地热 - 曾梅香:天津地热供暖技术与问题思考
曾梅香:天津地热供暖技术与问题思考

 

地热  加入时间:2018-12-18 13:00:56  来源:能源研究俱乐部  

  一、天津市地热供暖历史与现状

  20世纪70、80年代,天津市居民冬季供暖主要采用家用小煤炉,由于大量燃煤,大气污染严重。至80年代中期,《国务院环境保护委员会关于防治煤烟型污染技术政策的规定》要求,“城市建设部门,在采暖地区的规划中,要把联片供热作为住宅的配套设施,同步设计和施工。要限制建造分散的供热锅炉房,严禁在新建住宅区用小煤炉取暖”,天津地热区域供暖才有了新的发展契机。

  天津地热供暖起步较早。20世纪60年代,南部地区大任庄红旗养鸭场就开展了地热供暖和洗浴的试验工作;中心城区的天津宾馆利用一眼新近系热储层水温为40℃的地热井,在冬季通过将地热流体注入锅炉加温后供给宾馆内1000多个房间供暖和洗浴,每年节煤约3000吨。经过70年代初的“天津地热会战”、80年代初的联合国政府开发计划署和意大利、罗马尼亚等政府的国际、国内资金和设备援助,天津地热利用已经具备较先进的技术基础。1982年,天津市热力公司利用奥陶系热储层地热井进行地热供暖试验,通过间接换热方式为体院北小区地区3万平方米居民住宅和办公楼供暖,这是天津市第一个地热区域供热工程;同期,粮食学校利用以龙山组热储层为主的地热井热流体直接为近1万平方米的校舍供热。这两个项目的实践证明,地热供暖效果良好,供暖期建筑室温可保持在16℃~20℃。经成本核算,虽然地热供暖钻井工程初投入高,但运行成本低,与锅炉供热总成本比经济上是合算的。这些早期项目所进行的应用技术研究和地热相关设计为天津地热供暖逐渐向规模化发展奠定了基础。

  近30年,随着地热相关设备、材料的技术进步,地热管理中问题导向的工艺改进和经济因素促进的技术革新,天津地热供暖技术和管理逐步由粗放向节约集约化发展。截至2017年底,天津市共有不同深度地热井683眼,服务于供暖、生活用水、温泉康乐和设施农业等不同行业,其中供暖是最大最主要的产业。全市有221眼地热开采井用于供暖,利用地热资源进行供暖的单位有132家,体量达到496个(涉及395个居民小区和101个公共建筑),年利用的地热流体量4093万立方米,占年度地热开采总量的82.2%,为全市提供了约1.2×107GJ/a的热能。地热供暖总面积3500万平方米,占全市集中供暖面积的8%。以天津市目前25元/(m².a)的供暖收费标准计,仅供暖一项每年就可创造6.75亿元的经济产值。地热资源开发的社会效益显著,一个地热开发项目可解决10~200人劳动就业,增加了职工收入,同时可带动房地产及其他相关产业的开发,促进基础设施及其他产业的发展。不但可节约常规能源,在一定程度上缓解其紧张状况,提高人民的生活水平和质量,改善投资环境,促进地区经济的可持续发展,而且地热资源具有绿色环保、污染小的特点,其开发利用可以有效减少常规燃料的需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量,节约了城市污染的治理费用,并相应减少城市运输量,有效地保护了生态环境,有十分明显的环境效益。据初步测算,天津市每年利用地热可替代标准煤约50万吨,减排二氧化碳100万吨以上,为“美丽天津一号”工程,创建“环保模范城”做出了突出的贡献。

  二、地热供暖技术

  1.地热直供

  地热直接供暖方式是指地热流体直接通过热用户,然后排放或回灌。这种供暖方式设计结构简单(图1),天津早期自发的地热供暖试验基本采用的是这种直供方式,那时通常地热流体经过一级散热器供暖后就排放了,受散热器利用温差的影响,地热排水温度一般在50℃左右。为了解决排水温度过高的问题,技术部门研发了一种STZ温控阀,控制地热回水温度,加大了地热利用温差,建立了一种新型地热直接供暖系统(图2),形成相对密闭的地热直供循环系统,地热利用率显著提高。

