太原地區(qū)地?zé)豳Y源應(yīng)用技術(shù)研究

柳 濤

(中色十二冶金建設(shè)有限公司，山西太原 030009)

0 引言

隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深化，人們的環(huán)保意識越來越強，而且如今人們的居住觀念由單一注重實用性、功能性的基本要求向舒適性、環(huán)保性及智能性等更高層次逐步轉(zhuǎn)變。地?zé)釤岜米鳛橐粋€新興技術(shù)，有能力利用地下巨大的可再生儲存能量，提供高效的供暖和制冷［1］。地?zé)豳Y源的利用將被認為是替代化石燃料的一種選擇，在許多國家，正是由于地?zé)釤岜玫睦貌艠O大的減少了二氧化碳的總排放量。地?zé)豳Y源作為清潔能源，其市場適應(yīng)性更強［2］。隨著地?zé)衢_發(fā)利用技術(shù)的不斷成熟，配套政策機制的不斷完善，地?zé)岬氖袌銮熬霸絹碓綇V闊，安裝熱泵系統(tǒng)的數(shù)量會迅速增長起來。

1 地?zé)豳Y源的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 我國地?zé)豳Y源的基本情況

地?zé)崾莵碜缘厍騼?nèi)部的一種能量資源。地球上火山噴出的熔巖溫度高達1 200℃ ～1 300℃，天然溫泉的溫度大多在60℃以上，有的甚至高達100℃ ～140℃。地球是一個龐大的熱庫，蘊藏著巨大的熱能。地?zé)豳Y源按照其儲存形式可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型和熔巖型五大類。

地?zé)豳Y源的開發(fā)利用主要分為兩類:發(fā)電和非發(fā)電。我國把高于150℃的稱為高溫地?zé)豳Y源，主要應(yīng)用于發(fā)電，把90℃～150℃和25℃～90℃地?zé)岱謩e稱為中溫和低溫地?zé)豳Y源，可直接用于采暖、工業(yè)加溫、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)療及洗浴等方面。

目前我國直接使用地?zé)豳Y源的設(shè)備能力為8 898 MW t，居世界第二位;年產(chǎn)出熱能37 908 TJ/年，居世界第一位;但地?zé)岚l(fā)電的機組熱容量為24 MWt，在所有具有地?zé)岚l(fā)電能力的國家中排名靠后。在我國地?zé)豳Y源中，中低溫地?zé)豳Y源所占比例較高，而在中低溫地?zé)岬闹苯永弥?，供熱采暖?8.0%，醫(yī)療洗浴占65.2%，種植與養(yǎng)殖占 9.1%，其他占 7.7%。

近年來，我國淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用量以每年30%的速度增長，2006年我國的地?zé)岜霉┡娣e為3.7×107m2，2008年供暖總面積為6.2×107m2，2010年供暖總面積為 1×108m2，2012年供暖總面積為1.21×108m2。盡管如此，地?zé)豳Y源的利用率仍不高，且在整個能源結(jié)構(gòu)中所占比例較低，不足1%，其發(fā)展前景廣闊。

1.2 利用地?zé)豳Y源采暖的優(yōu)點

利用地?zé)豳Y源采暖，即低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?，它是新興的一種取暖方式。其優(yōu)點主要在于:

1)環(huán)保:地?zé)豳Y源與傳統(tǒng)能源相比，具有可再生，零排放，對環(huán)境無污染等特點，尤其隨著人們環(huán)保意識的增強及全球溫室效應(yīng)的影響，地?zé)豳Y源的環(huán)保性的優(yōu)勢將更加突出。

2)利用效率高:利用地?zé)岵膳姆块g，其溫度分布比較均勻，溫度梯度較小，同等舒適感情況下其溫度可比傳統(tǒng)采暖方式低2℃ ～3℃，從而減少了供熱量，提高了熱能的利用效率。

3)溫度均勻:地?zé)岵膳到y(tǒng)是將加熱管道埋在地下，提高地表溫度，通過地板向室內(nèi)散熱，避免了傳統(tǒng)采暖方式的舉架高，熱空氣上升，造成上熱下冷的弊端，從而在保證室溫的前提下又使溫度分布均勻。

