郝慶

(渤海石油水電服務公司天津塘沽300452)

0 引言

2011年底東沽石油新村順利完成了“地熱直供+熱泵調(diào)峰”的供暖模式改造工作，汲取前兩個片區(qū)新模式運行的經(jīng)驗和不足，同時也是為了結(jié)束沿用幾十年的“憑經(jīng)驗看天燒火”的供暖調(diào)節(jié)方式，更是為了合理利用與保護地熱資源，在東沽供熱系統(tǒng)投運前我制定了一套詳細的地熱直供和熱泵調(diào)峰運行方案，整個供暖期采用分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，在供暖的初末期居民用戶采用地熱直供，居民用戶回水作為工業(yè)用戶的供水，工業(yè)用戶回水部分回灌；在供暖中期，部分居民用戶采用地熱直供，其回水作為工業(yè)用戶供水，工業(yè)用戶回水作為熱泵余熱水，再次提取熱量，地熱利用到21℃后部分回灌。我指導操作人員在供暖運行中嚴格按照方案進行操作，通過大家的共同努力，2011-2012采暖期運行下來，地熱資源綜合利用率提高了，地熱回灌率也有了明顯的提高，地熱資源受到了有效保護，不可再生能源消耗量顯著降低了，為推廣和普及地熱資源梯級利用與回灌技術起到了良好的示范作用。

1 東沽石油新村供暖系統(tǒng)簡介

1.1 東沽石油新村供暖系統(tǒng)基本情況

渤海石油東沽石油新村現(xiàn)有供暖面積約68萬平米，冬季室外供暖計算溫度為-9℃，小區(qū)實際供暖平均熱指標為57w/m2，室內(nèi)供暖溫度20℃，供暖天數(shù)為150天，供暖小時數(shù)為3600小時，年采暖供熱量為32.94萬GJ。供暖系統(tǒng)分為居民系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)，居民系統(tǒng)設計供回水溫度為75/60℃，工業(yè)系統(tǒng)設計供回水溫度為60/50℃。東沽熱負結(jié)構(gòu)見圖1，東沽供熱系統(tǒng)設備情況見表1。

2 改造前地熱利用情況

圖1 東沽熱負荷結(jié)構(gòu)圖

改造前東沽石油新村內(nèi)主要供熱熱源為燃油鍋爐，其中20t/h蒸汽鍋爐2臺，14MW熱水鍋爐2臺。地熱井4眼，其中高溫井3眼（東七井、東八井、東九井），總出水量290t/h（其中20t/h用來供居民的用熱水），用來供暖的熱水量270t/h，水溫為70℃；低溫井1眼（東六井），出水量40t/h，水溫為49℃。

表1 東沽供熱系統(tǒng)設備情況表

3 改造后供暖方案的制定

3.1 方案制定的原則

《東沽石油新村地熱結(jié)合熱泵技術應用改造項目》實施后，東沽供熱中心安裝4臺10.5MW熱泵，同時新打4眼地熱井，現(xiàn)共有8眼地熱井，其中要有2眼回灌井，5眼高溫開采井，1眼低溫開采井。

結(jié)合東沽的實際情況，選擇東八井和新四井作為回灌井，東七井、東九井、新一井、新二井、新三井作為開采井，互相聯(lián)通，熱水可以互相調(diào)用，總出水量581t/h，水溫70℃；低溫開采井（東六井）改造后出水量為51t/h，水溫49℃。

整個供暖期采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，供暖初末期，利用高溫地熱水給居民用戶供暖，其回水作為工業(yè)供水，工業(yè)回水部分回灌，部分排掉；供暖中期地熱水首先進入居民系統(tǒng)混合作為供水，居民回水作為工業(yè)供水，工業(yè)回水進入熱泵再次提取熱量后，部分回灌，部分排掉。供暖初末期地熱利用流程見圖2，供暖中期地熱利用流程見圖3。

圖2 供暖初末期地熱利用流程

圖3 供暖中期地熱利用流程

3.2 地熱直供方案的制定

為了充分合理利用地熱資源，根據(jù)工業(yè)用戶和居民用戶室溫不同、高負荷時段不同特點，制定地熱直供方案，供暖初末期，高溫地熱水給居民用戶供暖，其回水作為工業(yè)用戶供水，工業(yè)用戶回水部分回灌。依據(jù)理論公式制定出直供供暖運行調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.2.1 供暖調(diào)節(jié)的理論基礎

①供暖調(diào)節(jié)的基本公式為：

②供暖系統(tǒng)流量的公式為：

③地熱水供熱量的公式：

3.2.2 地熱直供調(diào)節(jié)方案

依據(jù)多年運行經(jīng)驗，在供暖初末期，居民回水溫度設為39℃，居民回水作為工業(yè)供水。當回水溫度39℃時，依據(jù)公式3計算東六井的供熱能力：

