利用中深層地熱實施城鎮(zhèn)集中供熱系統探討

枚 軍 史旭東 張亮亮

(太原智博熱電工程設計有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

地熱是來自地球內部的一種能量資源，屬于可再生能源，以其清潔環(huán)保節(jié)能等特點得到了廣泛應用。近年來，我國地熱資源開發(fā)利用量以每年30%速度增長，其中利用地熱實現城鎮(zhèn)居民供暖方面也發(fā)展迅速，2010年已實現供暖總面積約為1.0億m2，2012年約為1.21億m2。盡管如此，地熱資源的利用率仍不高，且在整個能源結構中的比例只占不足1%，其發(fā)展前景廣闊[1]。山西省擬定了“十三五”地熱能發(fā)展規(guī)劃，將太原、忻州、臨汾等納入地熱能發(fā)展重點城市，擬利用地熱能作為城鎮(zhèn)冬季清潔取暖的一個重要能源形式。本文結合工程實例，探討分析利用中深層地熱實現城鎮(zhèn)集中供熱的系統形式及其經濟性和節(jié)能減排效益。

2 供熱系統

2.1 地熱熱源

2.1.1地熱資源

項目位于太原南部區(qū)域，地處太原盆地中部，區(qū)域內地熱資源儲量豐富[2]。根據山西省地熱能(中深層)開發(fā)利用規(guī)劃，開發(fā)地熱資源屬小店西溫莊地熱田，初步探明地熱資源量399 918.79×1010kJ(折合標準煤13 649.11萬tce)。項目實施城鎮(zhèn)集中供熱面積86.0萬m2，年供熱量折合標煤1.269萬tce，利用地熱資源量可靠。該地熱田面積為48.6 km2，地熱田為中低溫地熱田，地熱田為層狀熱儲特征，熱儲層埋藏深度1 000 m～3 000 m，利用地熱開采深度2 200 m～2 600 m，單口井平均出水流量100 m3/h，平均出水溫度65 ℃，屬于宜開采和開采經濟的沉降盆地碳酸鹽巖類淺埋藏地熱田，熱儲層為中奧陶統馬家溝組碳酸鹽巖。

2.1.2地熱井布局及開采技術

項目共設置地熱井6對(一對井配置開采井和回灌井各一口)。為防止局部區(qū)域超過運行開采強度，導致開采降落漏斗規(guī)模逐年增大[3,4]，控制相鄰地熱開采井的井口距離不小于1 000 m；為避免熱水流短路，回灌井與開采井距離不小于500 m。

地熱井造井利用中國石化集團新星石油有限責任公司的地熱勘察開采技術，將油氣開發(fā)的先進理念應用于地熱資源開發(fā)；地熱井造井根據現場條件采用定向井和直井兩種方式(見圖1)。

2.1.3地熱水利用及保護

為保證地熱田的持續(xù)開采，地熱開采水采用間接換熱、梯級利用、全部同層回灌等技術，實現“取熱不取水”。地熱井同水層回灌按“一采一灌”的方式配置，即1口地熱開采井配1口回灌井。熱源井采取灌、采兩用，使每口井既能用作地熱開采井，又可作為回灌井使用，延長水井的使用壽命。

2.2 集中供熱系統形式

2.2.1地熱源聯網集中供熱系統

為提高地熱源集中供熱的安全性，多個地熱井之間采用集中聯網兩級間接供熱系統；地熱井開采熱水通過一次側板換換熱后，聯網統一由一級管網輸配至用戶二級換熱站；二級換熱站根據地暖/散熱器用戶不同配置二級換熱設備[5]，再由二級管網送至末端用戶。地熱水的開采/回灌設計溫度為65 ℃/14 ℃，實現熱量梯級提取利用；地熱源與采暖用戶之間采用兩級換熱，一級管網設計溫度62 ℃/10 ℃，二級管網地暖用戶設計溫度40 ℃/30 ℃、散熱器用戶設計溫度70 ℃/50 ℃。計算單口地熱井的供熱能力為：1.163×(65-14)×100=5 931.3 kW。聯網一級管網系統運行壓力在0.8 MPa以下。

