浅析中深层地热能梯级利用

崔雷 雷伟 樊磊

摘要：近年来，随着生活水平的提高，当地居民对供暖的需求增加，尤其是大量新建建筑。然而，最初的燃煤供热导致了严重的空气污染，燃气供热面临着气荒及运营成本高等问题。地热能作为一种清洁的可再生能源，得到了广泛的认可，但如何提高地热能的利用效率显得尤为重要。采用台式换热器+热泵机组供暖系统，提高地热水利用率。

关键词：中深层地热能;采暖;梯级利用;板式换热器;热泵技术

随着经济的不断改善，人们的生活环境也在不断改善。供暖和制冷能耗约占社会总能耗的25%～30%，导致能源不断减少，环境不断污染。因此，中深层地热能的利用逐渐进入人们的视野。目前，中深层地热能利用技术主要包括以下几个方面：

1常见中深层地热能利用技术

（1）“保水取热”换热技术。该技术为闭式循环换热技术，具有只取热不取水的特点。它可以有效地保护地下水资源，减少地下水资源的浪费。

（2）水热型地热技术。这项技术的目的是直接抽取地下水。地下水中的热量通过换热器传递到所需侧，这大大提高了换热效率。

（3）废弃油田改造地热井换热技术。通过地热井改造，达到“变废为宝”的目的，节约了钻井的人力物力，为中深层地热能的开采提供了便利条件。

（4）中深层地热能热管换热技术。将一定量的液体工质注入封闭的真空管中。液体工作介质在热管底部蒸发和吸收热量，并变成气体。气体工质自发地流向热管顶部，并冷凝和释放热量。冷凝液在重力作用下返回热管底部，从而将热量从热管底部，即几公里深的地热储热器，持续传递到热管顶部，热管顶部是供地面使用的热利用设备。

（5）强化地热换热技术。该系统主要提取干热岩石的热量。干热岩是一种深部地热储层。为开发利用干热岩，提出了强化地热换热系统的建议。这项技术在国外被广泛使用。

由于前三种中深层地热能利用技术应用最为广泛，本文将分析前三种技术的工作原理和特点，描述中深层地热能利用技术的研究进展，讨论和分析存在的问题，并对该技术的未来发展趋势进行了评价。

2地热梯级利用系统研究

2.1地热梯级利用原则

目前，由单组或单个加热装置产生的温降是有限的，因此在热交换后，地热水直接流动（或重新增加）。为拓宽现有地热水温度范围，提高地热能源消耗，换热器可从高温到地温连续运行，满足多种用途和使用条件，逐步提取和利用地热流体温度，使地热流速下降水被直接释放（或重新排放）。这种充分利用地热能的方式称为地热套管系统。

如表2.1所示，重要的是要注意许多热交换器（或位置）需要温度限制。

发电或加热后的地热尾水温度仍在30～40°C左右，可充分利用，如水产养殖、灌溉等。

地热梯级系统的原理如图2.1所示。地热水从井中抽出后，经过一次换热器、二次换热器和最终换热器。由热交换器产生的热量然后返回到每個加热装置。地热水流水被充分加热并最终以所需温度重新进入地下。

2.2与传统加热方法的比较

与传统的供暖系统（如城市集中供暖）相比，地热套管系统的使用更为复杂，原因有三。

（1）地下水富含矿物质，水质复杂。它通常含有高含量的硫或氯、硫酸盐、游离二氧化碳、硫化氢等物质，会损坏金属并导致设备堵塞。因此，地热水经过水处理后可用于供暖系统，换热器必须采用与地热水直接接触的防锈材料（如钛塑换热器）。