Q=4.18×51×10/3600=0.7MW

其余各井的供熱能力計算結(jié)果見表2。

表2 不同回水溫度地熱井供熱能力

1）東九井位于三區(qū)供熱站附近，作為三區(qū)供熱站的主熱源。三區(qū)供熱站初期供暖用戶為三區(qū)低層、三區(qū)高層和五區(qū)用戶，總面積為18.5萬，設計熱負荷10.5MW，室內(nèi)溫度20℃，室外設計溫度-9℃，帶入公式1：求得當室外溫度為7℃時，東九井已經(jīng)發(fā)揮最大供熱能力，此時應調(diào)整供熱方案。接下來計算各系統(tǒng)的運行參數(shù)。

①將高層設計熱負荷，供回水溫差帶入公式2：得出高層設計流量為203t/h，

在室外溫度高于7℃時，啟動一臺循環(huán)泵，流量為200 t/h，代入公式1：得出tg=44.8℃，高層供水溫度44.8℃，供回水溫差6.8℃。

②在室外溫度高于7℃時，低層用戶啟動兩臺循環(huán)泵，實際流量為400 t/h。運行參數(shù)見表3。

表3 當室外溫度高于7℃時各系統(tǒng)的運行參數(shù)表

③供暖初期，新一、東六、東七作為供熱中心熱源，供熱能力為9 MW，在室外溫度等于7℃時，居民熱負荷為8 MW，多余1 MW給工業(yè)用戶，即2 7t/h的高溫水作為工業(yè)供水。

當室外溫度高于7℃時各系統(tǒng)的運行參數(shù)見表3。

2）當室外溫度低于7℃時，依據(jù)多年運行經(jīng)驗將居民回水溫度設為43℃，則各井供熱能力見表2。

此時將五區(qū)用戶調(diào)整到供熱中心居民系統(tǒng)，東九井作為三區(qū)用戶熱源，可得出當室外溫度低于4.1℃時，需要調(diào)整供熱方案。新一、東六、東七、新二作為供熱中心居民系統(tǒng)的熱源，可得出當室外溫度低于5.1℃時，需要調(diào)整供熱方案。居民用戶回水作為工業(yè)用戶供水。當室外溫度高于5.1℃低于7℃時，各用戶運行參數(shù)見表4。

表4 當室外溫度高于5.1℃低于7℃時各系統(tǒng)的運行參數(shù)

3）當室外溫度低于5.1℃時，加入新三井到供熱中心居民系統(tǒng)，此時居民系統(tǒng)回水溫度仍設為43℃。新一、東六、東七、新二、新三供熱能力為14.7MW，將新三井的水量一半調(diào)入三區(qū)供熱站，得出當室外溫度為2.5℃時，需要調(diào)整供熱方案。當室外溫度高于2.5℃低于5.1℃時各用戶運行參數(shù)見表5。

表5 當室外溫度高于2.5℃低于5.1℃時各系統(tǒng)的運行參數(shù)

4）當室外溫度低于2.5℃時，依據(jù)多年運行經(jīng)驗將回水溫度設為49℃，則各地熱井的供熱能力見表2。此時將東九井和新三井作為三區(qū)用戶的熱源。可以得出當室外溫度低于-3.8℃時，需要調(diào)整供熱方案。

在室外溫度高于-3.8℃時，東七井、新一井、新二井，可作為供熱中心居民用戶的熱源，此時地熱基本負荷8.2 MW，其余負荷需由熱泵提供。居民回水作為工業(yè)供水，工業(yè)回水作為熱泵余熱水，進入熱泵系統(tǒng)再次提取熱量后，部分回灌，部分排掉。當室外溫度高于-3.8℃低于2.5℃時，各用戶運行參數(shù)見表6

表6 當室外溫度高于-3.8℃時各系統(tǒng)的運行參數(shù)表

3.3 熱泵調(diào)峰方案的制定

3.3.1 熱泵調(diào)峰方案的制定原則

通過對濱海和港區(qū)熱泵運行的數(shù)據(jù)分析得知，當熱泵滿負荷運行時，熱泵系數(shù)低于半負荷運行，即熱泵滿負荷運行時每MW熱量的耗氣量高于半負荷運行時MW熱量的耗氣量。建議同樣10MW的熱負荷，采用兩臺熱泵，半負荷運行。

熱泵調(diào)峰運行方案原則：①當熱泵熱水回水溫度一定時，同樣供熱量，采用熱泵熱水高流量、低出口溫度，②熱泵熱水和余熱水均采用額定流量③同樣熱負荷，采用兩臺熱泵半負荷運行更經(jīng)濟。④熱泵系數(shù)COP取供暖期平均值1.7,天燃氣熱值取8400kcal/Nm3

3.3.2 熱泵調(diào)峰調(diào)節(jié)分析與指導

1）在室外溫度低于2.5℃高于-3.8℃時，居民系統(tǒng)9.2 MW負荷由兩臺熱泵提供，則有供熱量相等的等式：可得熱泵出水溫度t=60℃.

