林云濤

中石油國際投資有限公司伊拉克公司，北京 100034

地?zé)豳Y源是指熱能蘊藏于地殼中的可再生能源，其中，水熱型地?zé)崮苜Y源是利用最廣泛的地?zé)豳Y源類型之一。這些資源分布在地球表面以下的深層地殼中，尤其在火山活動頻繁的地區(qū)，如冰島、新西蘭和美國等地區(qū)，其分布更為豐富。通過深井及超深井鉆探，可以獲取地層深處的地?zé)崴罢羝?，用于發(fā)電、供暖、制冷和農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。與依賴天氣條件的風(fēng)能和太陽能等其他可再生能源相比，水熱地?zé)豳Y源具有穩(wěn)定、可靠、可持續(xù)等優(yōu)勢。此外，使用水熱地?zé)豳Y源還有助于減少化石燃料的使用，降低溫室氣體的排放，從而改善氣候變化和環(huán)境污染等問題。

中國的水熱型地?zé)豳Y源總量為13.7 × 108t 標(biāo)準(zhǔn)煤，約為50.4×1012GJ，其中低溫資源（20～150 ℃）占比98%，分布在西南、華中、華北和東北等地區(qū)[1]，呈現(xiàn)出資源分散且品位普遍較低的特征。黃思浩[2]等人基于多目標(biāo)優(yōu)化方法，構(gòu)建了儲熱式地?zé)峁┡到y(tǒng)模型，以綜合成本、地?zé)崮芾寐逝c碳排放量為優(yōu)化目標(biāo)，對系統(tǒng)設(shè)備選型及運行策略開展了協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。李華山[3]等人以河北省雄縣的霧迷山組碳酸鹽巖熱儲為例，分析了井距、井深、回灌溫度和地?zé)崴髁繉Φ責(zé)崽菁壒┡到y(tǒng)平準(zhǔn)化供熱成本與污染物減排量的影響，使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型分析了系統(tǒng)的成本和效益，并討論了影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素。LAKE A[4]等人研究了不同條件下的地?zé)峁├浜凸┡惑w化系統(tǒng)的實施，討論了不同運行模式下的設(shè)計考慮、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)可行性、性能分析和能源政策的作用。AKBARI M[5]等建立了以地?zé)崴疄闊嵩吹男滦吐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型，針對Kalina循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)對地?zé)崮艿睦眠M(jìn)行了對比，表明同單一發(fā)電系統(tǒng)相比，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)效益及熱效率。

綜合目前中低溫地?zé)峋C合利用經(jīng)濟(jì)性研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，大部分研究均針對于單一地?zé)崂媚Ｊ降慕?jīng)濟(jì)性優(yōu)化縱向研究，多種情景條件下的地?zé)崮芫C合利用模式的橫向分析往往為高溫地?zé)豳Y源分析，對于中低溫地?zé)豳Y源的綜合利用模式分析則相對較少，且往往局限于單一熱儲層條件，缺乏對多情景模式的具體分析。研究分析多情景模式下的中低溫地?zé)豳Y源的綜合利用經(jīng)濟(jì)性，有助于推廣地?zé)崮軕?yīng)用場景，發(fā)展綠色能源市場。

1 單一供熱模式分析

1.1 某熱儲一單一供熱模式

1.1.1 工藝流程

以某產(chǎn)水量120 m3/h、井口溫度88 ℃的熱儲一為例，進(jìn)行流程簡述和系統(tǒng)參數(shù)計算。地?zé)崴紫韧ㄟ^旋流除砂器進(jìn)行除砂，經(jīng)處理后，地?zé)崴M(jìn)入一級換熱系統(tǒng)，通過一級板式換熱器與二次網(wǎng)循環(huán)水換熱，為下游用戶提供45 ℃的供水，二次網(wǎng)回水以35 ℃繼續(xù)進(jìn)入一級板式換熱器與地?zé)崴畵Q熱。

