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水熱型地熱井地下流體具備高溫、高礦化度、水質(zhì)成分復雜的特點，對高溫潛水泵、井下水位?溫度監(jiān)測傳感器長期運行可靠性提出了嚴苛工況考驗。高溫潛水泵啟停抽水過程中，井內(nèi)水位快速下降、地熱流體溫度產(chǎn)生動態(tài)波動，水位變化與溫度演化二者之間存在較強耦合關系，僅依靠單一水位參數(shù)控制水泵啟停極易出現(xiàn)自控系統(tǒng)誤動作。本文對比分析水熱潛水泵、耐高溫水位溫度探頭在70?125℃地熱流體中長期工作的性能衰減規(guī)律；研究抽水過程中水位降深、出水溫度變化時序特征；探究井下線纜高溫信號漂移、傳感器溫漂干擾對PLC自控啟停邏輯造成的不利影響；提出信號濾波、延時防抖、雙參數(shù)互鎖的程序優(yōu)化策略；形成高溫工況下潛水泵?監(jiān)測?PLC自控成套適配方案。研究結果可為地熱項目設備選型、自控邏輯優(yōu)化、無人值守系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供實測依據(jù)。
關鍵詞：水熱潛水泵；高溫水位監(jiān)測；地熱流體；工況耦合；PLC聯(lián)動控制；傳感器溫漂
中深層水熱地熱井抽水是一個動態(tài)水?熱耦合過程。當潛水泵開啟抽水，含水層地下水被持續(xù)抽出，井內(nèi)動水位不斷下降，抽水流量、井壁周邊地熱流體補給速度隨之改變，直接引起井內(nèi)水體溫度發(fā)生變化；反之，含水層溫度場改變，也會影響地下水流動狀態(tài)，進一步造成水位波動。二者動態(tài)耦合變化，是地熱井區(qū)別于常溫地下水井顯著的特征之一。
當前大量地熱自動化抽水控制系統(tǒng)，直接沿用常溫地下水井控制方案，只采集水位單一參數(shù)聯(lián)動潛水泵，忽視高溫環(huán)境下水位?溫度耦合波動帶來的一系列問題：高溫造成傳感器零點漂移、數(shù)據(jù)跳變；抽水初期水位快速下降引發(fā)瞬時溫度沖擊；水體渾濁、結垢腐蝕降低監(jiān)測探頭測量精度；信號線纜長期處在高溫水環(huán)境，傳輸信號出現(xiàn)漂移失真，最終導致PLC控制系統(tǒng)接收到錯誤數(shù)據(jù)，出現(xiàn)水泵誤啟停、保護失效，嚴重時造成井下潛水泵干轉(zhuǎn)損壞。
不少地熱項目在安裝了自動化監(jiān)測?PLC控制系統(tǒng)之后，仍然出現(xiàn)設備故障，其核心問題并非控制程序邏輯錯誤，而是井下監(jiān)測設備?潛水泵?高溫地熱工況之間適應性匹配不足，沒有充分考慮水位溫度耦合效應帶來的干擾?；诖耍疚膹牡責峋樗r耦合機理入手，研究高溫水環(huán)境對監(jiān)測設備、潛水泵、自控系統(tǒng)的影響規(guī)律，提出成套工況適配優(yōu)化方案。
潛水泵啟動抽水后，地熱井內(nèi)水位開始快速下降，短時間內(nèi)形成較大降深；隨著含水層地下水不斷向井筒補給，水位逐步趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定降深；當潛水泵停機，抽水停止，井筒水位開始緩慢回升。地熱含水層滲透性不同，水位下降、回升的速度差異巨大。滲透性較差的地熱儲層，水位下降速度極快，極易短時間低于潛水泵進水口，造成干轉(zhuǎn)風險；滲透性較好含水層，水位變化平緩。
地熱井筒內(nèi)部，地熱水存在自然溫度分層現(xiàn)象。抽水開啟之后，上部溫度相對較低水體先被抽出，隨著抽水持續(xù)，深部高溫含水層流體不斷涌入井筒，出水溫度逐步升高直至穩(wěn)定；當水泵停機，井筒水體靜置，熱量傳導，溫度場重新分布。抽水啟停帶來的水位快速變動，會擾動井筒內(nèi)部溫度分層，造成短時間溫度劇烈波動。水位與溫度二者的變化并不是全獨立，而是含水層?井筒之間水熱交換的耦合結果。如果自控系統(tǒng)僅依靠水位閾值控制水泵，全忽略溫度的變化，就無法識別儲層異常串水、井管滲漏等隱患。
普通常溫潛水泵最高耐溫一般不超過60℃，無法適用于水熱地熱井。當環(huán)境水溫超過電機耐受溫度，電機絕緣層老化速度呈指數(shù)級加快，密封橡膠圈受熱快速老化開裂，地熱高礦化度水體順著縫隙侵入電機腔體，造成水泵燒毀。即使選用耐高溫專用潛水泵，長期在接近設備耐溫上限的流體中運行，設備故障率同樣會顯著上升，因此需要溫度監(jiān)測信號作為輔助保護聯(lián)鎖條件。