（2）一般来说，传统的供暖系统可以绕过换热器传热水。在地热套管系统中，热源来自深层水，因此泵站需要大量电力。因此，加热设备只有多级加热才能体现经济和节能。

（3）地热尾水处理不同于常规供热方式（如热源尾水源热泵应只流向江河湖泊，基本上是热源。封闭系统不耗水，热源尾水处理等），地下水有两种方法：直接排水和回灌。

流体是地下水资源的浪费，不满足“传热”，但富含地下水的重金属环境污染了周围的土壤。

地热修复对于处理地热废水、提高或恢复换热器的蓄热能力、维持储存流体压力和维持地热场矿物条件具有重要意义。这是国家使用地下水的强制性要求。地热复位参数分为同井重插、井间重插、B2～B4井组重插三种。然而，康复能力严重受损，这是一个亟待解决的问题。

3地热供暖项目概述

总建筑面积17702.5平方米，分为东、西两部分。该地区的建筑活动主要是住宅、商业和办公室工作。大厦东部共有19栋，其中住宅区、商业区、办公区和酒店区共96813平方米，分别为69721平方米、6988平方米、6267平方米和14287平方米，其中一栋楼高67.6米。

地热供暖项目已运行3年，主要功能为冬季供暖。目前地热能的利用情况如下。为了增加系统的制热能力，建议在主给水管和回水管之间安装水泵，以增加寒冷冬季的制热能力。

4地热系统优化设计方案

我们可以从以下三个方面对原有的地热供暖系统进行优化：①扩大供热能力;②减少地热水的开采;③扩大系统或关键加热设备的传热能力。

4.1设备选择

（1）一次直供板式换热器

板式换热器是地热站的主要处理设备之一。它将热量从高温地热水转移到相对冷的二次网络热水。该垫圈用重叠和压缩螺栓和框架密封和压缩。板片和垫片的平孔构成液体分配管和收集管，将冷热液体分开，让它们流过板片两侧的通道，在板片内进行热交换。根据工艺流程和计算计算，主直供板式换热器的传热能力为4186.8kw。考虑到余量条件为1.25，建议选择两台换热能力为2650kW的平板换热器。主侧进水温度55°C，主侧出水温度37°C，温差18°C，副侧进水温度35°C，副侧出水温度45°C。°C根据地热井水的质量，为保证传热效率和板的使用寿命，首选钛板。

（2）二次板式换热器

根据工艺流程和参数计算，二次板式换热器的换热能力为4490.56kw。二次热交换器和一次热交换器侧面的二次热交换器之间的温差被认为是17℃，二次热交换器和二次热交换器侧面的二次热交换器之间的温差被认为是17℃，二次热交换器侧面的一次热交换器和二次热交换器之间的温差被认为是17℃，二次热交换器和二次热交换器侧面的二次热交换器之间的温差被认为是17℃，钛板也被选用。

（3）热泵机组

热泵机组是一种以水为热源进行制冷/制热循环的热泵式一体化水冷装置。制热时，第二板式换热器可将低温地热水的热量间接散热，插入热水中。在冷却过程中，冷凝器水释放的热量进入冷水。热泵机组主要是蒸汽、调节器、压缩机等。据计算，低温热泵机组需供热5613.2kw。根据样品选择2台2850kw热泵机组。根据市场热泵型号，热泵为5台，制热输入功率570kW，蒸汽侧入口23℃，蒸汽侧出口15℃，温差8℃，调节器进口35℃，冷凝器输出45℃，温差10℃。

（4）一级板换直供循环泵

循环水泵用于输送热水。站内是用于克服管网末端和管网外水流阻力的机械装，。一般采用一级离心泵。循环泵分为立式泵和卧式泵。固定泵的优点是占地面积小，安装方便，卧式泵的优点是易于维护。根据现场的具体情况，本设计首选立式循环泵。经负荷分析，一次传热负荷为4186.8kW，供回水温差10℃，下部供暖水流量360m3/s。图片中给出的第二个管网的数据不是很好的回路压力损失300kPa。根据水泵选型标准，换热泵设计流量为系统计算的1.1倍，提升系统压力为1.2倍。计划选用3台循环水泵，流量200m3/h，扬程38m，电机30kW。