項目供暖用戶以地暖為主，散熱器用戶僅占12%，圖2系統中一級管網送往地暖用戶的供水溫度略低于62 ℃。供地暖用戶的二級換熱站可以直接采用地熱水換熱，無需補熱措施；站內設置高溫/低溫板換和電動壓縮式熱泵對地熱水進行梯級降溫，拉大地熱開采/回灌尾水之間的溫差，實現地熱水熱量最大限度的利用，降低地熱水小時開采量。

供散熱器用戶的二級換熱站采用地熱水作為基本負荷，尖峰負荷利用燃氣/生物質鍋爐或其他熱源作為高溫補熱，滿足散熱器用戶供水溫度要求。

2.2.2地熱源獨立供熱系統

對于熱用戶系統獨立或離集中輸配一級管網較遠的區(qū)域，采用地熱源獨立供熱系統。地熱井開采水經過兩級板換梯級降溫，尾水回灌；用戶側循環(huán)水經電動壓縮熱泵和板換加熱后，直供用戶；對于散熱器用戶還需增加燃氣/生物質鍋爐或其他熱源作為高溫補熱措施(見圖3，圖4)。

2.3 集中供熱系統運行方式

集中供熱系統采用以地熱源作為主要負荷、其他補充熱源作為尖峰負荷的運行策略[6]。地暖用戶系統以地熱源供熱為主。散熱器用戶系統在采暖室外溫度大于-2 ℃時，利用地熱作為基本負荷可滿足供熱需求，且尚有富余；在采暖室外溫度小于-2 ℃時，地熱源基本負荷需100%投運，不足部分由燃氣/生物質鍋爐進行補充(見圖5)。

采用地熱源作為基本負荷，盡量減小補充熱源的運行時間和供熱量，降低高品位能源的消耗。

3 供熱系統效益分析

3.1 經濟性分析

3.1.1工程造價

項目造價包括地熱井造井、地面站房、供熱管網、二級換熱站內設備(設施)和工程建設其他費用(包括立項、評估、勘察設計、預備費、流動資金、建設期貸款利息等)，具體見表1。

表1 項目造價匯總表

3.1.2運行費用

運行費用主要包括電費、燃氣費(燃氣鍋爐補熱)、水費、人工費、其他費用等。供暖期按150 d計，系統每天運行24 h。電費和燃氣費為供熱能源消耗，水費為一級、二級管網補水消耗；人工費按新增24人計，工資取3.6萬元/(人·年)；其他費用包括排污費、管理費、稅金等，取總造價的2.5%[7](未考慮設備折舊費)。項目供暖后的運行費用見表2。

表2 項目供暖后的運行費用

3.1.3供暖期收益

項目自2015年采暖季啟用，現已實施供熱面積約150萬 m2，通過三個采暖季運行，供熱效果良好。項目區(qū)域屬于太原高新科技園區(qū)，用戶以公共建筑為主，供暖收費標準按37.5元/(m2·年)(7.5元/(m2·月))計，則每年供暖期收益為3 225.0萬元/年。

3.1.4靜態(tài)投資回收期

項目屬于清潔能源集中供熱項目，計入政府及相關部門貼費和供熱初裝費，配套費達80元/m2。計入配套費，項目稅后靜態(tài)投資回收期5.33年，稅后財務內部收益率為16.81%，經濟效益良好。

3.2 節(jié)能減排效益

本項目與采用大型燃煤鍋爐房集中供熱相比，節(jié)能減排效益見表3。

表3 項目節(jié)能減排效益表

4 結語

1)太原南部區(qū)域地熱資源豐富，項目所處熱田屬于宜開采和開采經濟地熱田，地熱井出水量穩(wěn)定、出水溫度較高，利用該區(qū)域中深層地熱實施城鎮(zhèn)集中供熱條件適宜。對地熱開采應遵循地熱井布局合理、開采井與回灌井同層回灌、地熱水熱量梯級利用、“取熱不取水”等原則，實現地熱的可持續(xù)開發(fā)利用。

2)地熱水供熱系統宜采用多個地熱井集中聯網、一級管網統一輸配、兩級間接換熱的方式；供熱運行中，以地熱源作為基本負荷，調峰負荷采用燃氣鍋爐和其他熱源形式。

3)項目在計入配套費情況下，靜態(tài)投資回收期5.33年，經濟效益良好；同時，項目的節(jié)能減排效益顯著。