某鐵路車站地熱井供熱問題的解決方法

李曉東

朔黃鐵路發展有限責任公司肅寧分公司

0 引言

朔黃鐵路肅寧北站位于河北省肅寧縣城，地處華北平原中部，我國松遼、華北、蘇北和汾渭盆地等眾多城鎮地區有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源，低溫地熱是低焓熱能，用于采暖是用得其所[1]，使用地熱采暖環保無污染。朔黃鐵路公司積極響應國家節能減排的號召，籌劃并組織實施了肅寧北地區地熱井供熱系統工程，但投入使用幾年來暴露出以下三個問題：

1）地熱井水位不斷下降，地熱水抽取難度逐年加大，資源利用逐漸變得難以持續；

2）四眼地熱井各自組成三套獨立的采暖系統，單眼井供暖可靠性差；

3）地熱井尾水采用40℃排放，低焓熱能未能充分利用。

1 地熱井供熱系統的基本情況

1.1 地熱井地質概況

肅寧北站地熱井共四眼，位置分別位于為機輛分公司院內（編號：1#）、路暢達汽修廠（編號：2#）、物業生活區人工湖（編號：3#）、站修所院內（編號：4#），委托天津甘泉地熱勘察設計院進行設計，河北省地礦局水文地質第四工程隊負責施工，2006年11月投入使用。地熱井概況詳見表1。

表1 地熱井概況

水質化驗結果：經檢驗，所測項目中氟、偏硅酸和溫度的含量分別為2.5mg/L、74.5mg/L、87℃，已達到《天然礦泉水地質勘探規范》（GB13727-92）規定的命名條件（氟≥2.0mg/L、偏硅酸≥50.0mg/L、溫度≥34℃），可命名為氟、偏硅酸型溫泉水。

所接露地層概況：①第四系平原組：底界深度303～410m，為黃灰色、灰黃色粘土夾白色砂層；②上第三系明化鎮組上段：底界埋深934～1225m，為灰黃色、淺棕色泥巖與灰白色粗砂巖互層，泥巖質純，性軟，吸水膨脹，造漿性強，砂巖顆粒較粗，成巖性差，膠結物少，呈散沙狀；③上第三系明化鎮組下段：底界深度1724～1965m，為棕紅色、暗棕紅色、紫棕色泥巖與淺灰色粗砂巖、含礫砂巖呈不等厚互層，泥巖略比砂巖比例大，泥巖質純，性軟，砂巖分選較差，泥質膠結，疏松，巖屑呈散砂狀；④上第三系館陶組：底界埋深2200～2350m，為紫紅色泥巖夾淺灰色、灰白色粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖，底部為雜色礫巖，泥巖質不純，性軟，成巖性差，礫巖、含礫砂巖、沙礫巖，粒度自上而下逐漸變粗，分選性較差，泥質膠結，疏松，礫巖成分以石英、燧石為主，礫巖堅硬，顏色會雜，分選差，泥質膠結，疏松。

1.2 供熱系統概況

四眼地熱井分別組成三套采暖系統，其中2#和3#地熱井組成一套系統，負擔肅寧北站生活區、公司行政辦公區域范圍內的房屋建筑物采暖，采暖面積約13萬m2；1#地熱井單獨組成一套系統，負擔機輛分公司大院范圍內的房屋建筑物采暖，采暖面積約4.5萬m2；4#地熱井單獨組成一套系統，負擔站修所、貨車分公司以及供電工隊大院范圍內房屋建筑物采暖，采暖面積約3.3萬m2。地熱供熱站主要設備有耐熱潛水泵、除砂器、板式換熱器、曝氣塔、除鐵器、保溫水箱、定壓罐、加壓泵、反沖泵、采暖循環泵、補水泵、水源熱泵機組以及各類管道等。系統散熱設備主要有鋼串片散熱器、銅鋁復合散熱器、鑄鐵散熱器、風機盤管等，新建房屋多采用地板輻射采暖。

