地熱供熱背景

當今社會，常規(guī)化石能源日漸短缺，而在總能耗中，民用采暖耗能比例逐年增長。地熱作為一種無污染、可再生的清潔能源，與煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)的化石能源相比，具備數(shù)量巨大、可再生、低碳、環(huán)保、就地取用等優(yōu)勢。同時地熱資源的開發(fā)也符合國家的節(jié)能減排政策。2013年初，國家能源局、財政部、國土部和住建部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進地熱能開發(fā)利用的指導意見》，更增大了對地熱能這一新能源的開發(fā)利用的政策支持。

勝利油田所處區(qū)域存在豐富的地熱水資源，地熱水溫度較高，具有較好的利用價值。早在2002年，勝利油田就開始在其外圍區(qū)域采取地熱供熱的形式。隨著我國環(huán)保問題的加劇，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的地熱供熱形式越來越得到國家和集團公司的重視和認可。勝利油田擁有豐富的地熱資源，在地熱利用方面具有天然的優(yōu)勢，在技術(shù)允許的條件下，合理地選擇地熱供熱方式，不僅有利于能源的可持續(xù)性利用、環(huán)境的保護，同時還可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，降低供熱成本。

另外，我國許多地區(qū)有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源,用于供熱,是用得其所;只要利用得當即可持續(xù)發(fā)展,仍能保護生態(tài)環(huán)境的完整性。10年來我國低溫地熱供熱已積累了許多適用經(jīng)驗,開發(fā)低溫地熱起決定作用的是市場,按照價格規(guī)律,著力培育市場,地熱供熱可形成獨立的產(chǎn)業(yè),先供給城鎮(zhèn)居民采暖、生活熱水,根據(jù)可能再相繼發(fā)展烘干、溫室、養(yǎng)殖等綜合利用產(chǎn)業(yè),可成為鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的帶頭產(chǎn)業(yè)。實踐經(jīng)驗證明地熱開發(fā)利用可以獲得高的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。供熱產(chǎn)業(yè)市場前景好,因供熱是生活必需的;技術(shù)不太復雜,比較簡便易學;在供熱的基礎(chǔ)上,還可以開發(fā)多項產(chǎn)業(yè)部門復合的綜合利用技術(shù);有推廣價值;結(jié)合我國當前鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟蓬勃發(fā)展形勢,地熱區(qū)域供熱具有時間超前性與長效性;國內(nèi)可提供軟硬件配套的全部技術(shù)設(shè)備。各地可根據(jù)當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平,分析近期市場需求變化情況,結(jié)合地熱資源條件,抓住時機興建地熱供熱產(chǎn)業(yè),獲取經(jīng)濟和社會效益。

地熱供熱常見的供熱形式有三種:純地熱水換熱供熱、地熱水換熱+壓縮式熱泵供熱、地熱水換熱+吸收式熱泵供熱。

從開采井出來的70℃的高溫水，經(jīng)過汽水分離器和旋流除砂器的處理后，進入換熱器與二級網(wǎng)熱水換熱。換熱后溫度降至38℃，經(jīng)過回注泵加壓后注入回注井中。二級網(wǎng)熱水(采暖熱水)經(jīng)過換熱后，溫度由35℃升高至45℃，為熱用戶供熱。

此種供熱方式的換熱量與開采井出水量、出水溫度和二級網(wǎng)供回水溫度密切相關(guān)。參考勝利油田目前在用的地熱井參數(shù)，假設(shè)新建開采井出水量為66m/h，出水溫度取70℃，排水溫度取38℃。經(jīng)計算，單井換熱供熱量為2.46MW，單個新建小區(qū)若熱負荷需求在2.46MW的情況下，采用純地熱水直接換熱的方式就可以滿足供熱需求。

當開采井供熱能力大于供熱單元的熱負荷需求時，地熱水經(jīng)過換熱器與二級網(wǎng)熱水直接換熱，從換熱器出來的地熱水被直接注入回注井中;當開采井供熱能力小于供熱單元的熱負荷需求時，地熱水首先經(jīng)過換熱器與二級網(wǎng)熱水直接換熱，換熱后的地熱水溫度降低至38℃，然后經(jīng)過壓縮式熱泵，將熱量傳遞給二級網(wǎng)熱水，地熱水最終降至18℃左右回注至地層。通過板換換熱的二級網(wǎng)熱水和經(jīng)過熱泵換熱的二級網(wǎng)熱水匯集在一起，進入熱用戶為熱用戶供暖。壓縮式熱泵的性能系數(shù)較高，一般在4~6之間。

此種供熱形式與地熱水換熱+壓縮式熱泵供熱形式相似，不同之處在于，這里采用的是第一類吸收式熱泵進行供熱能力的補充。第一類吸收式熱泵的性能系數(shù)大于1，一般為1.5~2，并需要采用集中供熱的一級網(wǎng)熱水作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源。