4)節(jié)省室內(nèi)面積:地?zé)岵膳到y(tǒng)減少了常規(guī)采暖方式暖氣片所占的室內(nèi)空間，可節(jié)省室內(nèi)有效面積6%左右。

5)健康舒適:地?zé)岵膳沟檬覂?nèi)溫度從下到上逐漸降低，其感覺舒適，且避免了對流供暖導(dǎo)致的室內(nèi)氣流劇烈，減少了塵埃飛揚。

6)運行成本低:傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)的暖氣片一般在15年左右就需要更換部分管道和暖氣片，而地?zé)岵膳恍瓒ㄆ谇逑催^濾器而已，運營成本僅為循環(huán)泵所需的電力費用，且其維修養(yǎng)護費用較低。

2 太原地區(qū)地?zé)豳Y源概況

2.1 太原地區(qū)地質(zhì)背景

太原盆地位于山西中部，地勢平坦，海拔為755 m～810 m，面積約為6 195 km2，西鄰呂梁山系，東鄰太行山脈，北部為棋子山，氣候?qū)儆诒睖貛О敫珊荡箨懶詺夂?，年平均降雨?50 mm，年平均氣溫9.5℃，汾河自北向南貫穿其中。

太原盆地屬新生代斷陷盆地，其地質(zhì)變化經(jīng)歷了早前寒武紀(jì)的五臺—呂梁構(gòu)造期，中生代燕山構(gòu)造期和新生代喜馬拉雅構(gòu)造期［3］。故盆地中北部發(fā)育次級地壘和凹陷，南部發(fā)育有太原城區(qū)凹陷、親賢地壘和晉源凹陷。盆地內(nèi)控制性斷裂帶分布較多，主要有東西邊山斷裂帶和汾河斷裂帶。

2.2 太原地區(qū)地?zé)豳Y源

1995年，省地質(zhì)工程勘查院在太原市西邊山神堂溝村地下600余米深處探測到地?zé)崴?，其儲存在奧陶紀(jì)灰?guī)r層中，水溫42.5℃，單井涌水量2 520 m3/d。隨后在沙溝、麗華苑、西華苑、煤炭學(xué)院等地探測出地?zé)崴?，均儲存于奧陶紀(jì)灰?guī)r層中，其埋深為600 m～2 000 m，水溫為35℃ ～50℃，涌水量為600 m3/d～6 000 m3/d。親賢地壘隆起帶地?zé)崴袎狠^大，水頭高出地表10 余米［4］。

太原地區(qū)地?zé)豳Y源的平面分布特征如下:主要分布在奧陶紀(jì)灰?guī)r層埋藏較深的地區(qū);沿東、西邊山及汾河斷裂帶分布;沿親賢地壘隆起帶分布;在汾河以西，熱儲層埋藏較深(1 300 m～2 000 m)，出水溫度較高(40℃ ～60℃);在汾河以東，熱儲層埋深較淺(1 100 m～1 300 m)，出水溫度較低(30℃ ～40℃)。

太原地區(qū)屬于中低溫隱伏型地?zé)岱植紖^(qū)，地?zé)豳Y源比較豐富，其開發(fā)利用前景廣闊。

3 地?zé)豳Y源應(yīng)用技術(shù)分析

3.1 工程概況

太原某住宅小區(qū)、商鋪位于太原市親賢地壘隆起帶，該處地?zé)豳Y源豐富，因此應(yīng)設(shè)置地?zé)峋到y(tǒng)進行采暖。此地?zé)峋玫臒醿訛閵W陶紀(jì)灰?guī)r層，由開采井和回灌井構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，開采井和回灌井基本同層且結(jié)構(gòu)相同，兩者的成井深度均為1 500 m，礦化度為8.53 g/L，水的化學(xué)類型為Cl-Na型，井內(nèi)平均溫度為56.5℃。該地?zé)峋嵯到y(tǒng)的設(shè)計供暖面積為20萬m2。