當(dāng)一級板式換熱器所供熱量無法滿足下游用戶需求時，考慮利用熱泵繼續(xù)汲取采出水中的熱量，將采出水由37 ℃進(jìn)一步利用至26.5 ℃，最后通過排氣罐排氣后輸送至回灌井回注地下。流程簡圖見圖1。

圖1 某熱儲一單一供熱流程

1.1.2 工藝計算

地?zé)崴到y(tǒng)供熱負(fù)荷可按下列公式計算。

1）換熱器供熱系統(tǒng)負(fù)荷[6]。

式中：Q1為換熱器供熱系統(tǒng)負(fù)荷，kW；G 為地?zé)崴髁?，t/h；c 為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；t1為地?zé)崴M(jìn)換熱器溫度，℃；t2為地?zé)崴鰮Q熱器溫度，℃。

2）熱泵供熱系統(tǒng)負(fù)荷[6]。

式中：Q2為熱泵供熱系統(tǒng)負(fù)荷，kW；t3為地?zé)崴M(jìn)熱泵供熱系統(tǒng)溫度，℃；t4為地?zé)崴鰺岜霉嵯到y(tǒng)溫度，℃；COP為熱泵制熱性能系數(shù)。

經(jīng)計算，此種模式下，按照熱泵負(fù)荷占比20.5%，地?zé)崴畲罂晒嶝?fù)荷8 600 kW，供熱指標(biāo)按35 W/m2進(jìn)行計算，則可供熱面積24.5 ×104m2，工藝參數(shù)如表1所示。

表1 煤熱儲一單一供熱工藝參數(shù)

1.2 某熱儲二單一供熱模式

1.2.1 工藝流程

以產(chǎn)水量120 m3/h，井口溫度120 ℃的某熱儲二為例，進(jìn)行流程簡述和系統(tǒng)參數(shù)計算。地?zé)崴紫韧ㄟ^旋流除砂器進(jìn)行除砂，經(jīng)處理后地?zé)崴M(jìn)入一級換熱系統(tǒng)，通過一級板式換熱器與二次網(wǎng)循環(huán)水換熱，為下游用戶提供45 ℃的供水，二次網(wǎng)回水以35 ℃繼續(xù)進(jìn)入一級板式換熱器與地?zé)崴畵Q熱。

當(dāng)一級板式換熱器所供熱量無法滿足下游用戶需求時，考慮利用熱泵繼續(xù)汲取采出水中的熱量，將采出水由37 ℃進(jìn)一步利用至20 ℃，最后通過排氣罐排氣后輸送至回灌井回注地下。流程如圖2所示。

圖2 某熱儲二單一供熱流程

1.2.2 工藝計算

按照上述地?zé)崴到y(tǒng)供熱負(fù)荷計算公式，此種模式下，按照熱泵負(fù)荷占比20.4%，地?zé)崴畲罂晒嶝?fù)荷14 300 kW，供熱指標(biāo)按35 W/m2進(jìn)行計算，則可供熱面積40.8 × 104m2，工藝參數(shù)如表2所示。

表2 某熱儲二單一供熱工藝參數(shù)

1.3 主要設(shè)備選型

單一供熱模式下，主要設(shè)備包括：旋流除砂器、水氣分離器、板式換熱器、循環(huán)水泵、補水泵和軟化水裝置等。

1）旋流除砂器。旋流除砂器的除砂粒徑為0.1 mm，其處理能力根據(jù)地?zé)崴髁看_定，某熱儲一單一供熱模式和某熱儲二單一供熱模式下各設(shè)旋流除砂器1 臺，不設(shè)備用。旋流除砂器的總處理能力按設(shè)計地?zé)崴髁康?.1倍計算。

2）水氣分離器。水氣分離器的處理能力根據(jù)地?zé)崴髁看_定，某熱儲一單一供熱模式和某熱儲二單一供熱模式下在地?zé)崴畵Q熱前后各設(shè)置1 臺，不設(shè)備用。水氣分離器的總處理能力按設(shè)計地?zé)崴M(jìn)出站流量的1.1倍計算。