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图1早期地热直接供暖系统

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图2新型地热直接供暖系统

  一般采用地热直接供暖方式存在限制条件。一是热流体的腐蚀性致使供暖设备管网的使用寿命降低;二是地热管网系统的结垢影响散热性能,降低有效热利用率;三是直接式地热供暖系统的水力调节性较差。但地热直供也有明显优势:温差损失小、供暖效率高、初投资少等。

  2.地热间供

  间接式地热供暖系统(图3)与直接式不同,热流体不直接通过热用户散热器,而是通过换热器,将热量传递给供热管网循环水,温度降低后的地热流体回灌或排放掉。由于地热流体不经过供热管网,热用户中只是循环水,散热器的腐蚀性保护比较容易做到。同时,供热管网的循环泵由于主要是为了克服循环系统的沿程阻力,系统压力也比较稳定,在大规模集中地热供暖中通常采用这种间接式供热系统。缺点是由于增加了换热器,循环水进入热用户的温度会比地热流体的出水温度低,两者之间的温度差反映换热器的温度损失。

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图3地热间接式供暖系统

  换热器是地热间供系统的关键设备。地热工程中主要采用的钛合金板式换热器,它具备传热性能好、结构紧凑、使用灵活性大、清洗维修方便等特点。

  地热间供系统最主要的特点是“取热不取水”,利用换热器提取地热流体中的热能,流体不参与循环没有被污染,避免供暖管网和末端设备的腐蚀。换热后将作为热能载体的地热流体经过水质净化后回灌,注入原热储层中,形成地上地下相对封闭的热循环系统,达到只利用热能而无耗水、可再生、可持续利用的目的。现在,天津市地热供暖基本采用这种“地热间供和回灌式开采”的模式。

  3.梯级利用

  能源的梯级利用包括按品位用能和逐级多次利用两个方面。

  地热梯级利用就是根据热流体的不同温度进行逐级利用。高温地热能首先用来发电,之后被用作工业烘干、农业育秧养殖、建筑供暖等等,最后较低温度的热流体用来洗浴等,经过一系列的利用,尾水达到20℃左右,这样就最大程度的利用了地热。必要时可用热泵来提高热源的温度品位后再加以利用,利用热泵可使地热尾水温度降至10℃左右。不同的企业对能量的等级要求不一样,可以根据各用能企业能级需求的高低构成能量的梯级利用关系(图4),高能级热源经上一级企业使用后降为低能级热源,供给需求低的企业使用。能量的梯级利用能够有效地满足各单位的用能需要,而不增加能源消耗,极大地提高了能源利用率。

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图4中低温地热梯级利用层次

  梯级利用是中低温地热利用的重要原则,采用地热梯级利用可以增大地热利用温差,降低地热流体排水温度,提高地热能的利用率。地热梯级利用的方式主要包括:供暖方式梯级利用、热泵、地热综合利用三种。天津市地热供暖末端主要方式包括散热器、风机盘管和低温地板采暖三种。温度为70℃~100℃的地热流体通过板换后用于供暖,经过传统散热器用户、风机盘管用户进行一、二级热量利用的尾水,水温降至55℃左右、45℃左右、38℃左右后采用热泵等新技术、新工艺再次为地板辐射用户供暖,地热尾水温度可降至10℃左右,尾水大部分进行回灌。部分尾水也可根据需要为居民提供生活用水,还可以为温泉疗养、保健以及休闲娱乐等综合领域供水,从而又带动了温泉旅游以及餐饮宾馆等服务行业的地热产业发展。

  (1)供暖方式梯级利用

  根据建筑供热需求,采用不同采暖方式是地热供暖首选的梯级利用方式。

  散热器供暖属于地热梯级利用的高温段,设计供水温度上限95℃,下限可低至65℃,合理利用温降为20℃~25℃,散热器的出水温度在45℃以上。一般增加散热器面积,可以增加地热的利用温差,但是由于供热平均水温降低会使散热器的放热能力下降,因此,散热器的设计出水温度不能过低。