平均地溫梯度大于2.5 ℃/100 m,允許鉆地熱井的地區(qū);需要和可能培育起集中供應(yīng)生活熱水市場的城鎮(zhèn)住宅、工業(yè)區(qū);可能投資興建生產(chǎn)過程需要大量40~ 90℃熱水企業(yè)的地區(qū),如農(nóng)產(chǎn)品低溫烘干、蔬菜花卉溫室、工業(yè)生產(chǎn)過程用熱水漂洗等;冬季需要供暖的地區(qū)。

在供暖季抽出地熱水經(jīng)熱水表、除砂器到換熱器,加熱供暖用的循環(huán)水;地熱放熱后進入曝氣罐,用熱風強制通風經(jīng)曝氣、加壓過濾除鐵后,送入儲水箱;地熱水再經(jīng)加壓泵向用戶供生活熱水。供暖系統(tǒng)循環(huán)水經(jīng)換熱器被加熱,然后供至采暖用戶的散熱器或風機盤管,向室內(nèi)供暖。如果設(shè)有供暖調(diào)峰,在嚴冬時部分水流經(jīng)鍋爐再加熱后供出。在非供暖季,地熱水直接進入曝氣罐,經(jīng)過濾除鐵后送入儲水罐向外供水。在非供暖地區(qū),取消換熱器,只設(shè)井口裝置和水處理設(shè)施。

70℃的100 t/h地熱水,約可供5萬m住宅建筑取暖;系統(tǒng)如增加一臺2 t/h調(diào)峰鍋爐,供暖面積可達到7萬m。井口裝置、水處理和供暖系統(tǒng)可防地熱水腐蝕;除鐵過濾后供生活用地熱水不污染衛(wèi)生潔具;變頻調(diào)速設(shè)備能按需調(diào)節(jié)抽取地熱水,系統(tǒng)可節(jié)水節(jié)電。

在當?shù)鼐哂衅胀ǖ牡責豳Y源條件下,開發(fā)低溫地熱起決定作用的是市場,第一步先要弄清市場有多大,市場在哪里,如何才能占領(lǐng)市場。供暖和供生活熱水的消費需求與住的需求緊密相連,我國供熱消費發(fā)展總的來看已進入初步發(fā)展期,人們對公共產(chǎn)品供熱需求正急驟增加,這種需求有較可靠的培育性和可測性,是否有集中供暖在北方是住房銷售的重要條件。集中供應(yīng)生活熱水和集中供暖的市場需求有較大差別。南方、北方居民都需要供應(yīng)熱水,是全年需要,但人們的熱水消費量與經(jīng)濟收入水平關(guān)系密切,目前不僅是賓館,有的住宅也希望全年有熱水供應(yīng),這就要結(jié)合當?shù)亟?jīng)濟收入發(fā)展水平,分析近期增長變化速度,我國的需求正處于急速轉(zhuǎn)變期中。

供暖與供熱水是沒有排它性的公共產(chǎn)品需求,要滿足群眾迅速增長的需求,只有走產(chǎn)業(yè)化道路,借助各方集資。目前有的地方政府允許有能力對外供熱的單位收取一次性熱源集資費。供每m建筑采暖可收費額,較低的是50元/m左右,用以籌建熱源,這比自建鍋爐房投資要節(jié)約一半左右?？梢杂么隧椉Y籌建地熱供熱站,然后逐步發(fā)展?jié)L動開發(fā)。已有鍋爐房供熱的區(qū)域開發(fā)地熱,可把原有鍋爐房作調(diào)峰和備用熱源,鍋爐房仍然有用。天津和西安地區(qū)大約有一半的地熱井,是在原已有鍋爐房集中供熱的區(qū)域發(fā)展起來的,地熱利用向深度和廣度開發(fā)尋求效益的機會是眾多的。目前情況大多是一口地熱井建成后,先用一部分熱供暖、供生活熱水;隨著地熱供暖需求擴大,逐步發(fā)展把地熱用足;然后增加調(diào)峰鍋爐房,再擴大供暖面積;下一步是開展全年綜合利用項目,提高地熱利用率;再進一步可以是利用水源式熱泵,從地熱排放水中提取熱量,繼續(xù)擴大供熱效益。

地熱開發(fā)投入是初投資和運行費,有下面幾個主要構(gòu)成因素。

①井費主要由井深決定。目前最常用的地熱井套管直徑224 mm(958in)的全部鉆井費,在井深為1 000~ 3 000 m范圍內(nèi),市場價格可用每m深費用1 200元左右估算。

②井口設(shè)備包括耐熱潛水電泵、密封井口裝置、除砂器、變頻調(diào)速設(shè)備等。目前一口出水量100 t/h左右的地熱井,井口全套費用大約30萬元。