3）板式換熱器。為了提高板式換熱器耐結(jié)垢和耐腐蝕能力，選用寬流道鈦板換熱器，板片材料為TA1。板式換熱器選型計算參數(shù)如表3所示。

表3 板式換熱器選型計算參數(shù)（單一供熱）

4）熱泵機(jī)組。熱泵在大溫差供熱系統(tǒng)中承擔(dān)的熱負(fù)荷按下式計算[7]，熱泵選型計算結(jié)果如表4所示。

表4 熱泵選型計算

式中：Qhp為熱泵承擔(dān)熱負(fù)荷，kW；Q 為總熱負(fù)荷，kW；t1為地?zé)崴?一次網(wǎng)供水溫度，℃；t2軟化水進(jìn)熱泵溫度，℃；t3為軟化水出熱泵溫度，℃；COP為熱泵制熱性能系數(shù)，取5.0。

熱泵機(jī)組選用電驅(qū)螺桿機(jī)，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍25%～100%，COP不低于5.0。

5）二次網(wǎng)循環(huán)水泵。二次網(wǎng)循環(huán)泵流量按下式計算。

式中：G1為循環(huán)水泵總流量，t/h；Q1為供熱站換熱器設(shè)計熱負(fù)荷，kW；c為水的比熱容，kJ/（kg ℃），取4.18；△t1為換熱器進(jìn)出水溫差，℃；ξ為富余系數(shù)，取1.1～1.2。

二次網(wǎng)循環(huán)泵揚程按下式計算。

式中：H 為循環(huán)水泵揚程，m；H1為供熱站內(nèi)部阻力損失，m；H2為二次網(wǎng)最不利環(huán)路阻力損失，m。

按照上述計算方法，本項目二次網(wǎng)循環(huán)泵計算參數(shù)如表5所示。

表5 二次網(wǎng)循環(huán)泵計算參數(shù)（單一供熱）

6）補水泵和軟化水裝置。供熱系統(tǒng)運行中存在循環(huán)水的漏失，需要向系統(tǒng)補軟化水定壓，以保障系統(tǒng)正常供熱需求。

某熱儲一單一供熱和某熱儲二單一供熱模式下，供熱站各設(shè)全自動軟化水裝置1 套，補水泵2臺。補水泵變頻運行，自動控制，防止系統(tǒng)倒空，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

全自動軟化水裝置和補水泵的補水能力按照循環(huán)水量的1%～2%選取。軟化水裝置出水硬度≤0.6 mmol/L。

補水泵的揚程按下式計算。

式中：Hb為系統(tǒng)最高點與補水點高差，m；Ht為泵的吸水管路的阻力，m；Hy為泵的出水管路的阻力，m；h 為補給水箱最低水位高出系統(tǒng)補水點所產(chǎn)生的靜壓，m。

按照上述計算方法，一次網(wǎng)補水泵參數(shù)如表6所示。

表6 補水泵參數(shù)

1.4 收入和成本分析

1.4.1 收入

收入分為兩部分：一是配套費，按照50 元/m2進(jìn)行計算，二是采暖費，按照21 元/m2進(jìn)行計算。某熱儲一、某熱儲二單一供熱的收入如表7所示。

表7 收入明細(xì)

1.4.2 成本

1）地?zé)崴摹５責(zé)崴_采量根據(jù)供熱量確定，供熱量采用溫頻法計算，即按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與室內(nèi)外溫差呈線性關(guān)系，計算出不同溫度下的負(fù)荷并乘以該溫度段出現(xiàn)的小時數(shù)，得出該溫度下的熱耗量，采暖季按2 880h 統(tǒng)計供熱量。水資源稅按照0.2元/t計算。結(jié)果如表8所示。

表8 地?zé)崴_采量計算

2）電耗。單一供熱模式耗電量主要由三部分組成，即地?zé)峋伤碾娏?、輔機(jī)耗電量和熱泵耗電量。電價按照峰谷段用電量各占50%計算，取平均電價為0.56元/度。耗電量計算見表9。