  空调中常用的风机盘管具有传热表面积大、传热效果好的特点,常用于公建供暖和制冷,一般用地热供暖的中温段50℃~60℃,进出水温差为5℃~10℃。

  低温地板辐射采暖就是通过在地面下敷设热水输送散热盘管,利用地面自身的蓄热辐射而将热量向地面上的空间散发的一种供暖方式。它是利用地热、太阳能或各种低温余热作为热源对房间的热微气候进行调节,属于建筑节能技术,具有很大的发展前途和推广价值。低温地板辐射采暖相比其他方式具有很多优点:1)节约能源;2)良好的热舒适性;3)可实现“按户计量、分室调温”;4)节约室内面积,灵活布置室内空间;5)投资小,技术成熟。钢管、陶瓷管、铜管、PB塑料管、硬聚氯乙稀塑料管、交联管等新材料都可作为地板辐射采暖的加热管。

  低温地板辐射采暖方式在天津市已经非常普及,它是以温度不高于60℃的热水为热媒,在加热管内循环流动,加热地板,通过地面以辐射和对流的传热方式向室内供热的供暖方式。地板采暖以整个地面作为散热面,使室内气温在水平和垂直方向上的分布均匀,热量从地面向室内空间散发,室内上层空间的温度较低,人体舒适感良好且比较节省能源;地板采暖设计供回水温差不宜大于10℃,平均温度从55℃到35℃都是比较适宜。因此,地板采暖是重要的低温采暖方式,可将散热器采暖的余热再利用,最多可以串联三级使用:60℃/50℃,50℃/40℃,40℃/30℃,适宜用作地热梯级利用的中低温段。对于采用地热作为热源的供热系统,换热后的地热尾水温度通常在40℃~50℃,最适宜采用地板辐射采暖进行梯级利用。

  (2)热泵

  热泵是地热梯级利用的特殊工具,一方面可以吸取地热采暖尾水的热量,使尾水温度进一步降低,实现地热余热再利用;另一方面,将热泵压缩转变成的高品位热能用于系统采暖,扩大了地热采暖规模,实现地热采暖尾水由余热利用向采暖转移(图5)。借助热泵地热采暖系统突破了地热梯级利用的温度界限,使余热采暖成为现实。从技术上讲,利用水源热泵使地热排水温度降至当地年平均室外空气温度以下是可行的,因此,地热利用率可以超过100%。

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图5水源热泵作用

  (3)地热综合利用

  地热综合利用要求的热流体温度相对较低,如温室种植、水产品养殖、游泳、洗浴、灌溉、治疗以及融雪等地热流体的高附加值利用。

  三、天津市地热供暖典型实例

  1.地热梯级利用示范工程

  天津市历史上形成的许多地热单井,利用后的尾水直接排放,且温度较高,对市政排水处理系统及区域水生物产生不良影响。最近几年,积极推广梯级利用技术,在新建地热供暖项目中,通过热泵、地板采暖等技术充分利用热能,努力降低尾水温度,不断提高了地热热能的利用率,从而获得理想的经济和社会效益,实现资源高效、节约集约利用。目前,全市采用梯级利用技术的单位占全部地热利用单位的20%。另一方面通过资源整合以及“批新井、带老井”等管理措施,增补回灌井,新审批的地热项目承担原有地热单井的回灌义务,提高地热流体整体回灌率,减少直接排放量,甚至做到零排放(图6)。

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图6梯级高效利用工艺应用效果

  河西区珠江道储运公司的地热对井是梯级利用的典型示范工程。1996年项目刚建成时地热井只满足了10万平方米的民建供暖,虽然实现了回灌,但回灌流体的温度高达50℃,资源利用率仅为55%。为充分挖掘地热潜能,该系统将末端改造为地板采暖方式,引进先进的节能型水源热泵技术和自动化控制系统等手段,合理调配整体能源配置和供能比,实现了地热资源的三级利用:一级板换后地热流体从90℃降至54℃,可产生4000千瓦热量,满足玫瑰花园、长达公寓10万平方米供暖需求;二级换热地热流体从52℃降至40℃,可产生2800千瓦热量,满足珠江装饰城7万平方米供暖需求;三级换热地热流体从40℃降至13℃,通过热泵提温,可产生4000千瓦热量,满足居然之家10万平方米供暖需求。在不增加地热开采量的前提下,通过梯级利用联合水源热泵的方式,供热面积由最初的10万平方米扩大到27万平方米。13℃的地热尾水全部回灌,地热利用率达到100%,真正做到了地热资源的集约、节约利用。与原工艺相比,供热站运行一年总计增加经济效益为365万元,每年可减少向大气中排放的二氧化碳、二氧化硫等气体及煤灰渣共13883吨,每年节省环境治理费用153.39万元,具有显著的社会、经济和环境效益。

