高福特 趙興罡

摘 ?要：隨著環(huán)保壓力加大，京津冀地區(qū)利用清潔能源代替燃煤鍋爐改善環(huán)境的形勢非常迫切。地熱能作為一種可再生能源，資源潛力非常巨大。同時《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出將地熱供暖納入城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，放開并引導地熱能開發(fā)企業(yè)進入城鎮(zhèn)供熱市場。文章在地熱能用于城市燃煤供熱改造方面進行論述，對其應用效果進行了評價。

關(guān)鍵詞：地熱能;清潔能源;節(jié)能環(huán)保;梯級利用;回灌

中圖分類號：TU995 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0163-02

Abstract： With the increasing pressure of environmental protection， it is very urgent to use clean energy to replace coal-fired boilers to improve the environment in Beijing-Tianjin-Hebei region. As a kind of renewable energy， geothermal energy has great resource potential. At the same time， the 13th Five-year Plan for the Development and Utilization of Geothermal Energy proposes to bring geothermal heating into urban infrastructure construction， liberalize and guide geothermal energy development enterprises to enter the urban heating market. This paper discusses the application of geothermal energy in urban coal-fired heating transformation， and evaluates its application effect.

Keywords： geothermal energy; clean energy; energy saving and environmental protection; cascade utilization; geothermal water reinjection

前言

節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟高效運行始終是供熱企業(yè)發(fā)展方向，利用可再生資源能夠為供熱帶來節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等多重效益，越來越受到政府和供熱企業(yè)的重視。唐山市曹妃甸區(qū)建設(shè)定位于打造優(yōu)美生態(tài)環(huán)境，曹妃甸新城現(xiàn)有230萬平米建筑采用燃煤供熱，需要環(huán)保改造，而該地區(qū)地熱資源較為豐富，同時《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出將地熱供暖納入城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，放開并引導地熱能開發(fā)企業(yè)進入城鎮(zhèn)供熱市場，曹妃甸具有推廣地熱清潔供熱的現(xiàn)實需求和資源條件。

1 供熱現(xiàn)狀

唐山曹妃甸新城國泰熱力有限公司作為該地區(qū)唯一集中供熱企業(yè)，現(xiàn)有2臺70MW燃煤熱水鍋爐。2017-2018年度供熱季，供熱建筑面積230萬m2，一次管網(wǎng)設(shè)計溫度90/60℃，一次管網(wǎng)最高運行溫度86/58℃，供暖季日供熱最大供熱量為83.7MW。供熱系統(tǒng)年耗煤量為35700t，耗電量為430.8萬kWh/a，綜合能耗83661×104MJ/a，折標準煤2.85萬t/a。SO2排放19.7t/a，NOx排放33.3t/a，煙塵排放6.7t/a，二氧化碳排放9.36×104t/a。

2 地熱資源評價

2.1 面積參數(shù)

依據(jù)地震解釋成果，高尚堡-柳贊構(gòu)造帶南部構(gòu)造寬緩部位，采水區(qū)北部邊界為高-柳斷層，東部、南部和西部邊界為鉆井可控范圍，采水面積為11.7km2。

2.2 厚度參數(shù)

采水區(qū)館陶組地層為辮狀河沉積，館陶組地層厚度變化不大，主力熱儲館Ⅰ、館Ⅱ、館Ⅲ的砂巖單體儲層厚度大，連通性好，單砂組橫向變化較小。通過對采水區(qū)鉆井館陶組的測井解釋分析，結(jié)合地震、地質(zhì)解釋成果預測無井控區(qū)的砂體連通性好，主河道分布在采水區(qū)的西部，東部熱儲厚度相對較薄，平均熱儲厚度在200m以上。

2.3 溫度參數(shù)

通過相關(guān)測試，折算地溫梯度4.00℃/100m，結(jié)合該地區(qū)地熱鉆井區(qū)地溫梯度特征及熱儲埋深，綜合預測該地區(qū)地熱鉆井館二段頂面熱儲最低溫度為75℃，最高為101.35℃，平均熱儲溫度在86.5℃，井底至井口計算溫度降為3℃，井口綜合平均溫度為83.5℃，地熱井溫度預測見表1。

2.4 儲層物性

館陶組的館Ⅰ、館Ⅱ、館Ⅲ段砂巖儲層是本區(qū)沉積巖中物性最好的儲層，采水區(qū)內(nèi)多口鉆井均反映本區(qū)儲層的孔滲條件優(yōu)越。采水區(qū)西部的孔滲條件優(yōu)于東部，綜合考慮采水區(qū)的構(gòu)造及砂巖厚度特征，確定本區(qū)砂巖孔隙度取值為30%，滲透率一般在300mD以下。

