地热资源充分利用的相关技术研究

李 博，李 力

（天津地热开发有限公司，天津 300381）

地热资源充分利用的相关技术研究

李 博，李 力

（天津地热开发有限公司，天津 300381）

地热是一种非常重要的清洁能源，采用地热供热可以有效缓解我国北方热源严重不足、化石燃料短缺以及供暖季节雾霾严重等问题，但目前多数建成的地热供热系统难以充分利用这种可再生能源。为此，本文结合天津市金谷园地热利用示范项目，就如何建立一个高效可充分实现地热资源利用的地热供热系统展开了深入研究，相关研究成果对有效缓解目前北方地区集中供热热源严重不足等问题，具有一定的理论和实践参考价值。

金谷园项目；地热利用；地热供热系统

随着我国城市化进程的不断加快，化石能源日益短缺，而雾霾等环境污染问题日益加重。党的十八大明确将生态环境建设纳入“五位一体”的国家战略，地热等清洁可再生能源成为我国北方城市供热采暖的重要选择之一[1]。我国地热资源储量丰富，但是地热资源开发利用程度不高，开发潜力巨大。利用地热资源进行供暖，是对地热资源最直接的利用方式。利用地热采暖、供热，不仅可以优化能源结构，减少化石燃料消耗，而且能大量减少有害气体（氮氧化合物）的排放，减少酸雨的形成，并对减轻雾霾污染有着非常重要的作用[2]。值得注意的是，地热作为宝贵的可再生能源，在实现资源保护的前提下建设一个地热资源充分利用的系统是十分重要的。下面笔者就以天津市金谷园地热利用示范项目为例，就如何建设一个高效、实现资源充分利用的地热系统展开一定深度的探讨。

1 金谷园地热项目简介

1.1 金谷园地热项目建设背景

金谷园地热系统建于金谷园煤改燃供热中心院内，金谷园煤改燃供热中心位于天津中心城区南部，供热中心设置了4台58 MW燃气热水锅炉，对外供热面积约为300万m2，年燃气耗气量接近3 000万m3，单纯使用天然气供热情况下，该供热系统面临严重供气与供热安全保障压力，供热系统依靠政府补贴维持，经济性较差。

经勘查，金谷园供热中心总占地面积3.6万m2，场地较大，具备打井施工条件，同时项目所在地构造位置属于Ⅲ级构造单元沧县隆起的次级构造单元双窑凸起内。根据资料可以预测，该区域蓟县系雾迷山系，资源条件良好，地热井井深应在2 900～3 100 m，地热水温应在73℃～77℃，出水量在80～100 m3/h，具备地热开发条件。

由于地热供热运行成本较低，人们考虑在该供热系统中建设一套地热系统，实现地热+燃气锅炉系统联合运行，以提高整体供热系统的安全性，改善系统的经济性。

根据地热水温水量的初步测算，按照电热泵技术路径，地热供热系统装机约为8 MW，而锅炉房内部设有一座为周边约40万m2小区供热的换热站，换热站装机约为20 MW，二次系统总流量约为1 200 m3，且在极寒情况下，二次回水最高温度45℃。考虑加热较低的二次水更有利于热泵的高效率运行，40万m2供热的最低负荷也需要8 MW，项目最终确定以40万m2的供热系统回水作为地热系统的加热对象。

1.2 系统建设的主要内容

项目主要包含能源站土建工程、能源站站内能源系统、室外能源系统工程。其中，能源站土建工程包括地上470 m2土建工程；能源站站内能源系统工程，主要包括板换机组3台，热泵机组2台；室外能源系统，主要包括地热深井2座和相关管道工程。

2 项目应用的核心技术介绍

2.1 金谷园地热项目主要采用的技术

2.1.1 地热回灌技术

地热回灌技术是将直接打井后抽取的地热水经过一级或多级利用后温度降低的地热尾水或其他水源通过热泵机组再次提取热量后，将地热水再重新注回热储层[3]。回灌的地热尾水和其他回灌水在热储层中经过与地热流体混合，并和热储层中的岩石骨架进行热交换，温度升高，可以再次循环利用。金谷园地热项目采用了“对井回灌”，即打两眼地热井，确定其中的一眼为开采井，另一眼为回灌井，做到对地热资源同层百分百回灌，只取热而不取水。

2.1.2 梯级利用技术

梯级利用技术，就是高质能源的能量不一定要在一个设备或过程中全部用完，因为在使用高质能源的过程中，能源的温度是逐渐下降的（即能质下降），而每种设备在消耗能源时，总有一个最经济合理的使用温度范围。这样，当高质能源在一个装置中已降至经济适用范围以外时，即可转至另一个能够经济使用这种较低能质的装置中，使总的能源利用率达到最高水平。具体落实到地热工程中，就是根据地热资源温度高、富含丰富的矿物质等特点，多梯次利用地热资源[4]。这种方式增加了地热资源供热能力，提高了地热资源利用率，降低了地热水的排放温度，从而有效地节约和保护地热资源，提高了经济效益，避免了热污染和环境污染，资源的效能得到了充分发挥。

