火力发电工程浓盐水回注系统应用研究

魏 巍， 李 进，薛 钰，张连杰

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

巴基斯坦某坑口电厂位于沙漠地区，水资源稀少。电厂主水源为煤矿疏干水，经过深度处理后供电厂使用[1-3]。经过处理后的疏干水以及循环水排污水会产生大量的浓盐水，循环水排污水和浓盐水的处置为本项目的设计难点[4-5]。基于“取之于地下，还之地下”的环保理念，将浓盐水回注到地下第三含水层。浓盐水的回注既补充了因为煤矿开采导致水大量流失的地下含水层，又避免了浓盐水排至地表或者浅层含水层引起的生态影响。相比常规电厂的浓盐水零排放处理[6-7]，回注具有较好的经济性。

回注也称回灌，是将处理后的生活污水、天然雨水以及工业废水通过深井等方式直接输入到地下的一种方法。目前，回注主要运用于北方地下水资源匮乏地区，将水质满足要求的水储存到地下，尽量缓解地下水消耗的速度，同时回注也是深基坑降水的一种常用方法[8-10]。回注在油气田领域中运用较多，主要是将采出油中的大量含水处理后回注至地下[11-12]。在国外，研究和利用回注起步很早，主要是将城市再生水处理达标后，通过回注有效的增加地下水的储量，同时可以较好的通过巨大的地下水空间调蓄水资源，还可以预防海水及苦咸水的入侵[13]。德国在坑口电厂建设中，为了解决大量的采矿疏干水问题，将疏干水集中收集并处理后回注到地下，尽可能的维持原有地下生态平衡以及地下水位。

我国在20世纪60年代开始对回注进行研究利用，上海利用回注的方法补充地下水，解决因大规模开采地下水导致的地面沉降问题[14-15]。现阶段我国回注系统大多数利用在油气田开采以及城市再生水处理方面，国内电力工程还未利用该系统，主要原因是相关的回注水质要求和环境影响评价[16]还没有权威的规范和标准来指导设计，但通过国外的设计实施经验来看，这是一个可以借鉴研究的电厂废水处置方向，特别是以地下水为水源的电力工程。

1 工程概况

本文基于巴基斯坦某沙漠地区的坑口电厂，该项目将电厂产生的浓盐水回注到离发电厂约14 km外的沙漠地区地下含水层。电厂在设计工况下产生的浓盐水量为489 m3/h，最大工况下浓盐水量为585 m3/h。电厂按最大浓盐水量设3台回注水泵(2用1备)，输送至回注区域的10口回注井。

回注区域位于沙漠开阔地带。根据地质勘察报告，回注地块地下部分从上到下分别为沙丘砂含水层和煤层顶部含水层以及煤层底部含水层。回注水通过回注井输入到最下面的第三含水层，该层为平均厚度约40 m的承压含水层。该层主要为中粗砂成分，是该区域含水容积最大的含水层。地层剖面图如图1所示。

图1 地层剖面示意图

2 回注井抽水、注水试验

为了分析该区域回注的可行性和确定回注区域回注地层的水文地质参数包括渗透和导水系数、井损、单井回注量及影响半径等[17-18]，在回注区域进行了一系列抽水、回注试验。具体试验方案见表1所列。

表1 试验方案

首先进行非稳定流抽水试验，之后进行三阶段降深稳定流抽水试验。 在非稳定流抽水试验时， 同步对动水位和出水量的观测， 结合现场实际情况调节三个阶段的流量值为 36 m3/h，72 m3/h， 108 m3/h 左右。 试验开始前测量起始水位，试验开始后，在第一阶段每1～5 min观测一次水位，第二阶段10～20 min观测一次水位，第三阶段每30 min观测一次水位， 直至水位稳定。 稳定延续时间为 8 h。 对水温、 气温观测一般每隔 2～4 h观测一次。

2.1 渗透系数与导水系数

非稳定流抽水试验采用 108 m3/h 的速率进行抽水， 开展试验近 32 h， 水位基本稳定， 水位下降7.23 m， 随后进行12 h的水位恢复试验， 最终水位接近原水位，试验水位过程如图2所示。

