地熱尾水在供熱系統的綜合利用

摘 要

摘要：對利用地熱尾水余熱結合水源熱泵進行供熱的工程實例進行了探討。介紹了供熱系統流程、設備選型，計算了系統造價、年運行費用。與傳統集中供熱系統的經濟性、環保性進行了
摘要：對利用地熱尾水余熱結合水源熱泵進行供熱的工程實例進行了探討。介紹了供熱系統流程、設備選型，計算了系統造價、年運行費用。與傳統集中供熱系統的經濟性、環保性進行了比較。
關鍵詞：地熱尾水；供熱系統；水源熱源
Comprehensive Utilization of Geothermal Tail Water in Heating System
ZHANG Ke，JIA Pei，SHI Guang-wei
Abstract：The project case of using residual heat from geothermal tail water and water source heat pump for heating is discussed. The process of heating system and equipment lectotype are introduced，and the system fabrication cost and the annual operation cost are calculated. A comparison for economic efficiency and environmental protection between this system and traditional centralized heating system is made.
Key words：geothermal tail water；heating system；water source heat pump
1 工程概況
    某項目位于天津市，周邊地熱井開采目的層均為薊縣系霧迷山組。新開采的地熱井出水溫度為80℃，出水量為100m3/h，該項目范圍內已有回灌井1眼，新開鑿回灌井1眼。由于周邊地熱井均為單采系統(不回灌)，為了保證資源可再生性，考慮對地熱尾水再利用。本項目利用地熱尾水和新開采地熱水代替常規熱源進行供熱，對利用后地熱水進行回灌。該項目總供熱面積為42×104m2，總設計熱負荷為16950kW。
　　公共建筑供熱面積為3×104m2，末端為風機盤管，供暖系統供、回水溫度為55、45℃，熱指標為45W/m2，熱負荷為1350kW。居住建筑為24層高層建筑，分為高中低區，供熱面積為39×104m2，末端為地板輻射供暖系統，供暖系統供、回水溫度為42、32℃。熱指標為40W/m2，各區的建筑面積均為13×104m2，各區熱負荷均為5200kW。
    根據項目所在地及周邊地熱井現狀，可利用熱源為1眼新開采地熱井、3眼地熱井尾水，并有2眼回灌井。將3眼地熱井尾水混合應用，混合后溫度約43℃，考慮尾水輸送過程中熱損失，計算溫度取42℃；新開采的地熱井單獨利用。在計算地熱井產熱量時，地熱水終溫取35℃。地熱井的具體參數見表1。
表1 地熱井的具體參數
地熱井
質量流量/(t·h-1)
地熱水溫度/℃
混合后地熱水溫度/℃
產熱量/kW
1號井
120
46
42
2442
2號井
80
36
3號井
100
46
新開采井
100
80
—
5233
2 系統流程
2.1 熱源分配
    根據計算結果可知，地熱井的產熱量無法滿足項目負荷要求，因此考慮采用水源熱泵輔助供熱。具體配置如下：居住建筑低區利用新開采井直接供熱，中區采用1～3號井部分混合后的尾水通過水源熱泵供熱，高區采用1～3號井剩余尾水通過水源熱泵供熱；公共建筑采用新開采井尾水通過水源熱泵供熱。
2.2 系統流程
   ① 新開采井地熱水利用系統
新開采井地熱水利用系統流程見圖1。居住建筑低區系統：地熱水經除砂器后進入低區換熱器，換熱器一級側進、出水溫度為80、35℃，二級側進、出水溫度為32、42℃。公共建筑系統：公共建筑換熱器的一級側進、出水溫度為35、25℃，二級側進、出水溫度為17、25℃。熱泵冷凝器側進出水溫度為45、55℃。地熱水回灌溫度為25℃。
 
② 1～3號井尾水利用系統
1～3號井尾水利用系統流程見圖2。
1～3號井尾水混合后的溫度約42℃，經兩次換熱后回灌。中區與高區并聯，均通過一級換熱器提供基礎負荷，不足部分負荷由熱泵提供。地熱水回灌溫度約15℃。
3 設備選型
① 換熱器
 