1.3 供熱系統工藝流程

三套供熱系統均承擔本轄區內采暖和洗浴兩項功能，現以2#和3#地熱井組成的系統為例說明工藝流程。

1）采暖部分。耐熱潛水泵從2000多米地下抽取80℃地熱水，經過除砂器進入板式換熱器，在除砂器中地熱水中的砂質雜物沉積過濾掉，地熱水在板式換熱器中與采暖系統循環水充分熱交換，采暖系統循環水被采暖循環泵輸送到各取暖用戶使用，部分尾水通過熱泵機組（預留），水溫提升后供新建房屋采暖[2]；

2）洗浴部分。從板式換熱器中流出的經過充分熱交換的尾水或者地熱井直接抽取熱水經過除砂器后，進入曝氣塔和除鐵器，在曝氣塔中將地熱水中的二價鐵離子氧化成不溶于水的三價鐵離子，三價鐵離子呈膠體狀懸浮于地熱水中，再經過除鐵器過濾，徹底清除地熱水中鐵離子，滿足生活熱水洗浴的需要。其中，每隔72h采用反沖泵反洗除鐵罐，去除沉淀下的鐵，處理后的地熱水進入保溫水箱暫時儲存，再通過熱水供水泵送到高層公寓使用。詳見工藝流程圖（圖1）。

圖1 地熱供熱工藝流程圖

2 問題分析

2.1 地熱水過度開采

由于受到利益的驅動，近幾年地熱井開鑿急劇增多，肅寧縣城區范圍內（不足8平方公里）有地熱井30多眼，僅肅寧北站狹長區域內就有地熱井7眼之多，無序的開采以及過度使用，對已開發地區資源可再生和環境造成近期難以恢復的惡果，地熱井水位不斷下降，會造成地熱井熱水枯竭，地下和地面工程報廢的情況發生。表2是自2011年11月到2012年4月供熱期間地熱井動水位變化情況記錄，測量動水位時井泵電壓380V、頻率設定在40Hz（正常工作頻率）。

表2 地熱井水位測量記錄

由表2數據分析可知水位下降十分明顯，采暖期內水位變化幅度大，水位先降后緩慢回升，說明地熱井自身具有恢復能力，長期來看水位是持續不斷下降，地熱井成井時均自噴，目前水位已降到井口以下180多米。人們甚至懷疑地熱是否屬于可再生能源？專家們對此爭論不休，大部分專家認為地熱能仍然可看成為可再生能源。地熱的可再生是基于地球內部有巨大的熱量，但在人類活動地區可被利用的僅是很小的一部分。世界各地許多天然溫泉數世紀以來沒有衰減，說明了它的可再生性。這種狀況顯然是地表排放與地下深處熱補充之間有平衡關系存在。只要利用的地熱量不超過天然可補充的，就能完全看成是可再生的。

從地熱井的熱儲層開采流體和熱量，造成熱儲層的流量和熱量逐漸減少，開采停止后受天然作用驅動，開始壓力、溫度梯度的再生，壓力恢復最快，隨后是溫度重新上升，恢復能力隨著時間延長而減小，理論上需要無限長時間才能全部恢復，再生顯示為漸近線特性，再生力初始很強而后放慢。然而實際上補充再生恢復到95%所需時間較短。地熱資源不需像礦物燃料如煤、油、天燃氣所需的地質年代才能生成，因此地熱再生從總體所需時間看可以被認為是可再生的[3]。

可再生與可持續發展有關系但不是相同的概念，可再生是說明資源的一個性質，而可持續是說明資源利用方式。可持續發展必須有可再生作為基礎，可持續開采僅只能在可再生能源中獲得，沒有再生能力是不可能持續發展的。譬如海洋漁業開發，海洋的漁業資源是有再生能力的，但長期捕撈過量超過再生能力，漁業資源將被破壞而衰竭，沒有了持續發展。要持續利用就不能超出再生能力，地熱能的再生也是如此。

