某铁路车站地热井供热问题的解决方法

李晓东

朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司

0 引言

朔黄铁路肃宁北站位于河北省肃宁县城，地处华北平原中部，我国松辽、华北、苏北和汾渭盆地等众多城镇地区有较丰富的90℃以下的低温地热资源，低温地热是低焓热能，用于采暖是用得其所[1]，使用地热采暖环保无污染。朔黄铁路公司积极响应国家节能减排的号召，筹划并组织实施了肃宁北地区地热井供热系统工程，但投入使用几年来暴露出以下三个问题：

1）地热井水位不断下降，地热水抽取难度逐年加大，资源利用逐渐变得难以持续；

2）四眼地热井各自组成三套独立的采暖系统，单眼井供暖可靠性差；

3）地热井尾水采用40℃排放，低焓热能未能充分利用。

1 地热井供热系统的基本情况

1.1 地热井地质概况

肃宁北站地热井共四眼，位置分别位于为机辆分公司院内（编号：1#）、路畅达汽修厂（编号：2#）、物业生活区人工湖（编号：3#）、站修所院内（编号：4#），委托天津甘泉地热勘察设计院进行设计，河北省地矿局水文地质第四工程队负责施工，2006年11月投入使用。地热井概况详见表1。

表1 地热井概况

水质化验结果：经检验，所测项目中氟、偏硅酸和温度的含量分别为2.5mg/L、74.5mg/L、87℃，已达到《天然矿泉水地质勘探规范》（GB13727-92）规定的命名条件（氟≥2.0mg/L、偏硅酸≥50.0mg/L、温度≥34℃），可命名为氟、偏硅酸型温泉水。

所接露地层概况：①第四系平原组：底界深度303～410m，为黄灰色、灰黄色粘土夹白色砂层；②上第三系明化镇组上段：底界埋深934～1225m，为灰黄色、浅棕色泥岩与灰白色粗砂岩互层，泥岩质纯，性软，吸水膨胀，造浆性强，砂岩颗粒较粗，成岩性差，胶结物少，呈散沙状；③上第三系明化镇组下段：底界深度1724～1965m，为棕红色、暗棕红色、紫棕色泥岩与浅灰色粗砂岩、含砾砂岩呈不等厚互层，泥岩略比砂岩比例大，泥岩质纯，性软，砂岩分选较差，泥质胶结，疏松，岩屑呈散砂状；④上第三系馆陶组：底界埋深2200～2350m，为紫红色泥岩夹浅灰色、灰白色粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩，底部为杂色砾岩，泥岩质不纯，性软，成岩性差，砾岩、含砾砂岩、沙砾岩，粒度自上而下逐渐变粗，分选性较差，泥质胶结，疏松，砾岩成分以石英、燧石为主，砾岩坚硬，颜色会杂，分选差，泥质胶结，疏松。

1.2 供热系统概况

四眼地热井分别组成三套采暖系统，其中2#和3#地热井组成一套系统，负担肃宁北站生活区、公司行政办公区域范围内的房屋建筑物采暖，采暖面积约13万m2；1#地热井单独组成一套系统，负担机辆分公司大院范围内的房屋建筑物采暖，采暖面积约4.5万m2；4#地热井单独组成一套系统，负担站修所、货车分公司以及供电工队大院范围内房屋建筑物采暖，采暖面积约3.3万m2。地热供热站主要设备有耐热潜水泵、除砂器、板式换热器、曝气塔、除铁器、保温水箱、定压罐、加压泵、反冲泵、采暖循环泵、补水泵、水源热泵机组以及各类管道等。系统散热设备主要有钢串片散热器、铜铝复合散热器、铸铁散热器、风机盘管等，新建房屋多采用地板辐射采暖。

1.3 供热系统工艺流程

三套供热系统均承担本辖区内采暖和洗浴两项功能，现以2#和3#地热井组成的系统为例说明工艺流程。

1）采暖部分。耐热潜水泵从2000多米地下抽取80℃地热水，经过除砂器进入板式换热器，在除砂器中地热水中的砂质杂物沉积过滤掉，地热水在板式换热器中与采暖系统循环水充分热交换，采暖系统循环水被采暖循环泵输送到各取暖用户使用，部分尾水通过热泵机组（预留），水温提升后供新建房屋采暖[2]；

2）洗浴部分。从板式换热器中流出的经过充分热交换的尾水或者地热井直接抽取热水经过除砂器后，进入曝气塔和除铁器，在曝气塔中将地热水中的二价铁离子氧化成不溶于水的三价铁离子，三价铁离子呈胶体状悬浮于地热水中，再经过除铁器过滤，彻底清除地热水中铁离子，满足生活热水洗浴的需要。其中，每隔72h采用反冲泵反洗除铁罐，去除沉淀下的铁，处理后的地热水进入保温水箱暂时储存，再通过热水供水泵送到高层公寓使用。详见工艺流程图（图1）。

