东营中深层地热在城镇居民集中供暖+设施农业项目中的应用

1概述

中国地热资源十分丰富以中低温地热资源为主适合用于地热供暖、地热种植养殖和旅游疗养梯级综合利用模式。北方地区是我国中低温地热资源发育最好的区域以地热供暖方式替代传统能源对缓解北方冬季大气污染问题有着重要意义。

通过中深层地热供暖技术是通过采水井从地下抽取中高温地热水在地面换热站内通过换热器将地热水中的热能提取后为城镇居民、周边高端设施农业及水产养殖业供暖释放完热量后的地热水通过回灌井全部回灌到地下做到取热不耗水。该供热方式可完全替代用于城镇集中供暖的燃煤锅炉供暖清洁环保节能减排可为国家“美丽乡村”建设助力。

2案例介绍

2.1项目概况

项目位于山东省东营市东营区项目所在地总供暖面积约2 5 2 4×1 04 m 2其中包括公建部分9 5 7×1 0 4 m 2居民部分1 5.6 7×1 04 m 2。该部分建筑最早采用2台1 4 M W的燃煤热水锅炉提供热源集中供暖。

该项目锅炉容量小燃烧效率低加之燃煤价格逐年上涨供热公司常年亏损靠当地政府和油田补贴维持运营为充分发挥当地地热资源优势2 0 1 9年当地政府决定采用中深层地热供暖方式完全替代2台1 4 M W燃煤锅炉。另外该项目周边建有1 8×1 04m 2设施农业包括花卉大棚以及蔬菜大棚地热水由换热站提取热量为当地居民及公共建筑供暖换完热后的地热水通过管道送到大棚内为1 8×1 04m 2设施农业继续供暖。

2.2热负荷分析

该项目所服务的建筑均为非节能建筑供暖末端均为暖气片参考《城镇供热管网设计标准》(C J J 3 4—2 0 2 2)同时考虑热网及供热站损失热量该项目供暖区域中非节能住宅建筑热指标(q1)6 0 W/m2非节能公共建筑热指标(q 2)6 5 W/m2。热负荷计算公式为

式中Qh为采暖设计热负荷(k W) ；q h为采暖热指标(W/m2);A c为采暖建筑物的建筑面积(m2)。

由于该项目为改造项目热用户的已趋于稳定根据统计该项目入住率基本维持在7 5%~8 0%因此该项目的建筑总热负荷按照采暖设计热负荷Qh的8 0%考虑建筑总热负荷为Q 1=Q h×8 0%=1 5 6 2 2.5×0.8=1 2 4 9 8 k W 设施农业大棚的采暖热负荷指标(q3)按照4 5 W/m2计算总热负荷为Q 2=q 3×1 8×1 04÷1 0 0 0=4 5×1 8×1 0 4÷1 0 0 0=8 1 0 0 k W

因此,该项目总热负荷为Q=Q1+Q 2=1 2 4 9 8+8 1 0 0=2 0 5 9 8 k W

2.3供热方案

项目区前期供暖方式采用燃煤锅炉房集中供暖采用中深层地热能供暖技术在原燃煤锅炉房内新建地热能源站替代原有燃煤锅炉供热系统供热管网和末端设施均可利旧。

根据当地地热资源分析报告显示当地主力热储层东营组地热资源丰富单井取水热储可达1 0 0 m成井深度约为2 0 0 0m热水温度可达8 0℃单井水量可达8 0 m3 /h该项目未采用热泵梯级利用技术地热水经多级板式换热器换热后直接回灌回灌尾温度3 5 ℃单井供热量4 1 7 6 k W钻探5口采水井、5口回灌井可以完全满足住宅、公建及设施农业的用热需求。项目工艺流程如图1所示。2 0 0 0 m左右的东营组热储中的地热水经深井泵升压后进入除砂器、汽水分离器进行处理除去地热水中的泥沙及可燃性气体然后进入布置于能源站内板式换热器热端进行一级换热温度由8 0 ℃降低到约5 2 ℃板式换热器的冷端温软化水在换热器内温度由4 5 ℃加热至5 3 ℃加热后的软化水经分水器后通过集中供热管网输送到用户供热末端。经过一级换热后的地热水通过设施农业供热管线输送到设施农业蔬菜大棚和花卉大棚内的换热站内通过板式换热器进行二次换热温度降低到约3 5 ℃后通过地热尾水回灌管线进入各回灌井内进行同层回灌。