按資源補充狀態分為對流型和導熱型兩類，如果地熱井熱源來自地下較深處對流熱水補充的，其可再生能力強；我國北方各大盆地是沉積盆地熱水，僅靠導熱補充的能力差也可看成“有限制的可再生能源”，但是只要開采的地熱量不超過天然補充的就是可持續的。它的再生補充能力是由地殼構造所控制，由于資源狀態差異性大，利用方式也有很大區別，所以要做到可持續開發是一個非常復雜的問題。地熱開采在地下熱儲層形成了水力和熱力漏斗導致重新建立壓力和溫度梯度狀態，熱溫差加大會引起相應熱儲層導熱再生能力增強出現“增量”，而后達到一個新的穩定狀態，經過一定時間后產生一個相對穩定的水溫，產量進一步持續下去，只要科學適度地利用好這“增量”就能是可持續的。

2.2 單眼地熱井形成的采暖系統供熱可靠性差

肅寧站修所4#和機輛分公司院1#地熱井均為單眼井供暖，一旦地熱井出現故障，將面臨所承擔的整個采暖系統的癱瘓，地熱井恢復供熱最快也要7天，如果故障發生在1月份，室外氣溫在零下十幾度，停暖的房屋在一天后室溫將變得和室外溫度一樣，房屋內的散熱器將凍裂，生產車間內機車和車輛維修生產將會變得十分困難，嚴重影響人們的工作和生活。

2.3 地熱尾水梯度開發利用程度不高

目前，地熱井熱水僅用于采暖和部分洗浴，仍然排放了大量含有低焓熱能的尾水（尾水排放溫度40℃左右），這部分熱能白白流失，地熱尾水梯度開發利用程度不高。

3 問題的解決方法

3.1 加強回灌

利用對井回灌技術加強回灌，減少熱水抽取，破解水位下降困局。抽取深層地熱水通過換熱器把熱送到區域供熱管網，被冷卻的地熱水通過在地下有足夠距離的另一口井回灌到地下。由于地熱循環熱流體逐漸不斷被回灌的冷水置換，導致熱量下降，回灌井范圍向生產井擴展。一直到回灌水溫度波影響到生產井使生產井水溫開始下降形成熱突破時，這段時間間隔取決于生產井的開采量、井間距和熱儲層的物理、幾何特性。回灌除了可獲得較多的熱量以外，還有幾個重要的好處，據水文地質專家測算，我國沉積盆地可采熱水資源量平均為積存資源量的1.1%，即只能取出地下熱儲層中1%左右的熱量，采取回灌后就可能多得到幾倍到20倍的熱量。多處試驗和實際工程觀測證明，回灌將使熱儲層壓力有較快的回升，能減小由開采地熱可能引起的地面沉降。有了回灌避免了地熱水用后地面排放，減少地熱水較高的礦化度和高于環境的排放溫度對環境造成的污染[5]。

天津為了緩解基巖地熱水過快的下降趨勢，截至2009年采用同層回灌、異層回灌和兩抽一回灌三種方式已建成對井11組，取得了一定的經驗。為了確定回灌井位置，要在生產井打成后進行非穩定流抽水實驗，利用壓降曲線的形狀來判定邊界條件，再結合地質構造分析選定回灌井位，避免在將來回灌時在生產井和回灌井之間出現管道流。為了防止地下水被污染、防止結垢堵塞，對不同的熱儲層回灌水質都有不同的要求。經驗表明通常孔隙型熱儲層回灌問題較多，可采用壓力回灌；基巖裂隙巖溶型熱儲層當地壓下降后自流回灌大多是可行的。

采取必要的技術措施對地熱井進行回灌，達到地熱水開采量、回灌量大致平衡，保證地熱資源的水載體具有可持續性，才能確保地熱系統的可再生和可持續，延長地熱井的使用壽命，保證水位不再下降。