图1 地热供热工艺流程图

2 问题分析

2.1 地热水过度开采

由于受到利益的驱动，近几年地热井开凿急剧增多，肃宁县城区范围内（不足8平方公里）有地热井30多眼，仅肃宁北站狭长区域内就有地热井7眼之多，无序的开采以及过度使用，对已开发地区资源可再生和环境造成近期难以恢复的恶果，地热井水位不断下降，会造成地热井热水枯竭，地下和地面工程报废的情况发生。表2是自2011年11月到2012年4月供热期间地热井动水位变化情况记录，测量动水位时井泵电压380V、频率设定在40Hz（正常工作频率）。

表2 地热井水位测量记录

由表2数据分析可知水位下降十分明显，采暖期内水位变化幅度大，水位先降后缓慢回升，说明地热井自身具有恢复能力，长期来看水位是持续不断下降，地热井成井时均自喷，目前水位已降到井口以下180多米。人们甚至怀疑地热是否属于可再生能源？专家们对此争论不休，大部分专家认为地热能仍然可看成为可再生能源。地热的可再生是基于地球内部有巨大的热量，但在人类活动地区可被利用的仅是很小的一部分。世界各地许多天然温泉数世纪以来没有衰减，说明了它的可再生性。这种状况显然是地表排放与地下深处热补充之间有平衡关系存在。只要利用的地热量不超过天然可补充的，就能完全看成是可再生的。

从地热井的热储层开采流体和热量，造成热储层的流量和热量逐渐减少，开采停止后受天然作用驱动，开始压力、温度梯度的再生，压力恢复最快，随后是温度重新上升，恢复能力随着时间延长而减小，理论上需要无限长时间才能全部恢复，再生显示为渐近线特性，再生力初始很强而后放慢。然而实际上补充再生恢复到95%所需时间较短。地热资源不需像矿物燃料如煤、油、天燃气所需的地质年代才能生成，因此地热再生从总体所需时间看可以被认为是可再生的[3]。

可再生与可持续发展有关系但不是相同的概念，可再生是说明资源的一个性质，而可持续是说明资源利用方式。可持续发展必须有可再生作为基础，可持续开采仅只能在可再生能源中获得，没有再生能力是不可能持续发展的。譬如海洋渔业开发，海洋的渔业资源是有再生能力的，但长期捕捞过量超过再生能力，渔业资源将被破坏而衰竭，没有了持续发展。要持续利用就不能超出再生能力，地热能的再生也是如此。

按资源补充状态分为对流型和导热型两类，如果地热井热源来自地下较深处对流热水补充的，其可再生能力强；我国北方各大盆地是沉积盆地热水，仅靠导热补充的能力差也可看成“有限制的可再生能源”，但是只要开采的地热量不超过天然补充的就是可持续的。它的再生补充能力是由地壳构造所控制，由于资源状态差异性大，利用方式也有很大区别，所以要做到可持续开发是一个非常复杂的问题。地热开采在地下热储层形成了水力和热力漏斗导致重新建立压力和温度梯度状态，热温差加大会引起相应热储层导热再生能力增强出现“增量”，而后达到一个新的稳定状态，经过一定时间后产生一个相对稳定的水温，产量进一步持续下去，只要科学适度地利用好这“增量”就能是可持续的。

2.2 单眼地热井形成的采暖系统供热可靠性差

肃宁站修所4#和机辆分公司院1#地热井均为单眼井供暖，一旦地热井出现故障，将面临所承担的整个采暖系统的瘫痪，地热井恢复供热最快也要7天，如果故障发生在1月份，室外气温在零下十几度，停暖的房屋在一天后室温将变得和室外温度一样，房屋内的散热器将冻裂，生产车间内机车和车辆维修生产将会变得十分困难，严重影响人们的工作和生活。

2.3 地热尾水梯度开发利用程度不高

目前，地热井热水仅用于采暖和部分洗浴，仍然排放了大量含有低焓热能的尾水（尾水排放温度40℃左右），这部分热能白白流失，地热尾水梯度开发利用程度不高。

3 问题的解决方法

3.1 加强回灌

利用对井回灌技术加强回灌，减少热水抽取，破解水位下降困局。抽取深层地热水通过换热器把热送到区域供热管网，被冷却的地热水通过在地下有足够距离的另一口井回灌到地下。由于地热循环热流体逐渐不断被回灌的冷水置换，导致热量下降，回灌井范围向生产井扩展。一直到回灌水温度波影响到生产井使生产井水温开始下降形成热突破时，这段时间间隔取决于生产井的开采量、井间距和热储层的物理、几何特性。回灌除了可获得较多的热量以外，还有几个重要的好处，据水文地质专家测算，我国沉积盆地可采热水资源量平均为积存资源量的1.1%，即只能取出地下热储层中1%左右的热量，采取回灌后就可能多得到几倍到20倍的热量。多处试验和实际工程观测证明，回灌将使热储层压力有较快的回升，能减小由开采地热可能引起的地面沉降。有了回灌避免了地热水用后地面排放，减少地热水较高的矿化度和高于环境的排放温度对环境造成的污染[5]。