4.2混合热水箱安装及运行调节优化

（1）加入混合热水箱

在优化实践中，必须遵循充分利用现有系统或工具来体现经济性的原则。由于污水泵为定频泵，调节方式可以开启和关闭。为了确保改进和改进的供暖系统在节约水资源方面具有经济可行性，提出了一种改进的混合热水箱选择方案。数值热水经过串级系统处理后，温度相应升高，地热尾水有以下两种处理方式：①如果判断地热尾水温度符合设计要求，则应重新注入尾水;②如果地热尾水温度达不到设计要求，将尾水并入混热水箱循环利用，直至达到相应的温度值回注。

现在已知地热水供应t为57c，M为150m2/h，m2为水混合容量，体积比热容量设定为常数，C为4.187kj/kg·℃。如果系统运行期间承受的热负荷为36443kw，经计算，T3为37℃。然后建立了供暖用户设计供水温度（T2）函数。通过分析发现，在T2能达到的温度范围内，随着供水温度的升高，火灾蓄积耗散趋于减小，说明T2越高，火灾蓄积耗散越低，系统的传热效率越好。

选择换热器后，当热流恒定时，系统的散热量与冷热流体的热容成反比关系。根据计算，当m1=m2=150m3/h时，将水源热泵额定状态下热源水端蒸发器进出口温差设为8℃，单个蓄热单元的制热量为1396kw。为了满足余热用户的实际供暖要求，在供回水温差恒定的情况下，可以增加蒸发器侧的循环水流量，选择水源热泵系统机组，以满足余热用户的主观需求。随着热源端过程温度指数的增加，机组的cop也相应增加，表明机组的热容量增长率大于输入功率的增长率。这表明提高机组热源水温有利于提高热泵机组的供热性能。本方案拟选用GVHG1000水源热聚合装置，对22℃进水湿度进行修复后，判断修正后的供热能力满足余热用户的供热需求。

（2）操作规程

为了更好地控制地热水回注温度指标，在改造优化期间，将未达到预定回注温度的地热水尾水重新纳入换热系统进行热提升处理。具体操作方法总结如下：

在热水混合池的热水供应和地热尾水管线与水源端潜水泵之间安装一套150m3蓄水池。“供水”和“回水”分别与一次热用户的供水管和地热尾水管相连。在将热交换器连接至蓄水池的管道上方设置温度控制三通阀。其功能是将温控三通阀的温度调节在15～18℃之间。如果发现回水温度低于15℃，必须断开搅拌支管阀口，启动排水支管阀口，将水从蓄水池中排出;如果检测到水库水位下降到初始水位的1/3，则需要启动供水潛水泵补充水库中的水;如果检测到回水温度>18℃，关闭排水支管阀口，启动混合支管阀口。关闭供水潜水泵的标准是水库水位等于补水处理后的初始水位。建议安装一套潜水控制柜，水源侧潜水排污泵选用恒频泵。

（3）地热供暖改造

结合相关数据的分析结果，规划了改造方案，该方案在提高供暖系统传热性能方面具有较高的效率。经过改造和优化，地热供暖系统分为两个梯度应用，同时轮流承担36445kw的负荷，系统的换热能力显著提高。板式换热器和水泵的设计参数分别见表4.1。

为了明确优化后的供暖系统和传统系统在实际运行中的排污压力，并比较污染源，可以比较污染物的数量。本文主要以中深层地热水为热源。与以往锅炉房集中供暖方式相比，可显著减少煤炭资源投资，减少二氧化碳等污染物排放，节能环保，符合国家倡导的节能减排政策。

结束语

在优化地热水系统的过程中，应遵循扩大地热能有效温差、减少地热水开采的原则。通过调节地热井出水量、回注水温或换热器低温侧出口温度，可以达到优化目的。在原有供暖系统中增设混合热水箱，可以建成运行效率更高的地热梯级利用系统。有利于节约水资源，提高整体供暖效率。

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