李 博，李 力

（天津地熱開發(fā)有限公司，天津 300381）

地熱資源充分利用的相關技術研究

李 博，李 力

（天津地熱開發(fā)有限公司，天津 300381）

地熱是一種非常重要的清潔能源，采用地熱供熱可以有效緩解我國北方熱源嚴重不足、化石燃料短缺以及供暖季節(jié)霧霾嚴重等問題，但目前多數(shù)建成的地熱供熱系統(tǒng)難以充分利用這種可再生能源。為此，本文結合天津市金谷園地熱利用示范項目，就如何建立一個高效可充分實現(xiàn)地熱資源利用的地熱供熱系統(tǒng)展開了深入研究，相關研究成果對有效緩解目前北方地區(qū)集中供熱熱源嚴重不足等問題，具有一定的理論和實踐參考價值。

金谷園項目；地熱利用；地熱供熱系統(tǒng)

隨著我國城市化進程的不斷加快，化石能源日益短缺，而霧霾等環(huán)境污染問題日益加重。黨的十八大明確將生態(tài)環(huán)境建設納入“五位一體”的國家戰(zhàn)略，地熱等清潔可再生能源成為我國北方城市供熱采暖的重要選擇之一[1]。我國地熱資源儲量豐富，但是地熱資源開發(fā)利用程度不高，開發(fā)潛力巨大。利用地熱資源進行供暖，是對地熱資源最直接的利用方式。利用地熱采暖、供熱，不僅可以優(yōu)化能源結構，減少化石燃料消耗，而且能大量減少有害氣體（氮氧化合物）的排放，減少酸雨的形成，并對減輕霧霾污染有著非常重要的作用[2]。值得注意的是，地熱作為寶貴的可再生能源，在實現(xiàn)資源保護的前提下建設一個地熱資源充分利用的系統(tǒng)是十分重要的。下面筆者就以天津市金谷園地熱利用示范項目為例，就如何建設一個高效、實現(xiàn)資源充分利用的地熱系統(tǒng)展開一定深度的探討。

1 金谷園地熱項目簡介

1.1 金谷園地熱項目建設背景

金谷園地熱系統(tǒng)建于金谷園煤改燃供熱中心院內，金谷園煤改燃供熱中心位于天津中心城區(qū)南部，供熱中心設置了4臺58 MW燃氣熱水鍋爐，對外供熱面積約為300萬m2，年燃氣耗氣量接近3 000萬m3，單純使用天然氣供熱情況下，該供熱系統(tǒng)面臨嚴重供氣與供熱安全保障壓力，供熱系統(tǒng)依靠政府補貼維持，經(jīng)濟性較差。

經(jīng)勘查，金谷園供熱中心總占地面積3.6萬m2，場地較大，具備打井施工條件，同時項目所在地構造位置屬于Ⅲ級構造單元滄縣隆起的次級構造單元雙窯凸起內。根據(jù)資料可以預測，該區(qū)域薊縣系霧迷山系，資源條件良好，地熱井井深應在2 900～3 100 m，地熱水溫應在73℃～77℃，出水量在80～100 m3/h，具備地熱開發(fā)條件。

由于地熱供熱運行成本較低，人們考慮在該供熱系統(tǒng)中建設一套地熱系統(tǒng)，實現(xiàn)地熱+燃氣鍋爐系統(tǒng)聯(lián)合運行，以提高整體供熱系統(tǒng)的安全性，改善系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

根據(jù)地熱水溫水量的初步測算，按照電熱泵技術路徑，地熱供熱系統(tǒng)裝機約為8 MW，而鍋爐房內部設有一座為周邊約40萬m2小區(qū)供熱的換熱站，換熱站裝機約為20 MW，二次系統(tǒng)總流量約為1 200 m3，且在極寒情況下，二次回水最高溫度45℃?？紤]加熱較低的二次水更有利于熱泵的高效率運行，40萬m2供熱的最低負荷也需要8 MW，項目最終確定以40萬m2的供熱系統(tǒng)回水作為地熱系統(tǒng)的加熱對象。

1.2 系統(tǒng)建設的主要內容

項目主要包含能源站土建工程、能源站站內能源系統(tǒng)、室外能源系統(tǒng)工程。其中，能源站土建工程包括地上470 m2土建工程；能源站站內能源系統(tǒng)工程，主要包括板換機組3臺，熱泵機組2臺；室外能源系統(tǒng)，主要包括地熱深井2座和相關管道工程。