③換熱站地熱直接供暖不需要換熱器;用間接供暖時,大多數(shù)情況下,要用鈦板換熱器才能抵抗地熱水的腐蝕。相應(yīng)于供暖住宅建筑總面積,每m2供暖面積,換熱設(shè)備和安裝費投資大約要增加6~ 12元。

④調(diào)峰加熱設(shè)備有人認為低溫地熱供暖溫度不夠高才加調(diào)峰措施,這是一種誤解,甚至在地熱水溫超過95℃時,地熱供暖也應(yīng)加調(diào)峰措施。因為地熱系統(tǒng)的初投資高,運行費低,正適用于供暖的基本負荷;相反調(diào)峰措施初投資比地熱低,燃料消耗費高,用于尖峰負荷,累積燃料消耗少。地熱加調(diào)峰兩相配合,可揚長避短,地熱利用率可提高,供暖面積可大幅增加。確定調(diào)峰設(shè)施容量是較復雜的問題,先要按用戶近期或遠期供暖高峰負荷要求;其次要依地方條件、環(huán)保要求,然后再由技術(shù)經(jīng)濟條件決定。涉及調(diào)峰設(shè)備的初投資、熱源種類和熱源價格,目前可考慮的方式有燃煤、燃氣、燃油和電熱。初投資和熱源價格低的,調(diào)峰容量可選得大一些;反之,就應(yīng)把調(diào)峰容量選得小一些。變化范圍可以是供暖高峰設(shè)計負荷的5%~ 50%。

⑤室外管網(wǎng)地熱直接供暖,室外管網(wǎng)通常只一根,但要根據(jù)地熱水質(zhì),適當考慮防腐措施;如用地熱間接供暖,換熱站以后的管網(wǎng)與鍋爐房供暖方案投資是相似的。

⑥終端散熱設(shè)備如果選用普通鑄鐵散熱器,投資費與鍋爐供暖相比,其差別取決于利用溫降的區(qū)別。為提高地熱利用率,要盡力降低排放水溫,這要以增加散熱器的散熱面積為代價才可能實現(xiàn)。普通室內(nèi)供暖散熱器的散熱能力是由散熱器平均溫度與室內(nèi)空氣溫差決定的。以常用的鑄鐵四柱813型散熱器為例,如用tg1= 70℃、th1= 45℃作為設(shè)計工況下的地熱供暖系統(tǒng)所需散熱器面積為f1,與tg= 95℃ ,th= 70℃常規(guī)供暖系統(tǒng)所需散熱器面積f相比較,在室內(nèi)散熱量相同情況下,散熱器數(shù)量要增加將近一倍,即f1= 2 f。如果認為管道安裝費相同,每m2建筑供暖造價就要額外再增加30%~ 40%。10年來,多項原常規(guī)95℃/70℃系統(tǒng)改用低溫地熱供暖時,增加的散熱器片數(shù)量,并不需要像上述計算方法算出的那樣多。這是由于地熱供暖是連續(xù)的,運行經(jīng)驗和測定分析告訴我們,我國目前多數(shù)供暖系統(tǒng),用于可靠的連續(xù)供暖時,已安裝的散熱器余量甚大。用低溫連續(xù)供暖時,不能簡單地在原95 ℃/70 ℃系統(tǒng)上疊加散熱設(shè)備,應(yīng)當正確確定單位面積建筑熱負荷,避免浪費終端散熱設(shè)備。

運行費主要包括:電費、地方收取的地熱水資源費和調(diào)峰鍋爐消耗的燃料費。

目前可以用18.5元/m作為與京津地區(qū)相似的住宅建筑在供暖期(120~ 150 d)的收費參考價格。供暖毛收入可用供暖建筑面積× 18.5元/m估算。對不同的供暖地區(qū),供暖天數(shù)如有較大差別,可按當?shù)毓┡鞌?shù)與京津地區(qū)比較折算確定價格。如,一口地熱井出水量100t/h,水溫70℃ ,供暖利用溫降25℃ ,則供暖后排出水溫為45℃?？晒┏鰺崃繛镼D= 100 000× 25× 4.186= 2.907kW。設(shè)每m供暖耗熱指標為60 W/m,則此地熱井可供暖面積為AD= 48 450 m,表明一口井大約可供50 000 m取暖。如果設(shè)供暖高峰負荷的30%由調(diào)峰措施負擔,系統(tǒng)的供暖面積將可擴大到69 214 m2,此時供暖季調(diào)峰累積耗熱量大約不超過供暖季總耗熱量的10%。