該地?zé)峋嵯到y(tǒng)采用一采一灌對井開采系統(tǒng)，利用潛水泵將地?zé)崴畯拈_采井中抽取出來，再利用旋流除砂器進行除砂凈化，進入分水管道;一個支流直接供給家屬樓進行采暖，然后經(jīng)過曝氣除鐵后，可用于洗浴，最后通過排水管排走;另一支流在經(jīng)過換熱器后交換出熱水，再利用循環(huán)泵使得熱水進入循環(huán)過程，從而為商鋪、賓館等區(qū)域直接供暖;地?zé)嵛菜衫眠^濾、排氣等裝置進行處理，最后通過加壓泵進行加壓回灌，經(jīng)過回灌井回灌到地下熱儲層中，從而實現(xiàn)了熱循環(huán)［5］，如圖1所示。

圖1 地?zé)峁嵯到y(tǒng)流程圖

3.2 地?zé)峁嵯到y(tǒng)技術(shù)分析

為保證該供熱系統(tǒng)長期高效的工作，可通過回灌試驗來測定該系統(tǒng)的各項工作參數(shù)，從而有針對性的進行調(diào)試。回灌試驗是制定地?zé)豳Y源可持續(xù)開采利用方案的重要環(huán)節(jié)，決定了整個系統(tǒng)的成敗。

回灌試驗具體流程為:在井下的潛水泵管上安裝自動測試儀，用來測試水位;利用變頻控制柜控制抽水井潛水泵，利用工頻控制柜控制回灌井潛水泵，并在抽水井和回灌井連接管上安裝流量計和控制閥［6］。該系統(tǒng)是在一定流量下依次加壓進行回灌試驗，逐級增加回灌量，增加量為2 m3/h，第一次回灌量為20 m3/h，當(dāng)水位到達井口后，關(guān)閉排氣孔和監(jiān)測孔，進行加壓;當(dāng)井口壓力持續(xù)增大時或回灌量持續(xù)減小時，停止回灌，進行回揚，回揚時間為6 h左右，測得各項參數(shù)后，進行下一次的回灌試驗，通過若干次的試驗后即可確定一個比較合理的回灌量、回灌時間、井口壓力和回揚量等參數(shù)。

本文總共進行了6次回灌試驗，具體數(shù)據(jù)如表1所示。在該統(tǒng)計結(jié)果中，第四次回灌可認定為最佳回灌方法，其總回灌量最大，回灌效果明顯。從而可根據(jù)該回灌試驗的結(jié)果對地?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)進行調(diào)試，以全面提高其供熱效率。

4 地?zé)峁嵯到y(tǒng)總體評價

4.1 經(jīng)濟效益分析

地?zé)豳Y源的投資是一個長期的投資，屬于固定資產(chǎn)類的投資，對企業(yè)的長遠發(fā)展和長期盈利能力起著至關(guān)重要的作用。地?zé)豳Y源投資主要特點為耗資量大、回收期長、難于變現(xiàn)、一旦投資后改變決策的成本很高，因此應(yīng)考慮各因素的影響，利用凈現(xiàn)值法對整體經(jīng)濟效益進行分析［7］。

表1 回灌試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

使用凈現(xiàn)值法(NPV)時主要考慮兩個因素:1)要預(yù)測項目未來的現(xiàn)金流量;2)要估計折現(xiàn)率。凈現(xiàn)值的基本計算公式為:

其中，CI，CO分別為第i年的現(xiàn)金流入和流出;Pi為第i年現(xiàn)金凈流值;R為不含風(fēng)險的貼現(xiàn)率。

地?zé)峁┡到y(tǒng)的資金投入主要有初投資和運行費。其中初投資主要有:地?zé)峋?、井口設(shè)備、換熱站、調(diào)峰加熱設(shè)備、供暖管道、終端散熱系統(tǒng)。運行費主要有人員工資、水電費、管理費用、礦產(chǎn)資源補償費、修理費、折舊費和稅金等。

