低温地热间接供热系统的优化

王冷琢 中国海洋石油渤海有限公司

一、绪论

（一）研究背景

随着人们的生活水平的提高，人们对生活舒适度的要求也不断提升，我国北方冬季供热需求量的增长可以反映出这点。在2020～2021年的供暖季，我国受大规模寒潮影响，多地刷新其历史最低气温记录，供热需求和供热压力大幅增加。全国煤矿日产量接近1200万吨，电厂日供煤量达到740万t，铁路煤炭日装车8万车，均为历史最高水平[1]。但以现有的能源利用技术水平，化石能源的开采与利用不可避免地带来大量生态环境问题，以京津冀地区为例，供暖季极易出现持续雾霾天气[2-3]，燃煤采暖产生的大量污染物严重影响着大气环境，极大危害着人们健康和生活[4-5]。因此，我国尤其是北方地区迫切需要推进发展清洁能源供热。截至2016年底，我国北方地区燃煤以外的供热方式，诸如天然气、电、地热能、生物质能、太阳能、工业余热等方式的供热面积总和仅占北方地区总供热面积的17%[6]。

我国大规模的开采地热水进行集中区域供热始于上世纪八十年代初期，目前水热型地热能供热技术已基本成熟，水热型地热能通过人工钻井或天然通道开采利用[7]，一般分为直接供热方式和间接供热方式，由于直接供热方式受地热水的化学成分、含沙量，结垢问题，水汽含量等诸多因素的影响与限制，水热型地热供暖方式的发展方向主要为间接供热方式[8]。

（二）研究现状

间接供热系统结构简单且发展成熟，这使得间接供热系统在各个领域的研究与应用比较广泛。刘晓敏[9]等从技术和经济角度对雄县地热水供暖模式做出了评价，雄县地热水供暖系统的建立以地热储层综合评价为基础，结合梯级利用技术，实现对雄县地热水的高效、清洁利用，梯级利用分为三级，其中第一级通过板换换热后的地热水温度降到48℃，可为暖气片用户提供45～60℃的热水。付效东[10]针对河南某中深层地热资源开采出的55℃，流量为100m3/h的地热水采取分级利用的模式，以热泵机组作为辅助，可满足变负荷地热供暖需求，其一级板换出水设计温度为37℃，二级板换出水温度为17.69℃。

换热器是地热间接供热系统中的关键设备之一，换热器的设计对地热系统能效、经济性起着决定性的作用。由于板式换热器具有传热系数高、末端温差小、结构紧凑、不宜结垢、维修清洗方便等优势，板式换热器在地热间接系统中普遍应用。此外，当水质中腐蚀性离子浓度较高时，还可使用如钛金属的特殊材质板换。潘旭等[11]利用均匀设计拟定数值模拟，通过回归分析得到了模拟范围内的板换最优结构参数，当波纹间距为5.7 mm、波纹倾角为110°、波纹深度为3.2 mm时，综合传热性能因子最大，换热器的换热性能较好，在理论上对于工程实践有指导意义。

计算机科学与技术的发展，为摆脱复杂的换热器设计计算、经验设计及经济效益问题的单纯设计等提供了有力的支撑工具。流体物性计算系统与流程模拟功能的结合，可实现对板式换热器及地热间接系统的优化设计。本文就地热资源建立了地热水间接供热系统，研究了换热器在不同出口温度下可获取的最大供热量，并利用软件优化设计了板式换热器结构，获得使换热器投资回收期最短的换热器出口温度。

二、理论基础

（一）地热间接供热系统

如图1所示，地热间接供热系统主要包括地热井、潜水泵、板式换热器。地热井内的热水通过潜水泵抽出，将热量通过板式换热器传递给供热循环水后进入下级热利用，下一级可采用二级换热器或热泵机组进一步降低地热水的回灌温度。在地热间接供热系统中，换热器的换热量（kW）可由公式（1）计算

