火力發電工程濃鹽水回注系統應用研究

魏 巍， 李 進，薛 鈺，張連杰

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

巴基斯坦某坑口電廠位于沙漠地區，水資源稀少。電廠主水源為煤礦疏干水，經過深度處理后供電廠使用[1-3]。經過處理后的疏干水以及循環水排污水會產生大量的濃鹽水，循環水排污水和濃鹽水的處置為本項目的設計難點[4-5]?；凇叭≈诘叵?，還之地下”的環保理念，將濃鹽水回注到地下第三含水層。濃鹽水的回注既補充了因為煤礦開采導致水大量流失的地下含水層，又避免了濃鹽水排至地表或者淺層含水層引起的生態影響。相比常規電廠的濃鹽水零排放處理[6-7]，回注具有較好的經濟性。

回注也稱回灌，是將處理后的生活污水、天然雨水以及工業廢水通過深井等方式直接輸入到地下的一種方法。目前，回注主要運用于北方地下水資源匱乏地區，將水質滿足要求的水儲存到地下，盡量緩解地下水消耗的速度，同時回注也是深基坑降水的一種常用方法[8-10]?；刈⒃谟蜌馓镱I域中運用較多，主要是將采出油中的大量含水處理后回注至地下[11-12]。在國外，研究和利用回注起步很早，主要是將城市再生水處理達標后，通過回注有效的增加地下水的儲量，同時可以較好的通過巨大的地下水空間調蓄水資源，還可以預防海水及苦咸水的入侵[13]。德國在坑口電廠建設中，為了解決大量的采礦疏干水問題，將疏干水集中收集并處理后回注到地下，盡可能的維持原有地下生態平衡以及地下水位。

我國在20世紀60年代開始對回注進行研究利用，上海利用回注的方法補充地下水，解決因大規模開采地下水導致的地面沉降問題[14-15]?，F階段我國回注系統大多數利用在油氣田開采以及城市再生水處理方面，國內電力工程還未利用該系統，主要原因是相關的回注水質要求和環境影響評價[16]還沒有權威的規范和標準來指導設計，但通過國外的設計實施經驗來看，這是一個可以借鑒研究的電廠廢水處置方向，特別是以地下水為水源的電力工程。

1 工程概況

本文基于巴基斯坦某沙漠地區的坑口電廠，該項目將電廠產生的濃鹽水回注到離發電廠約14 km外的沙漠地區地下含水層。電廠在設計工況下產生的濃鹽水量為489 m3/h，最大工況下濃鹽水量為585 m3/h。電廠按最大濃鹽水量設3臺回注水泵(2用1備)，輸送至回注區域的10口回注井。

回注區域位于沙漠開闊地帶。根據地質勘察報告，回注地塊地下部分從上到下分別為沙丘砂含水層和煤層頂部含水層以及煤層底部含水層?；刈⑺ㄟ^回注井輸入到最下面的第三含水層，該層為平均厚度約40 m的承壓含水層。該層主要為中粗砂成分，是該區域含水容積最大的含水層。地層剖面圖如圖1所示。

圖1 地層剖面示意圖

2 回注井抽水、注水試驗

為了分析該區域回注的可行性和確定回注區域回注地層的水文地質參數包括滲透和導水系數、井損、單井回注量及影響半徑等[17-18]，在回注區域進行了一系列抽水、回注試驗。具體試驗方案見表1所列。

表1 試驗方案

首先進行非穩定流抽水試驗，之后進行三階段降深穩定流抽水試驗。 在非穩定流抽水試驗時， 同步對動水位和出水量的觀測， 結合現場實際情況調節三個階段的流量值為 36 m3/h，72 m3/h， 108 m3/h 左右。 試驗開始前測量起始水位，試驗開始后，在第一階段每1～5 min觀測一次水位，第二階段10～20 min觀測一次水位，第三階段每30 min觀測一次水位， 直至水位穩定。 穩定延續時間為 8 h。 對水溫、 氣溫觀測一般每隔 2～4 h觀測一次。

2.1 滲透系數與導水系數

非穩定流抽水試驗采用 108 m3/h 的速率進行抽水， 開展試驗近 32 h， 水位基本穩定， 水位下降7.23 m， 隨后進行12 h的水位恢復試驗， 最終水位接近原水位，試驗水位過程如圖2所示。