地?zé)峁┡到y(tǒng)的產(chǎn)出主要有取暖費收入、售水收入、清潔發(fā)展機制(CDM)補貼。

本項目的建設(shè)期為3年，運營期為12年，利用凈現(xiàn)值法計算所得結(jié)果如表2所示。

表2 項目現(xiàn)金流量表 萬元

從上述項目現(xiàn)金流量表中，可以對該項目的相關(guān)經(jīng)濟指標(biāo)進行計算和分析。在整個建設(shè)及運營期的15年中，累計凈現(xiàn)金流量為19 221.6萬元，說明不存在虧損的情況。經(jīng)過計算，該項目的靜態(tài)投資回收期為3.4年，且內(nèi)部收益率遠高于行業(yè)基準(zhǔn)收益率，所以該地?zé)峁嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟效益良好。

4.2 環(huán)境效益分析

本項目采用地?zé)豳Y源綜合利用及回灌工程，從而減少利用常規(guī)能源，每年可節(jié)約燃燒煤炭1 000 t，每年減少排放固氣體污染物2 201.3 t，節(jié)約環(huán)境治理費30余萬元。有效的改善了本地區(qū)空氣質(zhì)量，極大的保護了生態(tài)環(huán)境;在進行回灌作業(yè)時，增加地?zé)豳Y源儲量的同時，減少了地?zé)嵛菜欧艑Φ乇?、地下水的影響?/p>

5 結(jié)語

本文在分析地?zé)豳Y源在我國的利用現(xiàn)狀及其優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合太原地區(qū)的地質(zhì)情況及地?zé)豳Y源概況，對太原地區(qū)某地?zé)峁┡到y(tǒng)的綜合利用技術(shù)進行研究，得出以下幾點結(jié)論:

1)地?zé)豳Y源在我國的應(yīng)用發(fā)展前景廣闊，其優(yōu)勢明顯，主要有:環(huán)保、利用效率高、溫度均勻、節(jié)省室內(nèi)面積、健康舒適、運行成本低等。

2)太原盆地屬新生代斷陷盆地，南部發(fā)育有太原城區(qū)凹陷、親賢地壘和晉源凹陷，屬于中低溫隱伏型地?zé)岱植紖^(qū)，地?zé)豳Y源比較豐富，開發(fā)利用前景廣闊。

3)太原某地?zé)峋嵯到y(tǒng)采用一采一灌對井開采系統(tǒng)，由開采井和回灌井構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，開采井和回灌井基本同層且結(jié)構(gòu)相同。經(jīng)過回灌試驗的調(diào)試后，其供熱效果良好。

4)利用凈現(xiàn)值法對該地?zé)嵯到y(tǒng)進行分析，該項目的靜態(tài)投資回收期較短，內(nèi)部收益率遠高于行業(yè)基準(zhǔn)收益率，經(jīng)濟效益良好。

［1］鹿清華，張曉熙，何祚云.國內(nèi)外地?zé)岚l(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

［J］.石油石化節(jié)能與減排，2012，2(1):39-42.

［2］王 天.論地?zé)崮茉丛诠┡矫娴淖饔眉坝绊懀跩］.山西建筑，2012，38(2):148-149.

［3］王聰明.太原盆地地?zé)針?gòu)造研究［J］.能源及環(huán)境，2011(6):16-18.

［4］馬 騰，王焰新，馬 瑞.太原盆地區(qū)碳酸鹽巖中—低溫地?zé)嵯到y(tǒng)演化［J］.地球科學(xué)—中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2012，37(2):229-237.

［5］方連育，杜紅普，齊承英.衡水市第三系地?zé)崴嵯到y(tǒng)梯級綜合應(yīng)用實例與分析［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，41(2):69-73.

［6］朱家玲，朱曉明，雷海燕.地?zé)峄毓嗑g壓差補償對回灌效率影響的分析［J］.太陽能學(xué)報，2012，33(1):56-62.

［7］孔維臻，余瑞祥，陳 寧.基于凈現(xiàn)值法的地?zé)峁┡椖客顿Y分析［J］.中國礦業(yè)，2012，21(9):8-11.