1）傳感器溫漂效應：電子元器件在高溫環(huán)境下零點發(fā)生偏移，造成水位、溫度測量數(shù)值出現(xiàn)持續(xù)性偏差；
2）探頭表面結垢：地熱水中鈣鎂離子、礦物質(zhì)含量高，長期浸泡探頭外殼，表面會形成堅硬水垢層，阻礙溫度傳導，測溫滯后、精度下降；
3）線纜高溫老化與信號漂移：普通信號線長期處在90℃以上熱水中，絕緣層加速老化，導體電阻變化，485通訊信號出現(xiàn)失真、丟包；
4）腐蝕損傷：地熱流體氯離子、硫化氫等腐蝕性離子，緩慢侵蝕探頭不銹鋼外殼，防護薄弱位置出現(xiàn)滲漏損壞。
水位溫度瞬時跳變、信號漂移失真，PLC采集到瞬時異常數(shù)據(jù)，會觸發(fā)錯誤的停機、啟泵指令，即水泵“誤啟停"；而當傳感器結垢、漂移，測量數(shù)值長期偏低，水位已經(jīng)下降至危險埋深，監(jiān)測數(shù)據(jù)卻仍然顯示水位安全，PLC不會下發(fā)停機指令，最終造成潛水泵干轉(zhuǎn)燒毀，屬于更加隱蔽、危害更大的“保護失效"問題。
1）傳感器選型適配：選用專門用于地熱高溫環(huán)境的總線式水位?溫度探頭，出廠前進行高溫老化校準，降低溫漂誤差；外殼選用耐地熱腐蝕17?4PH不銹鋼；探頭下放位置避開潛水泵進水口的強紊流區(qū)，降低抽水擾動帶來的數(shù)據(jù)跳變；
2）線纜選型適配：井下信號線纜必須選用耐高溫鎧裝信號線，禁止使用普通PVC常溫線纜；線纜內(nèi)置高抗拉加強芯，避免水泵提拉造成線纜斷裂；
3）潛水泵選型適配：根據(jù)地熱井長期最高出水溫度，預留15?20℃耐溫余量，例如長期出水95℃，潛水泵耐溫等級選擇≥115℃，不要剛好卡著出水溫度選型。
1）增加延時防抖機制：水位、溫度數(shù)值到達閾值之后，不立刻執(zhí)行啟停，延時3?8秒，連續(xù)多次讀取數(shù)據(jù)均達到閾值，才判定為真實工況，過濾瞬時擾動跳變信號；
2）多級數(shù)字濾波：對傳感器上傳的原始數(shù)據(jù)采用滑動平均濾波算法，消除水體波動帶來的數(shù)據(jù)噪聲；
3）雙參數(shù)互鎖校驗：水位、溫度兩個監(jiān)測數(shù)據(jù)互相校驗，當二者變化趨勢出現(xiàn)明顯矛盾，判定監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，啟動故障預警；
4）通訊斷線保護：井下傳感器信號丟失，PLC立刻觸發(fā)安全停機，杜絕監(jiān)測保護運行；
5）定期校準提醒程序：PLC內(nèi)置運行計時，達到預設運行時長，彈出探頭校準維護提醒。
高溫地熱井監(jiān)測探頭不可長期放任不管，制定周期性運維方案：每3?6個月起吊探頭，清理水垢，重新進行水位、溫度校準；每年對潛水泵、井下線纜外觀、絕緣性能開展一次檢測，提前發(fā)現(xiàn)老化隱患。
選取兩口參數(shù)接近的水熱地熱井開展對照試驗。1號井采用傳統(tǒng)單水位PLC控制系統(tǒng)，無溫度監(jiān)測聯(lián)鎖；2號井采用水位?溫度雙參數(shù)聯(lián)動自控系統(tǒng)，并且使用本文提出的防抖濾波、延時保護優(yōu)化方案。連續(xù)開展30天抽水對比運行。試驗結果顯示：1號井出現(xiàn)2次水泵瞬時誤啟停，后期水位傳感器結垢漂移，差點發(fā)生干轉(zhuǎn)事故；2號井雙參數(shù)聯(lián)動優(yōu)化控制系統(tǒng)運行全程穩(wěn)定，無一次誤動作，溫度異常波動成功觸發(fā)預警。試驗證明經(jīng)過工況適配優(yōu)化后的系統(tǒng)，在高溫地熱環(huán)境適應性遠優(yōu)于傳統(tǒng)單水位控制系統(tǒng)。
水熱型地熱井抽水作業(yè)水位與溫度存在明顯耦合變化關系，高溫、高礦化度水環(huán)境會造成監(jiān)測傳感器溫漂、結垢、信號漂移，直接影響PLC?潛水泵聯(lián)動自控系統(tǒng)可靠性。僅依靠單一水位控制水泵啟停的方案，在中深層水熱地熱井存在明顯短板。通過地熱專用耐高溫設備選型、PLC程序防抖濾波、雙參數(shù)互鎖校驗、定期校準運維等成套適配優(yōu)化措施，能夠大幅提升高溫水環(huán)境下整套潛水泵?水位溫度監(jiān)測?PLC自控系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，降低井下設備故障風險，對于地熱井無人值守自動化抽水具有重要工程應用價值。
