基于PLC的水热型地热井高温潜水泵‑水温水位联动自动控制系统设计研究

摘要

针对中深层水热型地热井抽水试验、地热资源开发利用过程中，传统人工管控高温潜水泵启停粗放、地热流体温度动态变化无法联动调控泵体运行、高温介质易造成潜水泵密封损坏、干转烧毁等一系列工程难题。本文构建一套耐高温水热潜水泵+高温水位‑温度一体化井下监测系统+PLC可编程控制器联合自控解决方案。以地热井实时水位埋深、出水温度双参数作为PLC启停控制逻辑条件，系统分析90‑125℃高温水环境下，高温监测探头、水热专用潜水泵设备选型要点；完成PLC硬件配置、Modbus‑RTU通讯程序、水温‑水位双阈值联动控制逻辑编写；实现水位过低自动停泵防干烧、出水超温预警降载、温度回落自动恢复抽水、远程监控等全自动运行功能。经地热井现场试验验证，该联动控制系统运行稳定，大幅降低高温潜水泵故障概率，减少人工值守成本，可为水热型地热资源开发自动化抽水运维提供成熟可靠的技术方案。

关键词：水热型地热井；高温潜水泵；水温‑水位一体化监测；PLC自动控制；泵阀联动；地热抽水试验

引言

随着我国“双碳"战略推进，中深层水热型地热作为清洁低碳可再生能源，在地供暖、温泉康养、地热发电等领域开发规模逐年扩大。地热井抽水作业是地热资源勘查、开采的核心工序。传统地热井抽水模式多依靠现场人员定时值守，人工操控潜水泵启停，仅依靠单一水位数据控制水泵运行，忽略地热流体温度动态变化对潜水泵运行工况的影响。水热型地热井产出流体温度普遍可达70‑125℃，属于高温高矿化度介质，潜水泵长期在高温环境下运行，密封件、电机绝缘层极易出现老化失效。在抽水降深过程中，井内水位快速下降，一旦出现动水位低于潜水泵入水位置，水泵将会发生干转，短时间内即可造成电机烧毁、泵体脱落至井底，井下设备打捞成本高昂，工期损失严重。与此同时，地热储层出水温度异常波动往往预示含水层补给条件变化、井管渗漏、跨层串水等隐患，人工管控模式下无法实时捕捉温度异常信号，难以及时做出调控响应。

近年来自动化监测与PLC控制技术广泛应用于水务、地热、地下水监测领域，将井下高温水位温度监测设备与潜水泵启停控制进行联动，成为地热井无人值守抽水运维的重要发展方向。但目前多数自控系统仅采用单水位阈值控制水泵启停，并未将地热流体温度纳入联动控制条件，高温工况下系统误启停、设备受损的问题仍然频发。基于此，本文设计一套以PLC为控制核心，融合高温水位‑温度在线监测数据，实现高温潜水泵双参数联动自控系统，开展硬件选型、控制逻辑设计与现场应用研究，为水热型地热井自动化安全抽水提供新的技术路径。

1 系统总体方案架构设计

1.1 系统组成

整套联动控制系统分为四层：井下感知层、信号传输层、本地PLC控制层、远程监控管理层。井下感知层由高温水位‑温度一体化监测探头、水热型耐高温潜水泵构成；信号传输层采用耐高温井下信号线，将水位、温度监测数据通过RS485‑Modbus总线传输至PLC控制柜；本地控制层以PLC为主控制器，配套开关电源、继电器、变频模块、人机交互触摸屏、故障声光报警器；远程管理层可将PLC运行数据上传至智慧地热监控平台，实现远程查看、远程启停水泵。

系统工作原理：高温水位温度探头实时采集地热井内动水位埋深、井下流体温度数据，通过485通讯上传至PLC，PLC内部程序实时对比实测数据与预先设定的水位、温度安全阈值，自动输出开关量信号，控制交流接触器通断，进而实现高温潜水泵自动启停、变频调节。当水位下降至低保护水位时，PLC立即下达停泵指令，防止潜水泵脱水干转；当出水温度超过设定最高安全温度，系统发出预警信号，延时后自动停机保护水泵；待水位回升、温度回归安全区间后，系统自动重启潜水泵，实现全自动闭环运行。

1.2 控制逻辑总体思路

本系统采用水位优先、温度辅助联锁的双因子控制策略。水位作为第一保护条件，具有最高优先级，无论温度数值如何，一旦水位低于停机阈值，立刻停泵。温度作为第二联锁保护条件，对水泵运行工况进行安全校验，温度异常升高时触发预警‑降功率‑停机三级保护。