此外，改造既有建筑的末端采暖方式有效減少地熱井熱水抽取，現有末端采暖方式多為散熱器形式，采暖熱指標為60W/m2，逐步改造成地板輻射采暖，采暖熱指標降為30W/m2，地板輻射采暖熱指標僅為散熱器的一半。采暖面積不變的情況下，使用地板輻射采暖后，地熱井可以減少一半的抽水量，可節約大量運行成本。

3.2 供熱不可靠的解決方法

解決單眼地熱井供熱不可靠的問題可采取三種方法加以解決。

1）機輛分公司院內1#、汽修廠2#、生活區3#、站修所4#地熱井用管道溝通，一旦某眼井發生故障，其他三眼可保證基本供暖；

2）國家大力建設的西氣東輸管道已經引到肅寧縣城，可以在機輛分公司和站修所院內新建天然氣鍋爐房做為調峰使用或者備用，天然氣鍋爐不產生二氧化硫等酸性氣體，不用儲煤場和渣場，具有啟動迅速和無污染的特點；

3）在1#和4#地熱井附近再開鑿一眼地熱井。

采用第二種方法是最有效、成本最低，應該優先考慮。

3.3 提高地熱尾水梯度開發利用程度

除用于采暖和洗浴外，積極探索新的利用方式，充分挖掘利用地熱井尾水的低焓熱能。根據肅寧北站周圍環境情況，可有以下幾方面的應用：

1）用于農業種植養殖：地熱在農業中的應用范圍十分廣闊，鐵路北側有大量農田，可租來建成溫室大棚，地熱井尾水可用來提高大棚土壤溫度，冷卻后的水可灌溉蔬菜、育秧、種菜和養花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產量等；開挖魚塘，利用地熱水養魚，在28℃水溫下可加速魚的育肥，提高魚的出產率，還可養殖非洲鯽魚、鰻魚、羅非魚、羅氏沼蝦等[4]。

2）增加水處理凈化設施，收集地熱尾水進行處理，用作除飲用之外的水源使用，如用作公司辦公區景觀用水、洗車、洗衣等，減少給水所地下水抽取量。

3）利用地熱井尾水用于冬季道岔融雪和廠區內道路融雪除冰，利用采暖設備進行道路融雪除冰已經在國內多處進行了有益的嘗試，取得了一定的經驗，使用效果不錯，有效解決了冬季道路人工清掃費工費時和撒鹽造成環境污染的問題，實施過程中結合道路規劃合理布局采暖管道走向，利用采暖管道散熱形成的溫度場提高路面溫度，達到融雪除冰的目的；利用地熱井靠近線路的特點，將地熱尾水引到鋼軌岔區，為鋼軌道岔加熱，可有效解決冬季道岔除雪問題，此外冬季還可利用地熱尾水加熱鋼軌，提高軌溫，將從根本上解決鋼軌拉斷問題，減少工務部門線路維護工作量，壓縮設備故障延時。

4 結論

地熱能是可再生能源，但開采量要有嚴格的限制，利用對井回灌技術可保證地熱井水位不再下降，加大房屋節能改造，降低房屋采暖熱指標，可減少熱水抽取量，地熱資源可持續利用；增加天然氣鍋爐備用，提高單眼地熱井供熱可靠性；梯度開發利用地熱井尾水，提高資源利用率，讓有限的資源發揮最大的效益，從而改善肅寧北站鐵路職工的人居環境，為公司運輸生產提供保障。

[1]陸亞俊.暖通空調[M].北京:中國建筑工業出版社,2002

[2]田彥法.地熱能在某小區中的應用分析[A].見:山東省暖通空調制冷2007年學術年會論文集[C].2007

[3]劉聯波.油田地熱資源綜合利用技術研究[D].北京:中國石油大學,2010

[4]王宏偉,李亞峰,林豹,等.地熱能在我國的應用[J].可再生能源,2002,(5):45-47

[5]莊斌舵,陳興華,劉光遠.地熱水回灌井內換熱新技術[J].能源研究與利用,2000,(6):36-39