式中：mh是进入板式换热器的地热水流量，kg/h；h11是换热器中地热水进水焓值，kJ/kg；h12是换热器中地热水出水焓值，kJ/kg。

（二）板式换热器

板式换热器三维示意图如图2所示，它由一个带夹紧螺栓或顶杆的框架和若干被压制成波纹的金属薄板组成，薄板上带有橡胶密封垫片。薄板经工艺加工使带有特殊的波纹以获取低流速下的高度湍流和高传热系数，同时还能增强金属薄板的机械刚性。薄板上的橡胶密封垫片起到密封和分配流体的作用[13]。

不考虑换热损失，对于水-水单相流体换热的板式换热器换热量为：

式中：mc是进入板式换热器的循环供热水流量，kg/h；h21是循环供热水供水焓值，kJ/kg；h22是循环供热水回水焓值，kJ/kg。

式中：t11、t12分别是地热水进水和出水温度，℃；t21、t22分别是循环供热水进水和出水温度，℃。

板式换热器的传热面积F（m2）为：

其中，K是换热器总传热系数，W/(m2·℃)。

在板式换热器中，流体对流传热系数可通过一系列由经验得出的关联式计算，在关联式中，不同的换热工况、板型对应不同的系数或指数，K值综合了各段的对流传热系数，可最终计算得到传热面积。传热面积是板式换热器的重要指标之一，板换的投资成本会随传热面积的增大而增加，对于一个简单的间接换热系统，换热器的投资成本在一定程度决定系统总投资成本。

三、模拟建立

以某地热资源为基础，地热热水温度为95℃，水流量为80t/h，地热与供热循环水换热为散热片用户供暖，供热循环水供回水温为75℃/50℃。模拟中，物性数据来自B-JAC物性包；换热形式采用两股流逆流换热，冷流自下向上流动；考虑高温、高氯的换热工况，板片材料选择钛板，具有优异的耐腐蚀性能；在热源条件下为强化传热性能，板片形式可采用普遍应用的BR型，板片V字角度为45°，BR型板片如图3所示。以最小换热面积为优化条件，利用软件优化设计换热器结构尺寸，并校核设计结果。

四、结果分析

热源为95℃，80t/h的地热水，换热器留有10℃以上的窄点温差，模拟第一级换热器出口温度在60～85℃范围内的换热量。如图4，当换热器出口温度从85℃下降至60℃，换热器的换热量从932kW增加至3257kW，供回温度75℃/50℃的循环水流量从32t/h增至112t/h，若按一般住宅采暖热指标60W/m2，每吨标准煤600元计算，供热面积由1.6万m2增至5.4万m2，一个供暖季可节约费用由19.8万元增至69.2万元。

换热器出口温度的降低可以增加换热量，提高资源利用率，带来更大的收益，同时对换热器的要求也会提高。图5反映出换热器出口温度对换热器窄点温差和对数平均温差的影响，随着换热器出口温度的下降，换热器窄点温差和对数平均温差均减小，这对换热面积的增加起正向作用。

对第一级换热器出口温度为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃和85℃的地热间接供热系统中的换热器分别进行优化设计，分别得出各工况下换热器的最优结构尺寸、估算投资成本，并计算换热器的回收投资期。如图6所示，研究结果表明换热器出口温度由85℃降至60℃时，有效换热面积由17.38m2增至98.98m2，投资增加了近5倍。由于利用地热带来的工人节约费用和换热器投资成本均随换热器出口温度的增加而增大，换热器的投资回收期呈现出先缩减后延长的态势，且在换热器出口温度为75℃时能达到最短的投资回收期。

五、结论

本文通过流程模拟研究了地热水间接供热系统，获得换热器在不同出口温度下可获取的最大供热量及供热情况，当换热器出口温度从85℃下降至60℃，换热器的换热量从932kW增加至3257kW，供热面积由1.6万m2增至5.4万m2；对地热间接供热系统中的换热器进行优化设计，得出各工况下换热器的最优结构尺寸和回收投资期，结果表明：在工况范围内，地热系统第一级换热器出口温度为75℃时的换热器投资回收期最短。