  2.群井联动采灌模式

  随着区域经济发展和居住人口增涨,有些井权单位供热规模不断扩大,当原先“一采一灌”两眼地热井不能满足供热需求时,产权不同的地热井也可以在管理职能部门引导下与周边临近的同层地热井进行资源整合,构成群井联动系统,将那些尾水温度较高、资源利用率相对较低的地热井通过管道连接,引至需要扩大供暖规模的地热站,再通过热泵技术挖掘地热剩余潜力,增大供暖面积,满足供暖需求。

  群井联动技术是将同一地区相距不远的多眼地热组合起来,形成“两采两灌”或“多采多灌”的群井采灌模式,可在满足总体负荷的前提下,根据地热井的实际生产及回灌能力以及各功能区的能量需求,合理调配开采量和回灌量,合理分配各用户的热负荷,达到“统一规划、统一管理、统一开采、统一供应”的目的,有效解决单井热源闲置或热源不足的问题,提高资源利用率。

  天津市东部地区的东丽湖旅游区地热利用项目就是典型实例。在集团化供热公司运作下,利用8眼地热井组成两个群井联动系统,将开采井和回灌井通过管道相互连接,进行统一调配,实现了资源的优化配置和实时调控,保障了供热安全、稳定运行,利用效益最大化。其中一个四采四灌工程:将两个开采井的部分地热流体作为热源,经过一级利用和二级利用分别供给用户采暖;经换热后的地热尾水再进入下一站,经水源热泵再次提取热量进行三级利用、四级利用,供给其他用户采暖;换热后的循环尾水全部回灌至回灌井中。至2017年,东丽湖旅游区地热供暖总面积达到300万平方米以上,是区域清洁取暖的典型工程,也为市政集中供热管网和热电无法覆盖、燃气不足地区的区域供暖提供了范例。

  3.综合能源站

  随着能源利用技术的飞速发展,将多种能源组合在一起形成大型的综合性能源站为区域提供集中供热、制冷服务已成为一种趋势。综合能源站是将深部地热、浅层地热能、太阳能、生物质能、空气能等可再生能源及工业余热和常规能源等多种能源中的两种或多种进行复合利用(图7),通过动态调节技术进行系统集成,提高能源开发利用效率。

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图7复合能源利用系统集成技术

  天津市最早的综合能源站是2008年建成的天津工业大学西青新校区A区能源站,采用多种能源为18.15万平方米的建筑供热、制冷和供生活热水,主要包括由1对奥陶系地热井组成的地热系统、588个地埋孔组成的热泵系统及太阳能系统、燃气锅炉系统,通过配套的自动控制系统,将设备站内的多个系统有机的结合起来,充分实现高效、节能、环保。另一个工程实例是2010年建成的滨海新区中新生态城动漫园能源站,采用1对地热深井、1381个地埋热泵系统为17万平方米的建筑供热制冷。2011年建成了中心城区文化中心能源站,包括1眼地热深井、16对水源浅井、3789个地埋孔,为近100万平方米的建筑提供冷、热源,这是天津市目前体量最大的一个综合能源站。基于综合能源站对多能源的集约化利用优势,之后天津市又相继开展了解放南路起步区、陈塘科技园、华苑产业区、李七庄公园、天重地区、滨海高新区、东疆港、滨海旅游区、宁河未来科技城、静海城区等大型综合能源站的建设工作。

  四、地热开发利用存在的问题与建议

  1.问题

  天津市地热开发利用历史已超过80年,地热主管部门和技术单位始终以科学发展观为指导,以依法管理为基础,加强宏观指导,提高资源保护意识,依靠科技进步,大力推进地热利用新技术、新工艺、新方法的应用,使地热资源的开发利用水平得到进一步提高,地热管理工作也日渐完善和系统化、规范化。但由于历史遗留等原因,也存在几个难题亟待解决:

  一是地热管理法制建设相对滞后。1995年7月,天津市人民政府颁布了全国第一部单矿种政府规章——《天津市地热资源管理规定》,这也是全国首次制定的地热管理制度,对于天津市地热资源开发利用市场起到规范化作用。然而,天津市目前仅此一部专门性的地热管理政府规章,并且在某些方面的规定也值得商榷。例如:由于历史原因,该规定将地热资源温度界定为“其中热水型地热系指流温在40℃(含40℃)以上的地下热水”,这一限定与国标《地热资源地质勘查规范(GB/T11615-2010)》规定的地热资源温度为25℃不一致,与当今创建节约型社会和发展可再生能源的政策不相适应,也不符合现行的地热管理和开发利用形式、技术水平发展需要。因为随着地热勘查和应用技术的不断创新与发展,以及能源形势的紧张,地热资源作为可再生能源,应用领域被不断延伸与扩展。特别是热泵技术、地板辐射采暖技术的普及,低温地热资源也越来越多地被利用,25℃~40℃仍是非常宝贵的热源。而且这一规定也让地热归口究竟是国土部门还是水利部门造成管理权限的长年争执,两部门都有审批权,都可批井开采,但证后的监管却缺失。

  二是部分区县国土分局还没有专门的地热机构和地热工作人员,地热业务由矿管等相关科室兼管,不利于地热监管工作的开展,存在监管空白区,行业监管薄弱,制度不规范,增加了市国土房屋管局违法案件查办工作量,加大了遏制违法行为的成本。

  三是地热资源实行统一管理后,地热管理部门依法严格控制地热井的审批,但是因越权审批和未经审批擅自凿井等造成违法违规开采地热资源的现象还时有发生,扰乱了正常的审批秩序,破坏了地热资源的合理开发与布局规划。

  四是资源开发、保护水平有待提高。天津市目前地热资源开发利用存在的主要问题依然是早期开发的地热井大多采用单井开采,尤其是新近系地热井大部分仍属于单井开采,没有实现回灌,经利用后的地热尾水排放温度过高、地热资源利用率不高。而要有效解决这种局面,需要进行资源整合或补建回灌井、加强回灌技术推广、采用高新技术等手段对一些老旧系统进行改造等工作,但是单独依靠国土部门的资金、职能在短时间内还无法全部处理。

  五是部分地热开发利用单位对地热管理工作不重视不配合。资源在利用上不规范,地热井井口和泵房设施简陋,粗放使用,浪费现象严重,利用率低。回灌井不按要求进行回灌或长期停用、持续性差,或私下改作开采井来抽取地热流体。不按核定允许开采指标超采资源,擅自改变用途对外出售地热水。矿产资源补偿费缴纳不及时,一些利用单位多年来欠缴矿补费,也存在恶性故意拖逃情况。地热井计量设施、水位监测设施维护力度不够,不按要求及时更换,甚至人为损坏计量,对地热管理工作造成了一定难度。

  2.建议

  地热是一种可再生清洁能源,要保持循环能源的优势,就务必要按照资源客观产出能力为条件进行开发,在开发中保护,在保护中开发,为后人生存及社会发展创造条件。地热资源开发利用,在满足人们生活和社会发展的需求,为发展经济、提高人民生活水平发挥资源优势的同时,要合理科学有序的利用。首先,要因地制宜,选择适宜的利用方式,根据热流体温度、水量、流体质量不同,依据资源类型和特点,选择与本地区相适宜的利用方式,使地热资源开发利用达到最佳优化组合;第二,重视回灌工作,勘查成果证示岩石骨架中热资源及未开采的地热流体占整个地热资源99.5%,回灌开采是实现地热资源可再生的唯一手段,增加回灌井数和单井回灌量,加强回灌力度,避免地热流体直接排放,全面提高回灌率是实现地热资源可持续开发利用的重要保障;第三,加深地热综合利用深度,改进地热利用系统,提高资源利用率,合理的利用方案是十分重要的,在供暖中以地热能做基础热负荷将极大地提高地热资源利用率;第四,在利用技术上,要选择梯级的、节约集约化利用模式,采用热泵技术把地热流体中的热能“榨干取净”,在供暖末端设备选型上,要充分利用地板辐射采暖技术和风机盘管技术,尽可能降低尾水温度;第五,加强开发利用动态监测工作,做好详细的近期和远期规划,执行严格的方案优化审查、设计施工监理、开采行政许可等制度;第六,加强立法管理工作,建立完善地行业技术规范,加强矿业权市场建设和证后监管工作,解决地热资源多头管理乱现,严肃查处擅自凿井和违规开采的市场行为。




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