地热系统的技术路径及思路直接影响地热资源的利用率以及节能减排效果。

2.2 金谷园地热系统分析及系统图

在金谷园地热系统中，人们采取了地热侧一级板换+两级热泵串联梯级利用的方式，基于最大程度保证系统经济运行，是实现地热资源充分利用前提的认识。同时在项目中，人们对若干热泵厂家的设备做了遴选对比和精心大胆的选型，最终项目的首级热泵在设计参数情况下COP值可达9.3，二级热泵设计在参数情况下COP值为5。

地热系统总装机容量8 200 kW，作为40万m2供热区域的基础热源，可以保证地热供热系统在全采暖季实现满负荷运行，让地热资源得到最大化利用；地热水百分之百回灌，全采暖季回灌温度达到15℃以下，经测算地热系统年输出热量可达8万GJ以上，可节省燃气消耗240万m3以上。该系统能够在集中热源不扩容、能耗不变的前提下提高热网的总体供热能力，而增加的这部分热量全部来自于低品位、可再生的地热能，这样可大幅改善集中供热系统的能源利用效率及经济性，减少污染物的排放[5]。其系统图如图1所示。

2.3 主要设备选型表

一级高效热泵机组如表1所示，二级热泵机组如表2所示。

3 金谷园地热项目技术效果分析

金谷园地热项目实现了高效地热供热系统与燃气锅炉系统的联供，采用了地热回灌技术和梯级利用技术，这不仅有效地达到了节能减排的作用，而且大幅改善集中供热系统的能源利用效率及经济性。

3.1 系统经济运行分析

经过2016-2017采暖季，地热系统正式实现运行，金谷园地热系统实现对外年供热量8.653 26万GJ，日平均产热量650 GJ，较常规情况增加对外供热量70%；系统采暖季耗电量为240.005 24万kW·h；系统整体COP值为10.1。项目充分考虑与既有燃气供热系统的技术结合，充分利用地热热泵系统实现地热尾水的梯级利用，地热尾水回灌温度基本实现在全采暖期以15℃以下回灌（见图2），做到对地热资源的充分利用。

图1 金谷园系统图

表1 一级高效热泵机组

表2 二级热泵机组

3.2 节能减排成果分析

金谷园地热中心年节省天然气消耗量大约为260万m3，可节约标准煤4 600 t，减少环境综合治理费用大约120万元；可以减少二氧化硫259.5 t，氮氧化物129.75 t，二氧化碳8 625.78 t，粉尘排放量2 352.8 t，节能减排效果显著。

图2 金谷园地热供热站出水水温图

4 结论

金谷园地热供热的工艺方案设计遵循“技术先进、环保节能、经济合理、安全可靠”的基本原则，充分利用地热资源，通过合理规划采暖方式和采用热泵技术等方式，降低地热回灌温度，实现地热梯级利用，提高地热利用率。通过金谷园项目的应用研究，笔者主要得到以下研究成果。

（1）以地热供热系统为基础热源与传统热源联合运行是最大化利用资源的技术保证。改变地热小区域的使用模式，将地热资源与城市大热源联合运行，地热供热系统作为大区域的基础热源使用，使得地热供热能力得到最大限度发挥，地热回灌温度全采暖季可达到15℃以下，极大提高了资源利用率，同时也提升供热系统安全运行稳定性。

（2）实现地热系统的采灌结合是在保护中开发地热资源的关键。项目在对地热资源充分利用的同时对利用后的地热水全部回灌，实现地热资源采灌结合，以灌定采，同时金谷园地热供热站还采用地热间接供热方式。一方面，它可以避免地热流体对供热系统的腐蚀，延长系统使用寿命[6]；另一方面，可以实现地热原水回灌，减少地热流体直接排放造成的环境污染，节约排污费用，实现地热资源的可持续开发。

（3）选择高效热泵机组提高地热系统的运行经济性，是最大化资源利用的经济保证。项目选择的一级高效热泵机组设计参数情况下COP值为9.3，对一个采暖季实际运行情况分析汇总，该台机组采暖季最高COP值为11.2；是保证整个地热系统COP值达到10.1的关键，按照天津大工业电价0.8元/kW·h及天津地热水资源税价格0.6元/t测算，金谷园地热系统输出热量8.653 26万GJ，耗电量240.005 24万kW·h，地热水量28.279 6万t，其燃料成本为1 GJ/24.1元；经济性大大优于燃气供热系统燃料成本，为最大化实现对地热资源的开发利用提供经济保证。

1 方修睦，周志刚.供热技术发展与展望[J].暖通空调，2016，（3）：14-19.8.

2 齐学玲，穆 浩，齐金生.地热供暖系统经济性模型设计[J].暖通空调，2011，（3）：112-117.37.

3 施润亮.日喀则地区多能互补供热系统的应用研究[D].重庆：重庆大学，2016.

4 齐学玲.基于改进遗传算法的地热采暖系统经济优化评价方法研究[D].天津：天津大学，2010.

5 董君永，王丽晓.浅议采用热泵技术梯级利用地热尾水实施城市集中供热[J].区域供热，2010，（1）：22-26.39.

6 陈宏振.徐州市集中供热的经济性比较研究[D].西安：西安建筑科技大学，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，助理工程师，研究方向：地热供热开发与利用。