地热能在燃煤供热改造中的利用

应用效果进行了评价。

关键词：地热能;清洁能源;节能环保;梯级利用;回灌

中图分类号：TU995         文献标志码：A         文章编号：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

节能、环保、经济高效运行始终是供热企业发展方向，利用可再生资源能够为供热带来节能、环保、经济等多重效益，越来越受到政府和供热企业的重视。唐山市曹妃甸区建设定位于打造优美生态环境，曹妃甸新城现有230万平米建筑采用燃煤供热，需要环保改造，而该地区地热资源较为丰富，同时《地热能开发利用“十三五”规划》提出将地热供暖纳入城镇基础设施建设，放开并引导地热能开发企业进入城镇供热市场，曹妃甸具有推广地热清洁供热的现实需求和资源条件。

1 供热现状

唐山曹妃甸新城国泰热力有限公司作为该地区唯一集中供热企业，现有2台70MW燃煤热水锅炉。2017-2018年度供热季，供热建筑面积230万m2，一次管网设计温度90/60℃，一次管网最高运行温度86/58℃，供暖季日供热最大供热量为83.7MW。供热系统年耗煤量为35700t，耗电量为430.8万kWh/a，综合能耗83661×104MJ/a，折标准煤2.85万t/a。SO2排放19.7t/a，NOx排放33.3t/a，烟尘排放6.7t/a，二氧化碳排放9.36×104t/a。

2 地热资源评价

2.1 面积参数

依据地震解释成果，高尚堡-柳赞构造带南部构造宽缓部位，采水区北部边界为高-柳断层，东部、南部和西部边界为钻井可控范围，采水面积为11.7km2。

2.2 厚度参数

采水区馆陶组地层为辫状河沉积，馆陶组地层厚度变化不大，主力热储馆Ⅰ、馆Ⅱ、馆Ⅲ的砂岩单体储层厚度大，连通性好，单砂组横向变化较小。通过对采水区钻井馆陶组的测井解释分析，结合地震、地质解释成果预测无井控区的砂体连通性好，主河道分布在采水区的西部，东部热储厚度相对较薄，平均热储厚度在200m以上。

2.3 温度参数

通过相关测试，折算地温梯度4.00℃/100m，结合该地区地热钻井区地温梯度特征及热储埋深，综合预测该地区地热钻井馆二段顶面热储最低温度为75℃，最高为101.35℃，平均热储温度在86.5℃，井底至井口计算温度降为3℃，井口综合平均温度为83.5℃，地热井温度预测见表1。

2.4 储层物性

馆陶组的馆Ⅰ、馆Ⅱ、馆Ⅲ段砂岩储层是本区沉积岩中物性最好的储层，采水区内多口钻井均反映本区储层的孔渗条件优越。采水区西部的孔渗条件优于东部，综合考虑采水区的构造及砂岩厚度特征，确定本区砂岩孔隙度取值为30%，渗透率一般在300mD以下。

2.5 密度、比热与弹性释水系数

根据测井解释成果，该区馆Ⅰ、馆Ⅱ、馆Ⅲ段的砂岩密度一般在2200kg/m3。岩石比热：878J/（kg·℃）;热水密度：971.6kg/m3;弹性释水系数通过抽水试验求得：8.56×10-5。

2.6 地热资源计算

曹妃甸新城地热供暖采水区馆Ⅰ至馆Ⅲ段可用地热资源量为0.94×108GJ，可用地热水量为1.17×108m3，地热资源能够满足曹妃甸新城230×104m2建筑至少30年的供暖需求。

3 采水和回灌试验结论

将采水区两口废弃油井改水井作为试验井，通过采灌试验得出以下结论：（1）涌水量100m3/h，井口水温75℃。（2）热储层渗透系数K=1.27m/d、弹性释水系数S=8.56×10-5m、影响半径R=1274m，储层物性较好。（3）井水含砂量为二百万分之1.1（体积比）。（4）本次先导试验在布井区的西部地温梯度低热储埋藏浅，实测温度为75℃。而布井区地温梯度相对较高，预测热储平均温度可以达80℃以上。（5）在渗透系数不衰减的情况下，回灌量为80m3/h时，回灌过程中水位保持在地面下20.6m，整个供暖期不需要回扬;回灌第55天井口压力达到0.2MPa;回扬周期T=45天。

4 供热改造技术措施

4.1 地热能开发规模

地热能供热不同于传统的集中供热，其热源来自地热井，投资高，规模偏大会给项目收益造成不利影响。为节约投资且尽可能高效利用地热资源，采用地热能（主热源）+兩级热泵（调峰热源）的方案。根据前期先导性试验及地热井采灌试验，单井产水量为100m3/h，回灌量80m3/h。根据锅炉实际运行参数，采用12月份热负荷64.2MW作为地热水量计算负荷，地热井供回水温度80/45℃，计算地热水量为1577t/h。经过计算共需地热生产井16口，为保证地热水可持续开采，地热水实现100%回灌，确定回灌井数量为20口，同时为了保证项目稳定运行，考虑3口备用井（1口取水，2口回灌），因此共需新钻地热井39口。热田寿命按30年计算，孔隙度30%，其他参数取砂岩平均值，确定井距如下：井距450m。