圖2 非穩定流抽水試驗過水位過程線

根據非穩定流抽水試驗，對試驗數據采用直線圖解法，繪制出降深—時間對數曲線如圖3所示。

圖3 非穩定流抽水試驗s-lgt圖

根據Theis公式：

式中：T為導水系數， m2/s；Q為流量， m3/s；Δs為一個時間對數周期對應的降深， m。

由圖3可得Δs為0.65 m，根據式(1)T = 0.008 4 m2/s。

滲透系數和導水系數換算公式為：

式中：K為滲透系數， m/s；M為含水層厚度，m。

平均含水層取厚度取40 m，由式(2)可得K=2.1×10-4m/s。

滲透系數的大小代表水流通過地下土層的難易程度，導水系數的大小代表含水層的過水能力，根據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》中巖土體滲透性分級標準，當滲透系數大于1×10-4m/s時，滲透性等級為強透水，因此可以判定該煤層下部承壓含水層為滲透性強，導水能力強。

2.2 井損系數與影響半徑

在地下水抽采的過程中，以抽水點為中心周圍的補水區域形成一個穩定的降落漏斗。降落漏斗的半徑即為影響半徑[19]。影響半徑是抽水試驗中很重要的一個特征值，也是地下水動力學中非常經典的一個參數，由法國學者Dupuit提出的可滲透環島半徑演變而來。對一個邊界條件一定的理想含水層，影響半徑是一個固定值，其表征了地層的補水條件，在理論上無論是在抽水過程還是回注過程影響半徑值是相等的。

通過試驗數據根據Dupuit公式(3)推導出影響半徑，可以據此合理的布置回注井。

式中：si為i次降深， m；Qi為第i次降深對應的流量， m3/s；R為影響半徑， m；rw為井徑， m；T為導水系數， m2/s；Cw為井損系數， s2/m5。

根據三階段穩定抽水試驗數據擬合的si/Qi—Qi曲線，如圖4所示。

圖4 si/Qi—Qi曲線圖

通過式(3)和圖4中的擬合曲線可以求解回注井的井損系數為0.000 4 s2/m5，影響半徑約為236 m。因此在設計當中，回注井的合理間距要大于兩倍的影響半徑，最后兩回注井間距設計值取500 m。

2.3 單井回注量

為了確定單井能接受的回注流量，進行了三次短期回注試驗(每次周期為3 d)，一次長期回注試驗(周期為90 d)。回注方式采用無壓自然回注。三次短期回注流量分別為50 m3/h、70 m3/h、80 m3/h。

短期注水水位抬升情況見表2所列，通過表中數據可以看出：回注量為50 m3/h時，水位抬升高度約33.7 m，距離地表(地表絕對高程65 m)約31.3 m；回注量70 m3/h，水位抬升后距離地表約19.3 m；回注量為80 m3/h，水位抬升后距離地表約8.2 m?？紤]到后期正常運行后，回注時間較長，水位抬升不宜過高。尤其是后期若回注井清洗不及時，水位抬高會驟升，因此為保證后期運行的可靠性，最后選擇70 m3/h作為長期回注流量，持續時間為90 d。

表2 短期回注試驗結果表

長期回注時間水位曲線如圖5所示。

圖5 長期回注時間水位曲線圖

經過對注水試驗結果分析可以得到以下結論：

1) 試驗初期， 水位上升很快， 后期平緩， 但總體呈上升趨勢。

2) 水位上升高度與注水流量之間并非正比例關系。

3)不考慮其他因素的影響， 目前長期注水試驗水位抬升高度圍繞49.9 m 呈波動狀態， 可認為水位基本穩定。 經過近三個月的注水結果來看， 含水層阻塞效應并不明顯。

4) 70 m3/h的回注量可以作為單井設計回注水量。

3 長期回注可行性分析

3.1 電廠壽命期回注可行性

長期回注可行性取決于工程的水文地質條件， 如第三含水層的分布情況、厚度、 滲透系數等， 以及煤礦疏干排水等影響。 為了深入分析研究區水文地質條件， 運用 MODFLOW 軟件建立地下水流數值模型對水文地質條件進行概化。如圖6所示為地下水流數值模型。