2 項目應用的核心技術介紹

2.1 金谷園地熱項目主要采用的技術

2.1.1 地熱回灌技術

地熱回灌技術是將直接打井后抽取的地熱水經(jīng)過一級或多級利用后溫度降低的地熱尾水或其他水源通過熱泵機組再次提取熱量后，將地熱水再重新注回熱儲層[3]。回灌的地熱尾水和其他回灌水在熱儲層中經(jīng)過與地熱流體混合，并和熱儲層中的巖石骨架進行熱交換，溫度升高，可以再次循環(huán)利用。金谷園地熱項目采用了“對井回灌”，即打兩眼地熱井，確定其中的一眼為開采井，另一眼為回灌井，做到對地熱資源同層百分百回灌，只取熱而不取水。

2.1.2 梯級利用技術

梯級利用技術，就是高質能源的能量不一定要在一個設備或過程中全部用完，因為在使用高質能源的過程中，能源的溫度是逐漸下降的（即能質下降），而每種設備在消耗能源時，總有一個最經(jīng)濟合理的使用溫度范圍。這樣，當高質能源在一個裝置中已降至經(jīng)濟適用范圍以外時，即可轉至另一個能夠經(jīng)濟使用這種較低能質的裝置中，使總的能源利用率達到最高水平。具體落實到地熱工程中，就是根據(jù)地熱資源溫度高、富含豐富的礦物質等特點，多梯次利用地熱資源[4]。這種方式增加了地熱資源供熱能力，提高了地熱資源利用率，降低了地熱水的排放溫度，從而有效地節(jié)約和保護地熱資源，提高了經(jīng)濟效益，避免了熱污染和環(huán)境污染，資源的效能得到了充分發(fā)揮。

地熱系統(tǒng)的技術路徑及思路直接影響地熱資源的利用率以及節(jié)能減排效果。

2.2 金谷園地熱系統(tǒng)分析及系統(tǒng)圖

在金谷園地熱系統(tǒng)中，人們采取了地熱側一級板換+兩級熱泵串聯(lián)梯級利用的方式，基于最大程度保證系統(tǒng)經(jīng)濟運行，是實現(xiàn)地熱資源充分利用前提的認識。同時在項目中，人們對若干熱泵廠家的設備做了遴選對比和精心大膽的選型，最終項目的首級熱泵在設計參數(shù)情況下COP值可達9.3，二級熱泵設計在參數(shù)情況下COP值為5。

地熱系統(tǒng)總裝機容量8 200 kW，作為40萬m2供熱區(qū)域的基礎熱源，可以保證地熱供熱系統(tǒng)在全采暖季實現(xiàn)滿負荷運行，讓地熱資源得到最大化利用；地熱水百分之百回灌，全采暖季回灌溫度達到15℃以下，經(jīng)測算地熱系統(tǒng)年輸出熱量可達8萬GJ以上，可節(jié)省燃氣消耗240萬m3以上。該系統(tǒng)能夠在集中熱源不擴容、能耗不變的前提下提高熱網(wǎng)的總體供熱能力，而增加的這部分熱量全部來自于低品位、可再生的地熱能，這樣可大幅改善集中供熱系統(tǒng)的能源利用效率及經(jīng)濟性，減少污染物的排放[5]。其系統(tǒng)圖如圖1所示。

2.3 主要設備選型表

一級高效熱泵機組如表1所示，二級熱泵機組如表2所示。

3 金谷園地熱項目技術效果分析

金谷園地熱項目實現(xiàn)了高效地熱供熱系統(tǒng)與燃氣鍋爐系統(tǒng)的聯(lián)供，采用了地熱回灌技術和梯級利用技術，這不僅有效地達到了節(jié)能減排的作用，而且大幅改善集中供熱系統(tǒng)的能源利用效率及經(jīng)濟性。

3.1 系統(tǒng)經(jīng)濟運行分析

經(jīng)過2016-2017采暖季，地熱系統(tǒng)正式實現(xiàn)運行，金谷園地熱系統(tǒng)實現(xiàn)對外年供熱量8.653 26萬GJ，日平均產(chǎn)熱量650 GJ，較常規(guī)情況增加對外供熱量70%；系統(tǒng)采暖季耗電量為240.005 24萬kW·h；系統(tǒng)整體COP值為10.1。項目充分考慮與既有燃氣供熱系統(tǒng)的技術結合，充分利用地熱熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)地熱尾水的梯級利用，地熱尾水回灌溫度基本實現(xiàn)在全采暖期以15℃以下回灌（見圖2），做到對地熱資源的充分利用。

