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地热尾水热能回收再利用技术
1 绪论
1.1 北京地区地热利用现状

      地热是一种在合理利用条件下可再生的清洁能源。北京地热资源分布范围较广, 位于近城区的地热田有4个, 分别是: 城区南、 北热田、 沙河热田、 后沙峪热田、 天竺热田, 总面积达776km2, 地热水年可采储量6400万m3。地热呈规模的开发自20世纪70年代开始, 并由1998年以前的年均钻凿地热井7眼, 猛增到1999年以来的年均钻凿地热井20眼以上。

      1999年底以前, 北京市地热井的用途和开采量比例统计见下表:
用途
洗浴
供暖
种植
养殖
医疗
旅游
矿泉水
井数( 眼)
82
16
7
9
4
5
1
占在用井的比例( %)
60
12
5
9
4
5
3
开采量占全部开采量的比例( %)
37.8
32.5
4.7
14.8
2.6
5.7
2.4
      就地热供暖而言, 利用地热井16眼, 年开采地热水量286万立方米, 占全市年地热水开采量的三分之一, 而供暖面积仅为58万平方米。虽然用于供暖的地热水占总开采量的比例较大, 但用户范围和采暖面积均较小, 地热作为清洁、 环保新能源的经济及社会效益都不明显。

      究其原因, 是由地热采暖的利用方式落后造成的。1999年之前, 地热采暖的利用方式只有一种, 即直供直排方式( 图1) 。地热水从地下取出后, 直接进入建筑物用户室内散热器, 为保证供暖效果, 即使在增加室内暖气片数量的基础上, 地热尾水温度也不能低于40℃, 地热水热能利用率极低。

     如按近城区地热田有代表性的地热井参数: 水温55℃, 水量40m3/h计, 直接供暖地热尾水温度为40℃。

(1)、 Q: 地热水供热量(kw); Q＝1.163m△t
        m: 地热井用水量(m3/h);
        △t: 供热过程供回水温差( ℃) ; 55-40=15℃
        计算Q=698kw

(2)、 供暖面积:  
      η: 管线损失系数, 取1.05
      qF: 单位面积热指标, 参照北京地区不同建筑物的采暖指标, 连续供暖取50w/m2。 
      计算s=1.33万m2

      这一面积很难满足一般规模住宅小区的供暖需求。较低的地热利用率与较高的初期钻井工程投, 加上地热水对室内管道及散热器片有一定的腐蚀、 结垢作用, 更换管道及散热器片涉及千家万户, 平时维修的工作量也较大。以上因素影响了地热供暖系统在用户中的推广。实际上, 1999年之前北京城区的地热供暖用户多为20世纪八十年代初期形成的, 以后在供暖方面就少有发展了。

1.2 利用地热采暖是大气污染治理的有效途径

      而北京地区, 在1999年之前, 冬季由于燃煤取暖造成的大气污染问题是相当突出的, 1998年采暖期的统计结果与国家二级质量标准对比结果见下表:
污染物
国家二级质量标准年平均( μg/m3)
1998年采暖期实测年平均( μg/m3)
实测与标准比超标倍数( 倍)
SO2
60
252
4.2
TSP
200
431
2.16
NOX
50
201
4.02
      为尽快改进大气污染的状况, 市政府颁发了京政办[1999]66号《北京市控制大气污染第三阶段目标和措施》的通知, 对北京市的大气污染治理明确了阶段性的治理目标, 大气污染的治理呼唤新能源。

      社会的需求与地热利用现状的极不平衡, 给从事地热勘探、 地热井施工的地质勘探部门提出了新的任务。1999年, 以北京市地质勘察技术院为依托的华清集团承担了北京市政府下达的地热供暖可行性研究及建立示范工程任务, 也标志着华清集团正式进入热泵开发研究市场。集团成立了课题攻关小组, 会同有关专家, 对地热的梯级利用和地热尾水的热能回收展开了深入研究。

2 地热尾水的热能回收方式

      地热井的钻井成本较高, 地热水一经采出后, 应尽可能的提高其热能利用率, 做到物尽其用。课题小组结合当时国内刚刚引进的水源热泵系统技术, 将其与地热供暖相结合, 进行了细致的工作和大胆的尝试, 终于在回收地热尾水热能上取得突破, 使同一口地热井的采暖面积增加了2~3倍, 采暖初投资减低了近一倍。