值得注意的是,因地熱是連續(xù)供暖,選擇供暖單位面積熱負荷q時,可不留余量;要在建筑使用允許的條件下盡可能地多布置散熱器或適用于低溫的終端散熱設(shè)備,擴大利用溫降,降低排放水溫。

由技術(shù)經(jīng)濟分析和多項工程經(jīng)驗得出,經(jīng)濟效益接近最高時,適宜的排放水溫,大多數(shù)都在40℃以下;如與燃煤鍋爐房供暖相比較,在兩種系統(tǒng)效益相同情況下,求得的最低排放水溫大多在30 ℃左右。此時散熱器面積要有較多的增加,如布置散熱器過多影響了建筑效果是不妥的,因此低溫供暖設(shè)計不是受排放水溫的制約,而是受選用什么樣的散熱設(shè)備、能布置多少散熱設(shè)備的制約。在沒有條件做詳細分析時,只要散熱設(shè)備能布置,設(shè)計選定離開散熱設(shè)備的水溫在40℃左右,通常經(jīng)濟上是不會吃虧的。

地熱水含有各種礦物質(zhì),我國已開采的低溫地熱水所含礦物質(zhì)用于生活洗浴時,絕大多數(shù)對健康都是有益的,有的能治療某些疾病,與旅游、療養(yǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)合有很高的效益,因含有過量放射性物質(zhì)而不能用的地熱水很少遇到?，F(xiàn)僅就作為普通生活熱水、節(jié)約熱能角度與其他熱源比較討論其價值。1 m 5℃水加熱到45℃ ,需耗凈熱量46.5 kWh。如以煤為燃料,約為3元/m;以燃氣為燃料,約為6.0元/m;用電加熱約為20元/m3。計算

中如果再加入各種燃燒設(shè)備的初投資和負荷的初裝費分攤,熱水供應(yīng)的成本還要高許多。上述參數(shù)可以作為銷售生活熱水的參考價。熱水供應(yīng)通常是全年負荷,它的經(jīng)濟效益比供暖高,所以在我國南方如福建、海南等不需供暖的地區(qū),低溫地熱開發(fā)也有高效益。

地熱先供采暖,后供生活熱水是可行的。是否有矛盾,取決于熱水負荷,如果全年熱水負荷已全部滿額,就不可能再考慮供暖,因為熱水負荷效益比供暖高,但這種情況在北方通常是非常罕見的。

地熱水含有的鐵離子常常超過用水標準,供熱水前要經(jīng)過曝氣、除鐵過濾處理。供熱水所需的水處理設(shè)備、貯水箱、定壓供水變頻控制、用戶防腐熱水表和干管定溫排放閥等等,都需要投資,但與以m計價的銷售收入相比,只要情況基本正常,產(chǎn)出仍常會數(shù)倍大于投入,能得到高的回報率。最大的問題是能否培育和組織起用戶市場。生活熱水的毛收入可用年供出水量×每m熱水價估算。

搞綜合利用,第一產(chǎn)品要有市場,第二要有經(jīng)營、生產(chǎn)專家,第三才是用好地熱能。大多情況下地熱是輔助條件,但在有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)有機會成為關(guān)鍵性的啟動產(chǎn)業(yè),獲得高的經(jīng)濟效益。它的收益要有可信的可行性報告才能估算。

由于熱水和供暖是生活需要，是公用產(chǎn)品,市場一經(jīng)建立它就是穩(wěn)定的，近期幾乎沒有因競爭而丟失市場的風險。

取決于對地下水文資料的掌握和鉆井技術(shù),有可能出現(xiàn)完井后出水量和水溫偏離設(shè)計預想的情況。投資方可以要求開發(fā)地熱地質(zhì)、鉆井設(shè)計單位承擔,或者由鉆井公司承擔風險。目前在我國可能由鉆井公司與投資方共同承擔更為實際可行,具體條款可在簽定鉆井合同時確定。

根據(jù)天津地質(zhì)專家的觀測,超量開采引起的地面沉降,主要是由粘性土層壓密造成的。據(jù)分層標觀測資料,粘性土層壓密造成的沉降約占77.6%,砂層占22.4%[1]。在沉積層開采淺層的地熱水會引起較大的地面沉降,應(yīng)慎重觀察和逐步采取回灌措施;開采較深的基巖層地熱水,通常對地面沉降影響甚微。

為滿足室內(nèi)供暖需求,在嚴冬時地熱供暖后的排放水溫最高、水量最大,首先可以靠綜合利用,如供生活用熱水、水源式熱泵、越冬水產(chǎn)養(yǎng)殖等,必要時可用人工噴泉結(jié)合設(shè)計冬季景觀實現(xiàn)降溫,可以避免排水對環(huán)境的熱污染。在非供暖季地熱水根據(jù)用水需要量出水,依靠井口變頻調(diào)速器控制,沒有多余水量不會有熱污染。