式中A——換熱器的換熱面積，m2
    s——安全系數，宜采用1.10～1.15
    Φ——換熱量，W
    ε——水垢和傳熱介質分布不均勻對傳熱效率的影響系數，取0.6～0.8
    K——換熱器的傳熱系數，W/(m2·K)
△t——換熱器的計算溫差，℃
由式(1)計算可得換熱器換熱面積(見表2)。
表2 換熱器的換熱面積計算結果
換熱器
換熱面積/m2
材質
低區換熱器
160.7
鈦板
公共建筑換熱器
44.6
316型不銹鋼
中區一級換熱器
102.8
中區二級換熱器
201.4
高區一級換熱器
102.8
高區二級換熱器
201.4
    ② 水源熱泵
    根據設計熱負荷，考慮熱泵機組制熱性能系數，水源熱泵的計算選型結果見表3。
表3 水源熱泵的計算選型結果
水源熱泵
數量/臺
單臺制熱量/kW
單臺功率/kW
公共建筑水源熱泵
1
1480
320
中區水源熱泵
2
2152
460
高區水源熱泵
2
2152
460
③ 水泵
根據項目末端各系統情況，選擇各系統適合的循環泵和補水泵，各種水泵具體性能參數見表4。
表4 各種水泵具體性能參數
水泵
數量/臺
揚程/m
流量/(m3·h-1)
單臺功率/kW
低區供暖循環泵
3(2用1備)
37
240
55.0
中區供暖循環泵
3(2用1備)
37
240
55.0
高區供暖循環泵
3(2用1備)
37
240
55.0
公共建筑供暖循環泵
2(1用1備)
36
144
22.0
中區熱泵循環泵
2(1用1備)
32
100
15.0
高區熱泵循環泵
2(1用1備)
32
100
15.0
公共建筑熱泵循環泵
2(1用1備)
24
150
15.0
低區補水泵
2(1用1備)
40
20
5.5
中區補水泵
2(1用1備)
70
22
11.0
高區補水泵
2(1用1備)
102
20
18.5
管道加壓泵
2(1用1備)
38
374
55.0
新開采井潛水泵
2(1用1備)
120
100
55.0
   ④ 電氣及自動化設備
   地熱站內主要設備以自動控制為主，循環泵、補水泵、潛水泵采用變頻控制。根據工藝要求，熱控信號采用數字顯示儀表進行集中監控。
4 系統造價及運行費用
    系統造價主要包括地熱站主要設備、電氣設備、管網造價及電力增容費等(見表5)。系統造價為2086.92×104元，單位供熱面積系統造價為49.7元/m2。
表5 該項目的系統造價    元
項目
造價
主要設備造價
931.22×104
電氣設備造價
139.60×104
管網造價
453.60×104
電力增容費
562.50×104
合計
2086.92×104
    系統年運行成本主要包括電費、地熱水費、自來水費、人工費、維修管理費、折舊費等(見表6)。冬季供暖時間按照120d、每日運行24h計算。由于水泵采用變頻調節，設備運行負荷可根據室外溫度變化逐時調節，因此系統滿負荷運行時間按1728h計算。補水系統運行時間按500h計算。電價為0.71元/(kW·h)，自來水價為5.6元/t，采用回灌工藝的地熱水價為0.6元/t，未采用回灌工藝的地熱水價為2元/t。人員工資按照每人每月1500元計算，工作人員為8人。系統年運行成本為421.57×104元，單位供熱面積的運行成本約10元/m2。
表6 該項目的年運行成本    元/a
項目
年運行成本
電費
328.45×104
地熱水費
16.54×104
人工費
14.40×104
維修管理費
13.67×104
折舊費
48.51×104
合計
421.57×104
5 經濟性及環保性分析
    從系統造價、年運行成本、環境影響等方面比較該項目與傳統集中供熱系統，比較結果見表7。地熱資源的開發采取了循環利用集約化供熱工藝，可有效減少常規燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量，降低了城市污染的治理費用，有效地保護了生態環境，有明顯的環境效益。利用3眼地熱井尾水結合水源熱泵滿足項目部分負荷需求，不僅充分利用了清潔能源，而且回灌技術的應用使原來3眼單采地熱井實現了采灌結合循環使用，降低了地熱水排放量。
表7 該項目與傳統集中供熱系統的比較
比較方面
該項目
傳統集中供熱系統
單位供熱面積造價/(元·m-2)
49.7
92.0
單位供熱面積年運行成本/(元·m-2)
10
25
環境污染
無污染
有有害氣體排放
6 結論
    ① 利用地熱尾水與水源熱泵聯合的供熱方式，充分利用了可再生能源。
    ② 與傳統供熱方式相比，該項目在系統造價、運行成本、環境影響方面都具有較大優勢。
③ 地熱資源雖然具有一定局限性，但在天津等華北地區的應用具有一定優勢。
 
(本文作者：張珂 賈佩 時光偉 天津地熱勘查開發設計院 天津 300250)