2.5 密度、比熱與彈性釋水系數(shù)

根據(jù)測井解釋成果，該區(qū)館Ⅰ、館Ⅱ、館Ⅲ段的砂巖密度一般在2200kg/m3。巖石比熱：878J/（kg·℃）;熱水密度：971.6kg/m3;彈性釋水系數(shù)通過抽水試驗求得：8.56×10-5。

2.6 地熱資源計算

曹妃甸新城地熱供暖采水區(qū)館Ⅰ至館Ⅲ段可用地熱資源量為0.94×108GJ，可用地熱水量為1.17×108m3，地熱資源能夠滿足曹妃甸新城230×104m2建筑至少30年的供暖需求。

3 采水和回灌試驗結(jié)論

將采水區(qū)兩口廢棄油井改水井作為試驗井，通過采灌試驗得出以下結(jié)論：（1）涌水量100m3/h，井口水溫75℃。（2）熱儲層滲透系數(shù)K=1.27m/d、彈性釋水系數(shù)S=8.56×10-5m、影響半徑R=1274m，儲層物性較好。（3）井水含砂量為二百萬分之1.1（體積比）。（4）本次先導試驗在布井區(qū)的西部地溫梯度低熱儲埋藏淺，實測溫度為75℃。而布井區(qū)地溫梯度相對較高，預測熱儲平均溫度可以達80℃以上。（5）在滲透系數(shù)不衰減的情況下，回灌量為80m3/h時，回灌過程中水位保持在地面下20.6m，整個供暖期不需要回揚;回灌第55天井口壓力達到0.2MPa;回揚周期T=45天。

4 供熱改造技術(shù)措施

4.1 地熱能開發(fā)規(guī)模

地熱能供熱不同于傳統(tǒng)的集中供熱，其熱源來自地熱井，投資高，規(guī)模偏大會給項目收益造成不利影響。為節(jié)約投資且盡可能高效利用地熱資源，采用地熱能（主熱源）+兩級熱泵（調(diào)峰熱源）的方案。根據(jù)前期先導性試驗及地熱井采灌試驗，單井產(chǎn)水量為100m3/h，回灌量80m3/h。根據(jù)鍋爐實際運行參數(shù)，采用12月份熱負荷64.2MW作為地熱水量計算負荷，地熱井供回水溫度80/45℃，計算地熱水量為1577t/h。經(jīng)過計算共需地熱生產(chǎn)井16口，為保證地熱水可持續(xù)開采，地熱水實現(xiàn)100%回灌，確定回灌井數(shù)量為20口，同時為了保證項目穩(wěn)定運行，考慮3口備用井（1口取水，2口回灌），因此共需新鉆地熱井39口。熱田壽命按30年計算，孔隙度30%，其他參數(shù)取砂巖平均值，確定井距如下：井距450m。

4.2 地熱能利用方案

地熱水由潛水泵從生產(chǎn)井抽出，經(jīng)多井集輸，除砂排氣后輸送至國泰熱力公司鍋爐房站內(nèi)，到站內(nèi)地熱水溫度不低于80℃，利用鍋爐房原有循環(huán)設(shè)備（需進行耐溫改造），將地熱水輸送至各換熱站通過換熱器與用戶的二次網(wǎng)換熱，降溫后的地熱水回到站內(nèi)地熱水溫度降為45℃，再經(jīng)過新建的回灌水過濾設(shè)備處理后回灌。最冷月（1月份）時，從換熱站回到站內(nèi)新建的熱泵房的45℃地熱水一部分作為熱泵機組的低溫熱源，經(jīng)過熱泵提取熱量后降溫至38℃進入回灌系統(tǒng)回灌，另一部分作為循環(huán)水由熱泵機組加熱至80℃，加入到地熱水來水一起為曹妃甸新城供暖。供暖主熱源采用地熱水供熱負荷為65MW，采用熱泵作為調(diào)峰熱源供熱負荷為18.7MW，調(diào)峰負荷站總負荷22.3%，從而實現(xiàn)地熱能的梯級利用。

4.3 原燃煤供熱系統(tǒng)改造

采用地熱能供熱改造后燃煤鍋爐完全停運，原鍋爐房內(nèi)循環(huán)設(shè)備、鍋爐房至換熱站一次網(wǎng)管線、換熱站、二次網(wǎng)管線利舊。改造后一次網(wǎng)地熱水的供回水溫度80/45℃，輸送至換熱站溫度與原換熱站設(shè)計溫度（90/60℃），換熱器的對數(shù)溫差降低，為保證供熱效果換熱器需要增加面積，同時換熱器一次側(cè)采用地熱水有輕腐蝕性，原換熱器材質(zhì)為不銹鋼304需要更換成不低于254SMO。