圖6 地下水流數值模型

模型范圍基本以回注區塊為中心， 南北向80 km， 東西向 50 km。 根據當地水文地質勘查報告以及煤礦疏干井資料和鉆孔資料， 收集了200 余個鉆孔資料， 對第三含水層進行概化。根據最大回注水量工況，布置 10 口回注井， 每口井回注量為67.32 m3/h ， 對第三含水層進行疏干排水及回注計算， 模型運行 30 a后， 第三含水層等水位線見圖 6。在疏干排水和回注同時運行30 a后， 回注井位置水位下降約8～12 m。根據計算，煤礦疏干水的開采有利于回注區域的水位下降，因此在電廠壽命期內回注是可行的。

3.2 水質控制和阻塞分析

隨著回注的進行可能對濾管、 濾料、 局部含水層產生阻塞， 從而導致回注能力降低。根據德國回注井的實踐運行經驗，造成阻塞效應的主要因素來自于回注水質[20-21]。一是水中懸浮物的含量，二是水中的Fe2+和含氧量，回注水中的氧將水中Fe2+和FeS2氧化為 Fe(OH)3，也會與煤層下部含水層中FeS2反應生成Fe(OH)3沉淀，將阻塞濾管和含水層， 降低回注能力。反應式見式(4)、式(5)：

綜上所述，通過水質控制能有效降低阻塞效應，通過調研已經長時間運行的回注系統和理論分析，回注的水濁度需要控制在5FNU內，含氧量在1 mg/L內，鐵離子含量在0.1 mg/L內。

在電廠內將回注水經過深度處理去除掉鐵離子和懸浮物后進入封閉水池。為了盡量多的降低水中氧含量，入井管深入液位以下100 m。

在長時間運行后，管徑濾網沉積懸浮物是不可避免的，因此在運行過程中通過回注井水位上升程度判定是否進行井的清洗。

3.3 現階段運行情況

本電站從2020年初投入使用，已連續運行了2 a多。根據現場運行人員的反饋，回注系統運行良好。本文收集了近6個月的回注井液位記錄，回注井液位曲線如圖7所示。

圖7 回注井液位曲線圖

根據圖中數據可以看出，近6個月的運行水位(回注井水位距地表距離)主要集中在13～21 m附近。當水位低于9～10 m時，現場會進行回注井的清洗，一般4～6個月進行一次洗井。由圖7可知，該井運行良好，水位參數與試驗數據吻合較好。

4 管線設計及儀表控制

整個管線長度約14 km，到達回注區域后，通過支管引入10口回注井中。管路沿線地形有起伏，根據管網水錘計算，在沿線高點以及回注井入口處設置空氣閥。

經過合理的空氣閥及水錘閥設計，在管路穩態運行和事故停泵工況，均能最大程度的減小管路的水錘破壞。

回注井區域單獨設置了一套PLC遠程控系統，采用PLC主站加遠程IO采集單元的方式實現對所有回注井的信號采集和監視?；刈⒕甈LC系統主站通過光纖與電廠內的疏干水處理PLC系統通訊，將采集到的所有回注井的回注流量、回注井含水層液位、回注井注水管液位等信息輸送至電廠PLC控制網絡監視。

5 結論

本文通過現場試驗和數值模擬研究表明回注系統的可靠性主要取決于回注井回注層的透水穩定性和水質控制。其次根據回注井液位的高低判斷回注井是否需要進行清洗。主要結論如下：

1)以礦區疏干水為水源的火力發電工程產生的濃鹽廢水處理達標后可以通過回注方式排至地下承壓含水層。回注體現了“取之于地下，還之于地下”的環保理念，既解決了濃鹽水的去向，也維持了地下水的生態穩定性。

2)回注井區域地下含水層的穩定性及透水性需要進行非穩定流抽水和穩定流抽水試驗，根據實驗數據計算含水層導水系數、滲透系數，判斷地層是否適合回注。單井回注量以及井間距需要通過抽水試驗和短期及長期的回注試驗，根據實驗數據推算含水層的透水影響半徑以及通過回注水位線確定合理的單井回注水量。

3)根據抽水試驗和短期及長期回注試驗的數據計算含水層的透水影響半徑，通過回注水位線確定合理的單井回注水量。

4)長期回注的可行性需要模擬回注區域一定范圍內的地下疏干排水和回注情況，結合長期回注試驗結果并根據數值模擬的水位變化趨勢判定電廠壽命期內的回注可行性。

5)影響回注井阻塞效應的主要因素為回注水的水質，其中以懸浮物、含氧量、鐵離子含量最重要。

6)回注井系統宜配置PLC遠程控制系統，根據液位遠程調節流量，同時通過監測液位數據判斷回注井何時需要清洗。