图2 非稳定流抽水试验过水位过程线

根据非稳定流抽水试验，对试验数据采用直线图解法，绘制出降深—时间对数曲线如图3所示。

图3 非稳定流抽水试验s-lgt图

根据Theis公式：

式中：T为导水系数， m2/s；Q为流量， m3/s；Δs为一个时间对数周期对应的降深， m。

由图3可得Δs为0.65 m，根据式(1)T = 0.008 4 m2/s。

渗透系数和导水系数换算公式为：

式中：K为渗透系数， m/s；M为含水层厚度，m。

平均含水层取厚度取40 m，由式(2)可得K=2.1×10-4m/s。

渗透系数的大小代表水流通过地下土层的难易程度，导水系数的大小代表含水层的过水能力，根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中岩土体渗透性分级标准，当渗透系数大于1×10-4m/s时，渗透性等级为强透水，因此可以判定该煤层下部承压含水层为渗透性强，导水能力强。

2.2 井损系数与影响半径

在地下水抽采的过程中，以抽水点为中心周围的补水区域形成一个稳定的降落漏斗。降落漏斗的半径即为影响半径[19]。影响半径是抽水试验中很重要的一个特征值，也是地下水动力学中非常经典的一个参数，由法国学者Dupuit提出的可渗透环岛半径演变而来。对一个边界条件一定的理想含水层，影响半径是一个固定值，其表征了地层的补水条件，在理论上无论是在抽水过程还是回注过程影响半径值是相等的。

通过试验数据根据Dupuit公式(3)推导出影响半径，可以据此合理的布置回注井。

式中：si为i次降深， m；Qi为第i次降深对应的流量， m3/s；R为影响半径， m；rw为井径， m；T为导水系数， m2/s；Cw为井损系数， s2/m5。

根据三阶段稳定抽水试验数据拟合的si/Qi—Qi曲线，如图4所示。

图4 si/Qi—Qi曲线图

通过式(3)和图4中的拟合曲线可以求解回注井的井损系数为0.000 4 s2/m5，影响半径约为236 m。因此在设计当中，回注井的合理间距要大于两倍的影响半径，最后两回注井间距设计值取500 m。

2.3 单井回注量

为了确定单井能接受的回注流量，进行了三次短期回注试验(每次周期为3 d)，一次长期回注试验(周期为90 d)。回注方式采用无压自然回注。三次短期回注流量分别为50 m3/h、70 m3/h、80 m3/h。

短期注水水位抬升情况见表2所列，通过表中数据可以看出：回注量为50 m3/h时，水位抬升高度约33.7 m，距离地表(地表绝对高程65 m)约31.3 m；回注量70 m3/h，水位抬升后距离地表约19.3 m；回注量为80 m3/h，水位抬升后距离地表约8.2 m。考虑到后期正常运行后，回注时间较长，水位抬升不宜过高。尤其是后期若回注井清洗不及时，水位抬高会骤升，因此为保证后期运行的可靠性，最后选择70 m3/h作为长期回注流量，持续时间为90 d。

表2 短期回注试验结果表

长期回注时间水位曲线如图5所示。

图5 长期回注时间水位曲线图

经过对注水试验结果分析可以得到以下结论：

1) 试验初期， 水位上升很快， 后期平缓， 但总体呈上升趋势。

2) 水位上升高度与注水流量之间并非正比例关系。

3)不考虑其他因素的影响， 目前长期注水试验水位抬升高度围绕49.9 m 呈波动状态， 可认为水位基本稳定。 经过近三个月的注水结果来看， 含水层阻塞效应并不明显。

4) 70 m3/h的回注量可以作为单井设计回注水量。

3 长期回注可行性分析

3.1 电厂寿命期回注可行性

长期回注可行性取决于工程的水文地质条件， 如第三含水层的分布情况、厚度、 渗透系数等， 以及煤矿疏干排水等影响。 为了深入分析研究区水文地质条件， 运用 MODFLOW 软件建立地下水流数值模型对水文地质条件进行概化。如图6所示为地下水流数值模型。