4.4 地熱水集輸技術(shù)

地熱井分布相對集中，而平臺與地熱供熱站距離在2200m～6300m，故采用在平臺匯集后再集中輸送的方式。采用全密閉地熱水集輸工藝，各井口采用密閉井口裝置，地熱水由采出經(jīng)過計量后匯集至平臺集水器，經(jīng)除砂、排氣處理輸送至鍋爐房已有一次網(wǎng)循環(huán)水泵入口。再利用已有的一次熱網(wǎng)輸送至換熱站，換熱利用后的尾水經(jīng)過濾后集中輸送至回灌井回灌至地下原熱儲層。

地熱井采用叢式井建井方案，井口間距5m，39口地熱井集中分布于7座平臺。每口地熱井與平臺分水器和集水器連接，生產(chǎn)井和回灌井均安裝有可以采灌切換的井口裝置，使生產(chǎn)井和回灌井互為備用，便于回灌井定期回揚洗井。

4.5 地熱水回灌措施

為保障采出的地熱水能全部回灌地下，避免地層堵塞，對換熱后地熱水進行過濾處理，采用自清洗過濾器。通過設(shè)置粗過濾器、精過濾器，通過兩級過濾保證回灌水質(zhì)滿足要求。自清洗過濾器進水控制指標懸浮物≤50mg/L，出水控制指標懸浮物≤10mg/L，顆徑中值≤4μm。

（1）粗過濾器：截留水中大顆粒雜質(zhì)，濾速要求≥20m/h。（2）精過濾器：截留粗過濾器出水中大于4？滋m的顆粒，以達到回注水質(zhì)標準。

自清洗過濾器采用連續(xù)過濾方式，無初濾水，反洗時不間斷過濾。反沖洗時，根據(jù)設(shè)定時間自動將被污染的濾料提升至上部搓洗桶，經(jīng)過旋流搓洗、漂洗后回落至過濾器內(nèi)進行過濾，無須反沖洗泵及反洗水源。

4.6 地熱能應用效果評價

本項目解決了地熱水開采、集輸、熱泵系統(tǒng)對地熱尾水熱能的梯級利用、換熱系統(tǒng)、地熱尾水回灌等一系列技術(shù)難題。地熱能供暖采用換熱的方式，整個系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，尾水通過地熱回灌井全部注回地下原熱儲層，不會抽空地下的水層，沒有地層凹陷的風險。年綜合利用地熱資源量78.6×104GJ，年節(jié)能折合標煤2.69×104t，減少SO2排放19.6t、NOx排放33t、煙囪排放6.6t、二氧化碳排放9.28×萬t，近乎完全的消除燃煤供熱存在的“三廢”排放問題。同時因減少燃煤等消耗，供熱企業(yè)年凈利潤達到2400萬，投資回收期僅為8年。2018～2019年采暖季，曹妃甸新城利用地熱采暖成為了唐山地區(qū)首次實現(xiàn)燃煤污染物“零排放”的“無煙城”，得到當?shù)卣途用褚恢碌暮迷u，收到了良好的社會效益和經(jīng)濟效應。

5 地熱能應用于供熱行業(yè)的展望

2019年新成立的唐山冀東熱能開發(fā)有限公司在230萬m2的地熱供熱基礎(chǔ)上，規(guī)劃采用地熱能及熱泵系統(tǒng)為該地區(qū)新增100萬m2建筑供熱;《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》在河北省規(guī)劃1.1億m2水熱型地熱供暖目標，這些現(xiàn)實需求都將支持地熱能在供熱上的利用，而本項目對完成“十三五”規(guī)劃以及推廣地熱能在供熱行業(yè)中的利用有重要示范意義。

參考文獻：

[1]GB50366-2005（2009年版）.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[P].中華人民共和國國家標準，2005.

[2]宮自強，張云鵬，侯艷.地熱能供暖制冷技術(shù)及應用[J].北華航天工業(yè)學院學報，2012，22（2）：1-3.

[3]何滿潮，徐能雄.地熱能開發(fā)利用技術(shù)新進展與發(fā)展趨勢[C].全國油區(qū)城鎮(zhèn)地熱開發(fā)利用經(jīng)驗交流會論文集，2003：85-93.