1概述

中國地熱資源十分豐富以中低溫地熱資源為主適合用于地熱供暖、地熱種植養殖和旅游療養梯級綜合利用模式。北方地區是我國中低溫地熱資源發育最好的區域以地熱供暖方式替代傳統能源對緩解北方冬季大氣污染問題有著重要意義。

通過中深層地熱供暖技術是通過采水井從地下抽取中高溫地熱水在地面換熱站內通過換熱器將地熱水中的熱能提取后為城鎮居民、周邊高端設施農業及水產養殖業供暖釋放完熱量后的地熱水通過回灌井全部回灌到地下做到取熱不耗水。該供熱方式可完全替代用于城鎮集中供暖的燃煤鍋爐供暖清潔環保節能減排可為國家“美麗鄉村”建設助力。

2案例介紹

2.1項目概況

項目位于山東省東營市東營區項目所在地總供暖面積約2 5 2 4×1 04 m 2其中包括公建部分9 5 7×1 0 4 m 2居民部分1 5.6 7×1 04 m 2。該部分建筑最早采用2臺1 4 M W的燃煤熱水鍋爐提供熱源集中供暖。

該項目鍋爐容量小燃燒效率低加之燃煤價格逐年上漲供熱公司常年虧損靠當地政府和油田補貼維持運營為充分發揮當地地熱資源優勢2 0 1 9年當地政府決定采用中深層地熱供暖方式完全替代2臺1 4 M W燃煤鍋爐。另外該項目周邊建有1 8×1 04m 2設施農業包括花卉大棚以及蔬菜大棚地熱水由換熱站提取熱量為當地居民及公共建筑供暖換完熱后的地熱水通過管道送到大棚內為1 8×1 04m 2設施農業繼續供暖。

2.2熱負荷分析

該項目所服務的建筑均為非節能建筑供暖末端均為暖氣片參考《城鎮供熱管網設計標準》(C J J 3 4—2 0 2 2)同時考慮熱網及供熱站損失熱量該項目供暖區域中非節能住宅建筑熱指標(q1)6 0 W/m2非節能公共建筑熱指標(q 2)6 5 W/m2。熱負荷計算公式為

式中Qh為采暖設計熱負荷(k W) ；q h為采暖熱指標(W/m2);A c為采暖建筑物的建筑面積(m2)。

由于該項目為改造項目熱用戶的已趨于穩定根據統計該項目入住率基本維持在7 5%~8 0%因此該項目的建筑總熱負荷按照采暖設計熱負荷Qh的8 0%考慮建筑總熱負荷為Q 1=Q h×8 0%=1 5 6 2 2.5×0.8=1 2 4 9 8 k W 設施農業大棚的采暖熱負荷指標(q3)按照4 5 W/m2計算總熱負荷為Q 2=q 3×1 8×1 04÷1 0 0 0=4 5×1 8×1 0 4÷1 0 0 0=8 1 0 0 k W

因此,該項目總熱負荷為Q=Q1+Q 2=1 2 4 9 8+8 1 0 0=2 0 5 9 8 k W

2.3供熱方案

項目區前期供暖方式采用燃煤鍋爐房集中供暖采用中深層地熱能供暖技術在原燃煤鍋爐房內新建地熱能源站替代原有燃煤鍋爐供熱系統供熱管網和末端設施均可利舊。

根據當地地熱資源分析報告顯示當地主力熱儲層東營組地熱資源豐富單井取水熱儲可達1 0 0 m成井深度約為2 0 0 0m熱水溫度可達8 0℃單井水量可達8 0 m3 /h該項目未采用熱泵梯級利用技術地熱水經多級板式換熱器換熱后直接回灌回灌尾溫度3 5 ℃單井供熱量4 1 7 6 k W鉆探5口采水井、5口回灌井可以完全滿足住宅、公建及設施農業的用熱需求。項目工藝流程如圖1所示。2 0 0 0 m左右的東營組熱儲中的地熱水經深井泵升壓后進入除砂器、汽水分離器進行處理除去地熱水中的泥沙及可燃性氣體然后進入布置于能源站內板式換熱器熱端進行一級換熱溫度由8 0 ℃降低到約5 2 ℃板式換熱器的冷端溫軟化水在換熱器內溫度由4 5 ℃加熱至5 3 ℃加熱后的軟化水經分水器后通過集中供熱管網輸送到用戶供熱末端。經過一級換熱后的地熱水通過設施農業供熱管線輸送到設施農業蔬菜大棚和花卉大棚內的換熱站內通過板式換熱器進行二次換熱溫度降低到約3 5 ℃后通過地熱尾水回灌管線進入各回灌井內進行同層回灌。