图6 地下水流数值模型

模型范围基本以回注区块为中心， 南北向80 km， 东西向 50 km。 根据当地水文地质勘查报告以及煤矿疏干井资料和钻孔资料， 收集了200 余个钻孔资料， 对第三含水层进行概化。根据最大回注水量工况，布置 10 口回注井， 每口井回注量为67.32 m3/h ， 对第三含水层进行疏干排水及回注计算， 模型运行 30 a后， 第三含水层等水位线见图 6。在疏干排水和回注同时运行30 a后， 回注井位置水位下降约8～12 m。根据计算，煤矿疏干水的开采有利于回注区域的水位下降，因此在电厂寿命期内回注是可行的。

3.2 水质控制和阻塞分析

随着回注的进行可能对滤管、 滤料、 局部含水层产生阻塞， 从而导致回注能力降低。根据德国回注井的实践运行经验，造成阻塞效应的主要因素来自于回注水质[20-21]。一是水中悬浮物的含量，二是水中的Fe2+和含氧量，回注水中的氧将水中Fe2+和FeS2氧化为 Fe(OH)3，也会与煤层下部含水层中FeS2反应生成Fe(OH)3沉淀，将阻塞滤管和含水层， 降低回注能力。反应式见式(4)、式(5)：

综上所述，通过水质控制能有效降低阻塞效应，通过调研已经长时间运行的回注系统和理论分析，回注的水浊度需要控制在5FNU内，含氧量在1 mg/L内，铁离子含量在0.1 mg/L内。

在电厂内将回注水经过深度处理去除掉铁离子和悬浮物后进入封闭水池。为了尽量多的降低水中氧含量，入井管深入液位以下100 m。

在长时间运行后，管径滤网沉积悬浮物是不可避免的，因此在运行过程中通过回注井水位上升程度判定是否进行井的清洗。

3.3 现阶段运行情况

本电站从2020年初投入使用，已连续运行了2 a多。根据现场运行人员的反馈，回注系统运行良好。本文收集了近6个月的回注井液位记录，回注井液位曲线如图7所示。

图7 回注井液位曲线图

根据图中数据可以看出，近6个月的运行水位(回注井水位距地表距离)主要集中在13～21 m附近。当水位低于9～10 m时，现场会进行回注井的清洗，一般4～6个月进行一次洗井。由图7可知，该井运行良好，水位参数与试验数据吻合较好。

4 管线设计及仪表控制

整个管线长度约14 km，到达回注区域后，通过支管引入10口回注井中。管路沿线地形有起伏，根据管网水锤计算，在沿线高点以及回注井入口处设置空气阀。

经过合理的空气阀及水锤阀设计，在管路稳态运行和事故停泵工况，均能最大程度的减小管路的水锤破坏。

回注井区域单独设置了一套PLC远程控系统，采用PLC主站加远程IO采集单元的方式实现对所有回注井的信号采集和监视。回注井PLC系统主站通过光纤与电厂内的疏干水处理PLC系统通讯，将采集到的所有回注井的回注流量、回注井含水层液位、回注井注水管液位等信息输送至电厂PLC控制网络监视。

5 结论

本文通过现场试验和数值模拟研究表明回注系统的可靠性主要取决于回注井回注层的透水稳定性和水质控制。其次根据回注井液位的高低判断回注井是否需要进行清洗。主要结论如下：

1)以矿区疏干水为水源的火力发电工程产生的浓盐废水处理达标后可以通过回注方式排至地下承压含水层。回注体现了“取之于地下，还之于地下”的环保理念，既解决了浓盐水的去向，也维持了地下水的生态稳定性。

2)回注井区域地下含水层的稳定性及透水性需要进行非稳定流抽水和稳定流抽水试验，根据实验数据计算含水层导水系数、渗透系数，判断地层是否适合回注。单井回注量以及井间距需要通过抽水试验和短期及长期的回注试验，根据实验数据推算含水层的透水影响半径以及通过回注水位线确定合理的单井回注水量。

3)根据抽水试验和短期及长期回注试验的数据计算含水层的透水影响半径，通过回注水位线确定合理的单井回注水量。

4)长期回注的可行性需要模拟回注区域一定范围内的地下疏干排水和回注情况，结合长期回注试验结果并根据数值模拟的水位变化趋势判定电厂寿命期内的回注可行性。

5)影响回注井阻塞效应的主要因素为回注水的水质，其中以悬浮物、含氧量、铁离子含量最重要。

6)回注井系统宜配置PLC远程控制系统，根据液位远程调节流量，同时通过监测液位数据判断回注井何时需要清洗。