地熱能在燃煤供熱改造中的利用

高福特 趙興罡

摘 ?要：隨著環保壓力加大，京津冀地區利用清潔能源代替燃煤鍋爐改善環境的形勢非常迫切。地熱能作為一種可再生能源，資源潛力非常巨大。同時《地熱能開發利用“十三五”規劃》提出將地熱供暖納入城鎮基礎設施建設，放開并引導地熱能開發企業進入城鎮供熱市場。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。

關鍵詞：地熱能;清潔能源;節能環保;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

節能、環保、經濟高效運行始終是供熱企業發展方向，利用可再生資源能夠為供熱帶來節能、環保、經濟等多重效益，越來越受到政府和供熱企業的重視。唐山市曹妃甸區建設定位于打造優美生態環境，曹妃甸新城現有230萬平米建筑采用燃煤供熱，需要環保改造，而該地區地熱資源較為豐富，同時《地熱能開發利用“十三五”規劃》提出將地熱供暖納入城鎮基礎設施建設，放開并引導地熱能開發企業進入城鎮供熱市場，曹妃甸具有推廣地熱清潔供熱的現實需求和資源條件。

1 供熱現狀

唐山曹妃甸新城國泰熱力有限公司作為該地區唯一集中供熱企業，現有2臺70MW燃煤熱水鍋爐。2017-2018年度供熱季，供熱建筑面積230萬m2，一次管網設計溫度90/60℃，一次管網最高運行溫度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

依據地震解釋成果，高尚堡-柳贊構造帶南部構造寬緩部位，采水區北部邊界為高-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

采水區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。通過對采水區鉆井館陶組的測井解釋分析，結合地震、地質解釋成果預測無井控區的砂體連通性好，主河道分布在采水區的西部，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

通過相關測試，折算地溫梯度4.00℃/100m，結合該地區地熱鉆井區地溫梯度特征及熱儲埋深，綜合預測該地區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段砂巖儲層是本區沉積巖中物性最好的儲層，采水區內多口鉆井均反映本區儲層的孔滲條件優越。采水區西部的孔滲條件優于東部，綜合考慮采水區的構造及砂巖厚度特征，確定本區砂巖孔隙度取值為30%，滲透率一般在300mD以下。

2.5 密度、比熱與彈性釋水系數

根據測井解釋成果，該區館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 采水和回灌試驗結論

將采水區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論：（1）涌水量100m3/h，井口水溫75℃。（2）熱儲層滲透系數K=1.27m/d、彈性釋水系數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的西部地溫梯度低熱儲埋藏淺，實測溫度為75℃。而布井區地溫梯度相對較高，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 供熱改造技術措施

4.1 地熱能開發規模

地熱能供熱不同于傳統的集中供熱，其熱源來自地熱井，投資高，規模偏大會給項目收益造成不利影響。為節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（調峰熱源）的方案。根據前期先導性試驗及地熱井采灌試驗，單井產水量為100m3/h，回灌量80m3/h。根據鍋爐實際運行參數，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。經過計算共需地熱生產井16口，為保證地熱水可持續開采，地熱水實現100%回灌，確定回灌井數量為20口，同時為了保證項目穩定運行，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井抽出，經多井集輸，除砂排氣后輸送至國泰熱力公司鍋爐房站內，到站內地熱水溫度不低于80℃，利用鍋爐房原有循環設備（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換熱，降溫后的地熱水回到站內地熱水溫度降為45℃，再經過新建的回灌水過濾設備處理后回灌。最冷月（1月份）時，從換熱站回到站內新建的熱泵房的45℃地熱水一部分作為熱泵機組的低溫熱源，經過熱泵提取熱量后降溫至38℃進入回灌系統回灌，另一部分作為循環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，采用熱泵作為調峰熱源供熱負荷為18.7MW，調峰負荷站總負荷22.3%，從而實現地熱能的梯級利用。

4.3 原燃煤供熱系統改造

采用地熱能供熱改造后燃煤鍋爐完全停運，原鍋爐房內循環設備、鍋爐房至換熱站一次網管線、換熱站、二次網管線利舊。改造后一次網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計溫度（90/60℃），換熱器的對數溫差降低，為保證供熱效果換熱器需要增加面積，同時換熱器一次側采用地熱水有輕腐蝕性，原換熱器材質為不銹鋼304需要更換成不低于254SMO。

4.4 地熱水集輸技術

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，地熱水由采出經過計量后匯集至平臺集水器，經除砂、排氣處理輸送至鍋爐房已有一次網循環水泵入口。再利用已有的一次熱網輸送至換熱站，換熱利用后的尾水經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，生產井和回灌井均安裝有可以采灌切換的井口裝置，使生產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。通過設置粗過濾器、精過濾器，通過兩級過濾保證回灌水質滿足要求。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，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，以達到回注水質標準。

自清洗過濾器采用連續過濾方式，無初濾水，反洗時不間斷過濾。反沖洗時，根據設定時間自動將被污染的濾料提升至上部搓洗桶，經過旋流搓洗、漂洗后回落至過濾器內進行過濾，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、熱泵系統對地熱尾水熱能的梯級利用、換熱系統、地熱尾水回灌等一系列技術難題。地熱能供暖采用換熱的方式，整個系統為閉式系統，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首次實現燃煤污染物“零排放”的“無煙城”，得到當地政府和居民一致的好評，收到了良好的社會效益和經濟效應。

5 地熱能應用于供熱行業的展望

2019年新成立的唐山冀東熱能開發有限公司在230萬m2的地熱供熱基礎上，規劃采用地熱能及熱泵系統為該地區新增100萬m2建筑供熱;《地熱能開發利用“十三五”規劃》在河北省規劃1.1億m2水熱型地熱供暖目標，這些現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”規劃以及推廣地熱能在供熱行業中的利用有重要示范意義。

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