该工艺在未使用热泵的情况下经过两级换热最大限度地利用了地热水的热量降低了地热利用过程的能耗提高了地热开发利用的效率。

3运营情况分析

3.1供暖效果

该项目于2 0 1 9年6月开始施工于2 0 1 9年1 0月3 0日达到供暖条件并于当年1 1月7日投入供暖运营。供暖初期及末期开启 3口取水井、3口回灌井即可满足供热需求供暖中期根据室外温度情况增加地热井开启数量。项目已经连续运行4个供暖季供热效果良好用户室内温度均高于1 8 ℃满足《山东省供热条例》对室内温度要求。

3.2回灌效果分析

该项目采用一采一灌的方式来设计即一口开采井对应一口回灌井。地热井及回灌系统采用公司自主研发无压回灌专利技术该技术在钻井设计及完井、工艺设备及材料的选择、化学助剂的针对性应用以及运行维保方面形成一整套完整的解决方案达到地热尾水在砂岩热储(如馆陶组、东营组等)能实现在采水井和回灌井数量为1 1的情况下实现1 0 0%无压同层回灌从而确保以灌定采的实施也不会形成加压回灌等方式对地层的破坏及不可持续性。在开采的过程中全程检测开采井及回灌井的水位、压力、流量及温度通过上述参数的变化判断生产及回灌的运行情况以确保1 0 0%达标回灌及整个系统的安全运行。

图2所示为2 0 2 1—2 0 2 2年供暖季项目开采量与回灌量对比曲线从图中可以看出5口开采井的日开采量与5口回灌井的日回灌量基本吻合开采量略大于回灌量的原因是因为开采井的流量计均安装于气液分离器及除砂器前段由于当地处于油区地热水中含甲烷、C O2等气体在进入换热站前需经过气液分离器除掉气体以免影响换热效果以及防止发生回灌气堵问题。

3.3经济效益分析

3.3.1收入

该项目住宅收费率约8 5%每平方米供暖价格为2 1元共建收费率约8 0%每平方米供暖价格为3 2元。因此居住建筑供暖费总收入G1= (1 5.6 7×1 04)×8 5%×2 1+ (9.5 7×1 0 4)×8 0%×3 2=5 2 4.7万元。

另外该项目向周边设施农业提供供热服务每千焦的单价为0 0 5元年总供热量约为1 1×1 08 k J收入G2=0.0 5×1.1×1 08  =5 5 0万元。

该项目的总收入G=G1+G 2=5 2 4.7+5 5 0=1 0 7 4.7万元。

3.3.2支出

该项目运营成本主要包括电费、人工费、维修费、矿产资源税、管理费根据实际运行情况每个供暖季运营成本统计如下

电费1 0 5 3万元人工费5 6万元维修费6 0万元(设备、地热井及管线维修)矿产资源税7 5万元管理费1 5万元合计总运营支出3 1 1.3万元。

3.3.3效益分析

该项目建设内容包括地热井、能源站及供热管线项目建设投资5 1 0 0万元项目毛利润约7 6 3 4万元静态投资回收期约为 6.6 8年。

3.4节能减排分析

该项目为燃煤锅炉替代项目燃煤锅炉机组已经拆除项目已经成功运行4个供暖季。根据运行数据测算该项目年供热量约2 2×1 04  G J按照标准煤热值2 9 3 0 7 k J/k g[《综合能耗计算通则》(G B 2 5 8 9—2 0 2 0)]、燃煤热水锅炉的热效率8 5%计算相当于每年可节约标煤量0 8 8×1 04 t减少二氧化碳排放量约2 1 6×1 0 4 t。本项目运行4个供暖季已节约燃煤3 5 2×1 0 4 t减排二氧化碳8.6 4×1 04 t节能减排效果显著。

4结语

通过对该工程案例的分析总结如下。

(1)该项目采用中深层地热能替代传统集中供暖方式项目建设投资较高但供热系统自动化程度高、能耗低排放少运营成本低项目投资回收期较短有显著的经济和环保效益。

(2)该项目采用自主知识产权回灌技术实现了同层达标回灌地热水的取热过程全部采用间接换热形式真正做到了“取热不耗水”也不污染地下水不会对地下水和地质结构造成破坏对地热能做到了安全、环保、可持续开发利用。

(3)采用中深层地热能完全替代传统燃煤热水锅炉供暖供暖效果得到当地百姓的认可彻底解决了供热公司靠政府补贴维持运营的局面。另外该项目同时为乡镇周边设施农业大棚提供廉价热源助力当地设施农业建设促进了当地地热能利用产业发展有显著的社会效益值得借鉴推广。