳感器，屏蔽式耐高溫傳輸電纜，多路信號采集主機，電動絞車下放裝置，水位傳感模塊，低功耗物聯網模塊，4G無線傳輸模塊

二、監測技術類

地熱井分層測溫，長線纜數字信號傳輸，多點同步采集，地溫梯度測試，10米間隔密集測點，溫度?水位一體化監測，地溫梯度曲線生成

三、軟件平臺類

地熱云監測平臺，移動端小程序，無人值守在線監測，遠程數據采集，溫度異常AI預警，監測數據導出

四、行業應用類

地源熱泵，淺層地熱資源，復合熱泵系統，地熱換熱井，井筒結垢堵塞故障診斷，回灌通道監測，地熱井洗井運維，水文地質勘察，冀中坳陷地熱勘察

五、行業對比與技術突破類

友商淺層測溫瓶頸（150?300m），北京鴻鷗成運，國產化深井監測裝備，800m深度技術突破，地下空間分層檢測升級，中深層地熱井監測研發