2）當室外溫度低于-3.8℃時，設定居民系統(tǒng)回水溫度為53℃，地熱供熱能力見表2。

當室外溫度低于-3.8℃時，用東九井、新二井和新三井作為三區(qū)供暖熱源，得出當室外溫度低于-9℃時，需要調(diào)整供熱方案。

東七井、新一井與三區(qū)回水一起作為供熱中心工業(yè)用戶的基本負荷，回水設為49℃，工業(yè)回水與東六井一起作為熱泵余熱水，供熱中心居民用戶則全部采用熱泵加熱，閉環(huán)運行，不再排水。當室外溫度高于-9℃低于-3.8℃時，各用戶運行參數(shù)見表7。

表7 當室外溫度低于-3.8高于-9℃時各系統(tǒng)的運行參數(shù)

當室外溫度高于-9℃低于-3.8℃時，供熱中心居民用戶負荷21.2MW全部由熱泵負擔，啟動4臺熱泵。

工業(yè)用戶10.3MW負荷，新一，東七供負擔5.4MW，三區(qū)居民回水(361 t/h,利用溫差4℃）負擔1.7 MW，仍有3.2 MW地熱水流量為調(diào)峰熱負荷需要由熱泵提供。從熱泵系統(tǒng)調(diào)整50 t/h的高溫水給工業(yè)系統(tǒng)，工業(yè)系統(tǒng)有5050 t/h的低溫回水回到高溫系統(tǒng)。熱泵熱水流量為1444t/h，則有等式得出：t=67.7℃，因此設定熱泵出水溫度為68℃。

3）當室外溫度低于-9時，居民系統(tǒng)運行的供回水溫度為70/55℃，工業(yè)系統(tǒng)運行的供回水溫度60/50℃，此時熱泵熱水出口溫度為75℃。

4 回灌試驗

為了有效減緩地下水位下降的速率，緩解地熱資源供需矛盾，我公司開始采取同層地熱回灌的方式保護地熱資源。在方案之初，東沽新村擬用新打的地熱井（新二井和新四井）作為回灌井，經(jīng)過討論決定用已有老井與新井進行回灌試驗，進行開采量和回灌量的比較。

2011年11月開始至2012年3月分別對東沽石油新村成井結(jié)構(gòu)為射孔井的新四井和成井結(jié)構(gòu)為篩管井老井（東八井）進行自然回灌（常壓）的試驗，觀測數(shù)據(jù)見表8。

表8 新井、老井回灌數(shù)據(jù)對比

上述試驗數(shù)據(jù)表明：老井回灌方案切實可行，而且回灌量遠遠大于開采量，綜合考慮這兩口井的實際回灌能力約為200 m3/h，這是天津市首例采用篩管井回灌成功的案例。目前這兩口地熱井已正式投入回灌運行。

5 方案實施

在整個供暖期，嚴格按照方案進行運行調(diào)節(jié)，每個運行班組都認真記錄運行數(shù)據(jù)，摸索經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)方案不妥的地方我及時進行修改。

6 方案綜合評價

6.1 提高地熱利用率

通過理論計算得出，由于地熱合理梯級利用方案的實施，地熱負擔了63%的熱負荷，只有37%的調(diào)峰負荷由燃氣負擔。

改造前地熱利用率30%，改造后地熱利用率提高到70%，同時有32%的地熱水進行了回灌，較好的保護了地熱資源。

6.2 經(jīng)濟效益

根據(jù)公司賬目數(shù)據(jù)改造前采暖期總費用：3894萬元/a；改造后2011-2012采暖期總費用：1802萬元。改造后2011-2012采暖期比改造前節(jié)省費用2092萬元。

6.3 環(huán)境效益

由于地熱的合理利用和天然氣的使用，2011-2012采暖期可減少CO2排放17627t、減少鍋爐煙氣中SO2排放34t、NOX排放32t、煙塵排放53t，地熱由改造前的50℃排放，變成現(xiàn)在的21℃以下達標排放，減少熱污染。

6.4 社會效益

通過減少污染物排放，可有效改善東沽石油新村居民的居住環(huán)境，還小區(qū)一片藍天，為開創(chuàng)和諧社會、和諧小區(qū)打下堅實基礎。通過該項目的實施，我公司地熱資源梯級利用和回灌技術已經(jīng)處于國內(nèi)領先水平，已成為推廣和普及地熱資源梯級利用示范工程基地，為推廣和普及地熱資源梯級利用與回灌技術起到了良好的示范作用。

7 結(jié)論

在東沽石油新村“地熱直供熱泵調(diào)峰”的供暖系統(tǒng)運行中，合理地熱直供方案、熱泵調(diào)峰方案以及地熱回灌方案的制定與實施，結(jié)束了我公司沿用幾十年的“憑經(jīng)驗看天燒火”的供暖運行調(diào)節(jié)方式，同時實現(xiàn)了地熱資源梯級利用，最大限度的利用地熱可再生資源，減少天然氣等不可再生資源的用量，實現(xiàn)企業(yè)降低供暖運行成本和節(jié)能減排的目的，有效保護了地熱資源，減緩地下水位下降的速率，延長地熱田的使用年限，以達到集約、循環(huán)可持續(xù)利用地熱資源的目的，緩解地熱資源供需矛盾。

[1]沈維道等編著.工程熱力學（第三版），北京，高等教育出版社，2004.

[2]XRIQII-45/21-1050(50/75)直燃型第一類溴化鋰吸收式熱泵機組安全安裝與使用說明書