圖1 金谷園系統(tǒng)圖

表1 一級高效熱泵機組

表2 二級熱泵機組

3.2 節(jié)能減排成果分析

金谷園地熱中心年節(jié)省天然氣消耗量大約為260萬m3，可節(jié)約標準煤4 600 t，減少環(huán)境綜合治理費用大約120萬元；可以減少二氧化硫259.5 t，氮氧化物129.75 t，二氧化碳8 625.78 t，粉塵排放量2 352.8 t，節(jié)能減排效果顯著。

圖2 金谷園地熱供熱站出水水溫圖

4 結論

金谷園地熱供熱的工藝方案設計遵循“技術先進、環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟合理、安全可靠”的基本原則，充分利用地熱資源，通過合理規(guī)劃采暖方式和采用熱泵技術等方式，降低地熱回灌溫度，實現(xiàn)地熱梯級利用，提高地熱利用率。通過金谷園項目的應用研究，筆者主要得到以下研究成果。

（1）以地熱供熱系統(tǒng)為基礎熱源與傳統(tǒng)熱源聯(lián)合運行是最大化利用資源的技術保證。改變地熱小區(qū)域的使用模式，將地熱資源與城市大熱源聯(lián)合運行，地熱供熱系統(tǒng)作為大區(qū)域的基礎熱源使用，使得地熱供熱能力得到最大限度發(fā)揮，地熱回灌溫度全采暖季可達到15℃以下，極大提高了資源利用率，同時也提升供熱系統(tǒng)安全運行穩(wěn)定性。

（2）實現(xiàn)地熱系統(tǒng)的采灌結合是在保護中開發(fā)地熱資源的關鍵。項目在對地熱資源充分利用的同時對利用后的地熱水全部回灌，實現(xiàn)地熱資源采灌結合，以灌定采，同時金谷園地熱供熱站還采用地熱間接供熱方式。一方面，它可以避免地熱流體對供熱系統(tǒng)的腐蝕，延長系統(tǒng)使用壽命[6]；另一方面，可以實現(xiàn)地熱原水回灌，減少地熱流體直接排放造成的環(huán)境污染，節(jié)約排污費用，實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)開發(fā)。

（3）選擇高效熱泵機組提高地熱系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性，是最大化資源利用的經(jīng)濟保證。項目選擇的一級高效熱泵機組設計參數(shù)情況下COP值為9.3，對一個采暖季實際運行情況分析匯總，該臺機組采暖季最高COP值為11.2；是保證整個地熱系統(tǒng)COP值達到10.1的關鍵，按照天津大工業(yè)電價0.8元/kW·h及天津地熱水資源稅價格0.6元/t測算，金谷園地熱系統(tǒng)輸出熱量8.653 26萬GJ，耗電量240.005 24萬kW·h，地熱水量28.279 6萬t，其燃料成本為1 GJ/24.1元；經(jīng)濟性大大優(yōu)于燃氣供熱系統(tǒng)燃料成本，為最大化實現(xiàn)對地熱資源的開發(fā)利用提供經(jīng)濟保證。

1 方修睦，周志剛.供熱技術發(fā)展與展望[J].暖通空調，2016，（3）：14-19.8.

2 齊學玲，穆 浩，齊金生.地熱供暖系統(tǒng)經(jīng)濟性模型設計[J].暖通空調，2011，（3）：112-117.37.

3 施潤亮.日喀則地區(qū)多能互補供熱系統(tǒng)的應用研究[D].重慶：重慶大學，2016.

4 齊學玲.基于改進遺傳算法的地熱采暖系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化評價方法研究[D].天津：天津大學，2010.

5 董君永，王麗曉.淺議采用熱泵技術梯級利用地熱尾水實施城市集中供熱[J].區(qū)域供熱，2010，（1）：22-26.39.

6 陳宏振.徐州市集中供熱的經(jīng)濟性比較研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.

Research on the Related Technology of Full Utilization of Geothermal Resources

Li Bo, Li Li
(Tianjin Geothermal Development Co., Ltd., Tianjin 300381, China)

Geothermal is a very important clean energy, the use of geothermal heat can effectively alleviate the serious shortage of heat in northern China, fossil fuel shortage and heating season haze serious problems, but most of the built geothermal heating system is difficult to make full use of this renewable energy. In this paper, based on the demonstration project of geothermal utilization in Tianjin Jinguyuan, this paper has carried out an in-depth study on how to establish a geothermal heating system which can effectively realize the utilization of geothermal resources. The relevant research results are effective in alleviating the serious shortage of central heating in the northern region And other issues, with a certain theoretical and practical reference value.

Jinguyuan project; geothermal utilization; geothermal heating system

P314

A

1008-9500(2017)09-0065-04

2017-07-12

李博（1989-），男，天津人，助理工程師，研究方向：地熱供熱開發(fā)與利用。