該工藝在未使用熱泵的情況下經過兩級換熱最大限度地利用了地熱水的熱量降低了地熱利用過程的能耗提高了地熱開發利用的效率。

3運營情況分析

3.1供暖效果

該項目于2 0 1 9年6月開始施工于2 0 1 9年1 0月3 0日達到供暖條件并于當年1 1月7日投入供暖運營。供暖初期及末期開啟 3口取水井、3口回灌井即可滿足供熱需求供暖中期根據室外溫度情況增加地熱井開啟數量。項目已經連續運行4個供暖季供熱效果良好用戶室內溫度均高于1 8 ℃滿足《山東省供熱條例》對室內溫度要求。

3.2回灌效果分析

該項目采用一采一灌的方式來設計即一口開采井對應一口回灌井。地熱井及回灌系統采用公司自主研發無壓回灌專利技術該技術在鉆井設計及完井、工藝設備及材料的選擇、化學助劑的針對性應用以及運行維保方面形成一整套完整的解決方案達到地熱尾水在砂巖熱儲(如館陶組、東營組等)能實現在采水井和回灌井數量為1 1的情況下實現1 0 0%無壓同層回灌從而確保以灌定采的實施也不會形成加壓回灌等方式對地層的破壞及不可持續性。在開采的過程中全程檢測開采井及回灌井的水位、壓力、流量及溫度通過上述參數的變化判斷生產及回灌的運行情況以確保1 0 0%達標回灌及整個系統的安全運行。

圖2所示為2 0 2 1—2 0 2 2年供暖季項目開采量與回灌量對比曲線從圖中可以看出5口開采井的日開采量與5口回灌井的日回灌量基本吻合開采量略大于回灌量的原因是因為開采井的流量計均安裝于氣液分離器及除砂器前段由于當地處于油區地熱水中含甲烷、C O2等氣體在進入換熱站前需經過氣液分離器除掉氣體以免影響換熱效果以及防止發生回灌氣堵問題。

3.3經濟效益分析

3.3.1收入

該項目住宅收費率約8 5%每平方米供暖價格為2 1元共建收費率約8 0%每平方米供暖價格為3 2元。因此居住建筑供暖費總收入G1= (1 5.6 7×1 04)×8 5%×2 1+ (9.5 7×1 0 4)×8 0%×3 2=5 2 4.7萬元。

另外該項目向周邊設施農業提供供熱服務每千焦的單價為0 0 5元年總供熱量約為1 1×1 08 k J收入G2=0.0 5×1.1×1 08  =5 5 0萬元。

該項目的總收入G=G1+G 2=5 2 4.7+5 5 0=1 0 7 4.7萬元。

3.3.2支出

該項目運營成本主要包括電費、人工費、維修費、礦產資源稅、管理費根據實際運行情況每個供暖季運營成本統計如下

電費1 0 5 3萬元人工費5 6萬元維修費6 0萬元(設備、地熱井及管線維修)礦產資源稅7 5萬元管理費1 5萬元合計總運營支出3 1 1.3萬元。

3.3.3效益分析

該項目建設內容包括地熱井、能源站及供熱管線項目建設投資5 1 0 0萬元項目毛利潤約7 6 3 4萬元靜態投資回收期約為 6.6 8年。

3.4節能減排分析

該項目為燃煤鍋爐替代項目燃煤鍋爐機組已經拆除項目已經成功運行4個供暖季。根據運行數據測算該項目年供熱量約2 2×1 04  G J按照標準煤熱值2 9 3 0 7 k J/k g[《綜合能耗計算通則》(G B 2 5 8 9—2 0 2 0)]、燃煤熱水鍋爐的熱效率8 5%計算相當于每年可節約標煤量0 8 8×1 04 t減少二氧化碳排放量約2 1 6×1 0 4 t。本項目運行4個供暖季已節約燃煤3 5 2×1 0 4 t減排二氧化碳8.6 4×1 04 t節能減排效果顯著。

4結語

通過對該工程案例的分析總結如下。

(1)該項目采用中深層地熱能替代傳統集中供暖方式項目建設投資較高但供熱系統自動化程度高、能耗低排放少運營成本低項目投資回收期較短有顯著的經濟和環保效益。

(2)該項目采用自主知識產權回灌技術實現了同層達標回灌地熱水的取熱過程全部采用間接換熱形式真正做到了“取熱不耗水”也不污染地下水不會對地下水和地質結構造成破壞對地熱能做到了安全、環保、可持續開發利用。

(3)采用中深層地熱能完全替代傳統燃煤熱水鍋爐供暖供暖效果得到當地百姓的認可徹底解決了供熱公司靠政府補貼維持運營的局面。另外該項目同時為鄉鎮周邊設施農業大棚提供廉價熱源助力當地設施農業建設促進了當地地熱能利用產業發展有顯著的社會效益值得借鑒推廣。