天津为了缓解基岩地热水过快的下降趋势，截至2009年采用同层回灌、异层回灌和两抽一回灌三种方式已建成对井11组，取得了一定的经验。为了确定回灌井位置，要在生产井打成后进行非稳定流抽水实验，利用压降曲线的形状来判定边界条件，再结合地质构造分析选定回灌井位，避免在将来回灌时在生产井和回灌井之间出现管道流。为了防止地下水被污染、防止结垢堵塞，对不同的热储层回灌水质都有不同的要求。经验表明通常孔隙型热储层回灌问题较多，可采用压力回灌；基岩裂隙岩溶型热储层当地压下降后自流回灌大多是可行的。

采取必要的技术措施对地热井进行回灌，达到地热水开采量、回灌量大致平衡，保证地热资源的水载体具有可持续性，才能确保地热系统的可再生和可持续，延长地热井的使用寿命，保证水位不再下降。

此外，改造既有建筑的末端采暖方式有效减少地热井热水抽取，现有末端采暖方式多为散热器形式，采暖热指标为60W/m2，逐步改造成地板辐射采暖，采暖热指标降为30W/m2，地板辐射采暖热指标仅为散热器的一半。采暖面积不变的情况下，使用地板辐射采暖后，地热井可以减少一半的抽水量，可节约大量运行成本。

3.2 供热不可靠的解决方法

解决单眼地热井供热不可靠的问题可采取三种方法加以解决。

1）机辆分公司院内1#、汽修厂2#、生活区3#、站修所4#地热井用管道沟通，一旦某眼井发生故障，其他三眼可保证基本供暖；

2）国家大力建设的西气东输管道已经引到肃宁县城，可以在机辆分公司和站修所院内新建天然气锅炉房做为调峰使用或者备用，天然气锅炉不产生二氧化硫等酸性气体，不用储煤场和渣场，具有启动迅速和无污染的特点；

3）在1#和4#地热井附近再开凿一眼地热井。

采用第二种方法是最有效、成本最低，应该优先考虑。

3.3 提高地热尾水梯度开发利用程度

除用于采暖和洗浴外，积极探索新的利用方式，充分挖掘利用地热井尾水的低焓热能。根据肃宁北站周围环境情况，可有以下几方面的应用：

1）用于农业种植养殖：地热在农业中的应用范围十分广阔，铁路北侧有大量农田，可租来建成温室大棚，地热井尾水可用来提高大棚土壤温度，冷却后的水可灌溉蔬菜、育秧、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等；开挖鱼塘，利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率，还可养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼虾等[4]。

2）增加水处理净化设施，收集地热尾水进行处理，用作除饮用之外的水源使用，如用作公司办公区景观用水、洗车、洗衣等，减少给水所地下水抽取量。

3）利用地热井尾水用于冬季道岔融雪和厂区内道路融雪除冰，利用采暖设备进行道路融雪除冰已经在国内多处进行了有益的尝试，取得了一定的经验，使用效果不错，有效解决了冬季道路人工清扫费工费时和撒盐造成环境污染的问题，实施过程中结合道路规划合理布局采暖管道走向，利用采暖管道散热形成的温度场提高路面温度，达到融雪除冰的目的；利用地热井靠近线路的特点，将地热尾水引到钢轨岔区，为钢轨道岔加热，可有效解决冬季道岔除雪问题，此外冬季还可利用地热尾水加热钢轨，提高轨温，将从根本上解决钢轨拉断问题，减少工务部门线路维护工作量，压缩设备故障延时。

4 结论

地热能是可再生能源，但开采量要有严格的限制，利用对井回灌技术可保证地热井水位不再下降，加大房屋节能改造，降低房屋采暖热指标，可减少热水抽取量，地热资源可持续利用；增加天然气锅炉备用，提高单眼地热井供热可靠性；梯度开发利用地热井尾水，提高资源利用率，让有限的资源发挥最大的效益，从而改善肃宁北站铁路职工的人居环境，为公司运输生产提供保障。

[1]陆亚俊.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2002

[2]田彦法.地热能在某小区中的应用分析[A].见:山东省暖通空调制冷2007年学术年会论文集[C].2007

[3]刘联波.油田地热资源综合利用技术研究[D].北京:中国石油大学,2010

[4]王宏伟,李亚峰,林豹,等.地热能在我国的应用[J].可再生能源,2002,(5):45-47

[5]庄斌舵,陈兴华,刘光远.地热水回灌井内换热新技术[J].能源研究与利用,2000,(6):36-39