4.2 地热能利用方案

地热水由潜水泵从生产井抽出，经多井集输，除砂排气后输送至国泰热力公司锅炉房站内，到站内地热水温度不低于80℃，利用锅炉房原有循环设备（需进行耐温改造），将地热水输送至各换热站通过换热器与用户的二次网换热，降温后的地热水回到站内地热水温度降为45℃，再经过新建的回灌水过滤设备处理后回灌。最冷月（1月份）时，从换热站回到站内新建的热泵房的45℃地热水一部分作为热泵机组的低温热源，经过热泵提取热量后降温至38℃进入回灌系统回灌，另一部分作为循环水由热泵机组加热至80℃，加入到地热水来水一起为曹妃甸新城供暖。供暖主热源采用地热水供热负荷为65MW，采用热泵作为调峰热源供热负荷为18.7MW，调峰负荷站总负荷22.3%，从而实现地热能的梯级利用。

4.3 原燃煤供热系统改造

采用地热能供热改造后燃煤锅炉完全停运，原锅炉房内循环设备、锅炉房至换热站一次网管线、换热站、二次网管线利旧。改造后一次网地热水的供回水温度80/45℃，输送至换热站温度与原换热站设计温度（90/60℃），换热器的对数温差降低，为保证供热效果换热器需要增加面积，同时换热器一次侧采用地热水有轻腐蚀性，原换热器材质为不锈钢304需要更换成不低于254SMO。

4.4 地热水集输技术

地热井分布相对集中，而平台与地热供热站距离在2200m～6300m，故采用在平台汇集后再集中输送的方式。采用全密闭地热水集输工艺，各井口采用密闭井口装置，地热水由采出经过计量后汇集至平台集水器，经除砂、排气处理输送至锅炉房已有一次网循环水泵入口。再利用已有的一次热网输送至换热站，换热利用后的尾水经过滤后集中输送至回灌井回灌至地下原热储层。

地热井采用丛式井建井方案，井口间距5m，39口地热井集中分布于7座平台。每口地热井与平台分水器和集水器连接，生产井和回灌井均安装有可以采灌切换的井口装置，使生产井和回灌井互为备用，便于回灌井定期回扬洗井。

4.5 地热水回灌措施

为保障采出的地热水能全部回灌地下，避免地层堵塞，对换热后地热水进行过滤处理，采用自清洗过滤器。通过设置粗过滤器、精过滤器，通过两级过滤保证回灌水质满足要求。自清洗过滤器进水控制指标悬浮物≤50mg/L，出水控制指标悬浮物≤10mg/L，颗径中值≤4μm。

（1）粗过滤器：截留水中大颗粒杂质，滤速要求≥20m/h。（2）精过滤器：截留粗过滤器出水中大于4？滋m的颗粒，以达到回注水质标准。

自清洗过滤器采用连续过滤方式，无初滤水，反洗时不间断过滤。反冲洗时，根据设定时间自动将被污染的滤料提升至上部搓洗桶，经过旋流搓洗、漂洗后回落至过滤器内进行过滤，无须反冲洗泵及反洗水源。

4.6 地热能应用效果评价

本项目解决了地热水开采、集输、热泵系统对地热尾水热能的梯级利用、换热系统、地热尾水回灌等一系列技术难题。地热能供暖采用换热的方式，整个系统为闭式系统，尾水通过地热回灌井全部注回地下原热储层，不会抽空地下的水层，没有地层凹陷的风险。年综合利用地热资源量78.6×104GJ，年节能折合标煤2.69×104t，减少SO2排放19.6t、NOx排放33t、烟囱排放6.6t、二氧化碳排放9.28×万t，近乎完全的消除燃煤供热存在的“三废”排放问题。同时因减少燃煤等消耗，供热企业年净利润达到2400万，投资回收期仅为8年。2018～2019年采暖季，曹妃甸新城利用地热采暖成为了唐山地区首次实现燃煤污染物“零排放”的“无烟城”，得到当地政府和居民一致的好评，收到了良好的社会效益和经济效应。

5 地热能应用于供热行业的展望

2019年新成立的唐山冀东热能开发有限公司在230万m2的地热供热基础上，规划采用地热能及热泵系统为该地区新增100万m2建筑供热;《地热能开发利用“十三五”规划》在河北省规划1.1亿m2水热型地热供暖目标，这些现实需求都将支持地热能在供热上的利用，而本项目对完成“十三五”规划以及推广地热能在供热行业中的利用有重要示范意义。

参考文献：

[1]GB50366-2005（2009年版）.地源热泵系统工程技术规范[P].中华人民共和国国家标准，2005.

[2]宫自强，张云鹏，侯艳.地热能供暖制冷技术及应用[J].北华航天工业学院学报，2012，22（2）：1-3.

[3]何满潮，徐能雄.地热能开发利用技术新进展与发展趋势[C].全国油区城镇地热开发利用经验交流会论文集，2003：85-93.

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