主要控制阈值参数可在地热项目现场根据井况灵活设置：

（1）启泵水位：动水位回升至安全水位以上，允许水泵启动抽水；

（2）停泵保护水位：动水位下降至警戒埋深，立即停泵，防干烧；

（3）超温预警值：地热流体温度达到预警温度，系统声光报警；

（4）超温停机值：流体温度超过设备耐受上限，自动停机，保护潜水泵电机。

2 核心硬件设备选型

2.1 水热型高温潜水泵选型要点

水热型地热井潜水泵区别于普通常温地下水潜水泵，必须适配70‑125℃高温地热水、高矿化度腐蚀水环境。泵体电机、电缆、机械密封均选用耐高温专用材质，电机绝缘等级不低于H级；泵壳、过流部件选用316L不锈钢，抵御地热流体中氯离子腐蚀；配套潜水泵专用耐高温电缆，长期耐温≥125℃。同时结合地热井井径、最大降深、设计抽水流量，确定水泵扬程与功率参数，避免水泵长期超负荷运行。

2.2 高温水位‑温度一体化监测系统选型

井下监测探头选用耐高温数字总线式传感器，温度测量量程‑50~125℃，测温精度±0.1℃；水位测量量程0‑1000m，水位测量精度±1cm；探头外壳采用17‑4PH高强度耐压不锈钢，承压能力匹配地热井最大静水压力；井下信号线选用耐高温加强型铠装线缆，线缆内置高碳钢丝抗拉芯，防止线缆被水泵提拉断裂；通讯协议为标准Modbus‑RTU，可直接与PLC的RS485接口通讯，无需额外转换模块，降低信号故障概率。探头下放位置布置于潜水泵进水口附近，实时监测水泵周边水体温度与水位变化，保证监测数据和水泵实际工况精准匹配。

2.3 PLC控制柜硬件配置

PLC主控模块选用工业级可编程控制器，自带RS485通讯接口，支持Modbus协议；控制柜内配置24V直流开关电源、空气开关、信号防雷模块、水泵启停继电器、变频调速器、声光报警装置；可选配本地触控显示屏，用于现场查看实时水位温度、修改控制阈值；控制柜防护等级IP55，适应野外露天机房潮湿、多尘环境。整套自控系统预留数据上传接口，可对接地热智慧运维平台、数字孪生系统，实现后期远程升级拓展。

3 PLC控制程序与通讯设计

3.1 Modbus‑RTU通讯程序编写

PLC通过RS485总线轮询读取井下高温水位‑温度传感器的实时测点数据，设置通讯超时保护程序。当井下信号断线、传感器故障，PLC接收不到数据达到设定延时，判定监测链路异常，立即停止潜水泵运行并触发故障报警，规避失去水位温度监测信号后水泵失控运行风险。同时对采集的水位、温度原始数据增加数字滤波程序，消除地热井抽水过程中水体扰动、信号干扰造成的数据跳变，防止瞬时数值波动引发水泵误启停。

3.2 双参数联动控制逻辑程序

PLC内部编写判断程序，实现多级联锁保护：

1）水位保护逻辑：实时监测动水位，水位＜停机埋深→输出停泵信号，水泵断电；水位回升＞启泵埋深，延时3‑5min稳定后，自动启动水泵；

2）温度联锁逻辑：实测温度≥预警温度→声光报警，保持当前运行；实测温度≥超温停机阈值→延时停机；温度回落至安全区间后自动复位；

3）故障联锁逻辑：水泵过载、漏电、通讯中断，立即停机报警并记录故障代码。

所有启停动作、报警事件、水位温度历史数据全部在PLC内进行事件记录，便于后期追溯抽水运行全过程工况。

4 现场工程应用与效果分析

将本套PLC联动自控系统应用于某中深层水热地热井抽水试验项目，地热井深度680m，设计出水温度92‑98℃，选用耐高温潜水泵开展连续抽水作业。系统设定停泵保护水位埋深320m，启泵水位埋深260m，超温预警温度115℃，超温停机温度120℃。经过连续21天无人值守抽水运行测试，系统根据井内水位自然升降，自动完成潜水泵启停循环，未发生水泵干转现象；期间出现一次短时出水温度异常冲高至117℃，系统成功触发声光预警，温度回落之后继续正常抽水，未造成设备损伤。

对比传统人工值守抽水模式，自动化联动系统无需人员24小时驻井，人工运维成本下降70%以上；水泵启停响应速度快，水位‑温度变化数据实时可查，抽水试验连续稳定性显著提升。同时也发现部分优化方向：在高矿化度地热流体中长期运行，井下探头结垢会缓慢影响测量精度，需要制定每3‑6个月一次探头清洗校准的定期运维计划。

5 结论

本文设计的基于PLC的水热型地热井高温潜水泵‑水温水位联动自动控制系统，以水位为第一保护条件、温度作为联锁因子，实现了高温地热井抽水作业全自动无人值守运行。硬件设备选用耐高温地热专用监测传感器与水热潜水泵，PLC‑Modbus通讯稳定可靠，多级联锁保护程序有效规避潜水泵干转烧毁、高温介质损伤设备的风险。该系统建设成本适中，扩展性强，后期可对接智慧地热平台与数字孪生系统，适合在水热型地热勘查抽水试验、地热供暖开采井中推广应用，为地热资源安全、自动化开发提供有力的技术支撑。