表9 耗電量計算

3）補水消耗。補水消耗按照單位面積月耗水指標(biāo)：0.003 m3/月，每年供熱4 個月，水費3.5 元/t進(jìn)行計算，見表10。

表10 耗水量計算

2 供熱供冷模式分析

2.1 某熱儲一供熱供冷模式

2.1.1 工藝流程

冬季供熱工藝系統(tǒng)同本文1.1.1 節(jié)所述。夏季供冷工藝系統(tǒng)為地?zé)崴紫韧ㄟ^旋流除砂器進(jìn)行除砂，經(jīng)處理后，88 ℃地?zé)崴疄槲帐綗岜脵C(jī)組的發(fā)生器提供高溫驅(qū)動熱水，產(chǎn)生的冷量滿足用戶夏季供冷需求，同時設(shè)置離心式熱泵機(jī)組作為備用冷源，用戶冷水設(shè)計溫度7/12 ℃。某熱儲一供熱供冷流程見圖3。

圖3 某熱儲一供熱供冷流程

2.1.2 工藝計算

地?zé)崴到y(tǒng)供冷負(fù)荷可按下列公式計算。

式中：Qc為制冷量，kW；Qg為吸熱量，kW；COP為吸收式熱泵制冷系數(shù)，℃；Tg為驅(qū)動熱源溫度，℃；Ta為高溫環(huán)境溫度，℃，取34.4；Tc為低溫?zé)嵩矗?；η為循環(huán)效率，取0.8。

經(jīng)計算，在供熱時，按照熱泵負(fù)荷占比20.5%，地?zé)崴畲罂晒嶝?fù)荷8 600 kW，供熱指標(biāo)按35 W/m2進(jìn)行計算，則可供熱面積24.5 ×104m2。

在供冷時，地?zé)崴疁囟葟?8 ℃利用至60 ℃，此時吸收式熱泵的吸熱量為3 910 kW，制冷量為2 238 kW，供冷指標(biāo)按95 W/m2進(jìn)行計算，則可供冷面積2.36 × 104m2，冬季供熱的工藝參數(shù)如表1所示，夏季供冷的工藝參數(shù)如表11所示。

表11 某熱儲一夏季供冷工藝參數(shù)

2.2 某熱儲二供熱供冷模式

2.2.1 工藝流程

冬季供熱工藝系統(tǒng)同本文1.2.1 節(jié)所述。夏季供冷工藝系統(tǒng)為地?zé)崴紫韧ㄟ^旋流除砂器進(jìn)行除砂，經(jīng)處理后，120 ℃地?zé)崴疄槲帐綗岜脵C(jī)組的發(fā)生器提供高溫驅(qū)動熱水，產(chǎn)生的冷量滿足用戶夏季供冷需求，同時設(shè)置離心式熱泵機(jī)組作為備用冷源，用戶冷水設(shè)計溫度7/12 ℃。某熱儲二供熱供冷流程見圖4。

圖4 某熱儲二供熱供冷流程

2.2.2 工藝計算

按照本文1.1.2 節(jié)地?zé)崴到y(tǒng)供熱供冷負(fù)荷計算公式，某熱儲二供熱供冷模式，在冬季供熱時，按照熱泵負(fù)荷占比20.4%，地?zé)崴畲罂晒嶝?fù)荷14 300 kW，供熱指標(biāo)按35 W/m2進(jìn)行計算，則可供熱面積40.8 × 104m2；在供冷時，地?zé)崴畯?20 ℃利用至77.5 ℃，此時吸收式熱泵的吸熱量為6 168 kW，制冷量為4 794 kW，供冷指標(biāo)按95 W/m2進(jìn)行計算，則可供冷面積5.05×104m2，冬季供熱的工藝參數(shù)見表2，夏季供冷的工藝參數(shù)見表12所示。

表12 某熱儲二夏季供冷工藝參數(shù)

2.3 主要設(shè)備選型

供冷供熱模式下，某熱儲一和某熱儲二地?zé)峋崴柙O(shè)備同1.3 節(jié)所述，供冷模式下還需增加溴化鋰吸收式熱泵。

某熱儲一供冷，設(shè)一臺吸收式溴化鋰熱泵機(jī)組，夏季利用88 ℃低溫地?zé)崴鳛轵?qū)動熱源，最大限度地承擔(dān)夏季冷負(fù)荷，設(shè)置制冷量為2 238 kW 的吸收式熱泵機(jī)組，供冷設(shè)計溫度為7/12 ℃。

某熱儲二供冷，設(shè)一臺吸收式溴化鋰熱泵機(jī)組，夏季利用120 ℃中溫地?zé)崴鳛轵?qū)動熱源，最大限度地承擔(dān)夏季冷負(fù)荷，設(shè)置制冷量為4 794 kW的吸收式熱泵機(jī)組，供冷設(shè)計溫度為7/12 ℃。

2.4 收入和成本分析

2.4.1 收入

收入分為兩部分：一是配套費，二是采暖費和供冷費。

供熱模式下第一年配套費按照50 元/m2，采暖費按照21 元/m2進(jìn)行計算；供冷模式下第一年配套費按照50 元/m2，供冷費按照30 元/m2進(jìn)行計算。某熱儲一供冷供熱和某熱儲二供冷供熱的收入如表13所示。

表13 收入明細(xì)

2.4.2 成本

1）地?zé)崴?。采暖季和供冷季均? 880 h統(tǒng)計，水資源稅按照0.2 元/t 計算。地?zé)崴娜绫?4所示。

表14 地?zé)崴_采量計算

2）電耗。供熱供冷模式耗電量主要由三部分組成，即地?zé)峋伤碾娏?、輔機(jī)耗電量和熱泵耗電量。電價按照峰谷段用電量各占50%計算，取平均電價為0.56 元/度，則耗電量計算結(jié)果見表15。

表15 耗電量計算

3）補水消耗。補水消耗按照單位面積月耗水指標(biāo)0.003 m3/月、每年供熱供冷合計8 個月、水費3.5 元/t 進(jìn)行計算，數(shù)據(jù)為本研究統(tǒng)計的中低溫地?zé)崂庙椖康木C合平均值，見表16。

表16 耗水量計算

3 經(jīng)濟(jì)對比

3.1 投資對比

分別以開發(fā)利用某熱儲一地?zé)峋? 采1 灌，某熱儲二地?zé)峋? 采1 灌為例，對不同利用模式下的投資進(jìn)行了估算，見表17。

表17 不同利用模式下投資對比

3.2 收益對比

按照本文1.4節(jié)、2.4節(jié)確定的不同利用模式下的收入和成本情況，分別以開發(fā)利用某熱儲一地?zé)峋? 采1 灌、某熱儲二地?zé)峋? 采1 灌為例，按假設(shè)入住率85%，對不同利用模式下的收益情況進(jìn)行了測算，結(jié)果如表18所示。

表18 不同利用模式下財務(wù)內(nèi)部收益率對比

4 結(jié)論

針對熱儲一地?zé)豳Y源與某熱儲二地?zé)豳Y源兩種不同的中低溫地?zé)豳Y源情況，結(jié)合單一供熱與供熱供冷兩種應(yīng)用模式，參考實際工程數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，分別計算了不同情景下的投資成本以及財務(wù)內(nèi)部收益率，得出如下結(jié)論。

1）中低溫地?zé)豳Y源的綜合利用應(yīng)結(jié)合市場需求以及資源情況，采用合適的地?zé)峋C合利用模式，可以充分提高中低溫地?zé)豳Y源利用效率，提升經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

2）在單一供熱與供熱供冷兩種模式中，供熱供冷模式經(jīng)濟(jì)性最佳，且對于某熱儲二地?zé)豳Y源（120 ℃）而言，在1 采1 灌的地?zé)峋浔认?，稅后財?wù)內(nèi)部收益率可達(dá)14.13%。實際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合下游市場進(jìn)行判定，當(dāng)具備開展供熱供冷條件時，宜優(yōu)先采用供熱供冷模式。