2.1水源热泵系统的原理

      水源热泵系统是一个能够将低温热能提升为高温热能的集成系统。利用逆卡诺原理, 热泵工质( 以R22为例) 在蒸发器中由低压湿蒸汽变成低压气体( 简称工质蒸发) , 工质蒸发温度在0℃左右, 蒸发过程中, 经过换热器吸收地热尾水中的热量; 携带能量的热泵工质气体, 经压缩机的抽吸、 压缩作用( 驱动电能作功) , 以高温高压过饱和气体进入冷凝器内; 在冷凝器内液化为常温高压液体, 并释放携带的热量( 简称工质冷凝) , 工质冷凝温度在68℃左右, 冷凝过程中热能经过换热器传递给建筑物供暖系统循环水; 工质经过膨胀阀降压节流后, 又变成低压湿蒸汽进入蒸发器, 完成一个循环。如此周而复始, 不断的将地热尾水中的能量搬运、 转移到需用的建筑物内。地热尾水由水源热泵系统回收热能后, 由直接供暖后地热尾水温度40℃, 最低可将低至10℃左右。

2.2 水源热泵热能回收系统的理论解析

      仍以城区地热田的有代表性的地热井为例:
      直接供暖 地热水由供水温度55℃降至40℃, 直接利用地热温度为15℃。采用水源热泵系统, 在此基础上可将地热尾水降至10℃, 多利用地热水温度30℃, 提取的地热能增加了2倍( 地热水梯级利用及水源热泵热能回收系统示意见图2) 。

      (1)、 地热水供热量(kw) 

      由两部分组成, 地热水直接供热量同上Q1＝698kw; 水源热泵系统从地热尾水中吸收热能Q2’＝1.163m△t
      △t: 供回水温差( ℃) ; 30℃
      计算Q2’=1396kw
      在地热尾水热能回收过程中, 驱动压缩机电能作功, 转化热能约为465kw, 一般情况下COP值在4.0以上。
      地热尾水回收系统总供热量Q2=1396+465=1860kw;
      地热梯级利用系统总制热量Q=1860+698=2558kw;

      (2)、 供暖面积s的计算方案同上, 计算供暖面积为5.11万m2, 是地热直供面积1.33万m2的3.84倍, 增加供暖面积近3倍。

2.3 应用事例分析

      地热供暖示范工程选定在朝阳区立水桥甲2号的北京市地质勘察技术院的办公、 家属区内, 项目启动于1999年8月, 一期工程 4月完成; 二期工程 12月份完成。

      示范工程钻凿地热井两眼, 取水井深2400m, 水温70℃, 日出水量3000m3; 回灌井井深2890m, 水温59℃, 日水量1600m3, 按传统工艺, 地热水直接进用户, 地热供暖面积不到8万m2, 采用水源热泵系统回收地热尾水热能, 系统满负荷运行供暖面积可达到20万m2。示范工程现有供暖面积3.7万m2, 为院区家属楼、 办公楼等所有建筑物供暖, 整个冬季采暖地热水平均用水量25m3/h, 极大的降低了地热水用量。
示范工程工艺图:

2.4 推广应用
示范工程的成功实施, 对地热在供暖方面的应用起到极大的推动作用, 为使该项成果尽快转化为生产力, 服务于社会, 华清集团的子公司——北京市华清地热开发有限责任公司, 于同年成立, 并进行该项科技成果的市场推广。
2.5 难点解决方案

      在设计、 施工中遇到的问题及解决方案:

      在初期的地热供暖设计时, 没有一套相对成熟能够借鉴的利用方案, 没有适宜的换热设备, 没有适宜于热回收的水源热泵机组, 也没有一套可供参考的系统控制方案。一切能够说从零做起。

      地热尾水热能回收设备: 我们根据对系统的理解, 提出主要设计参数, 与国内著名大学合作, 共同开发了国内首台有自主知识产权的普通壳管式水源热泵机组, 并于1999年冬季, 结合示范工程一期项目, 进行了工程试验, 取得了第一手实践数据及较好试验效果。

      地热尾水作为低温热源, 供热温度不稳定, 用户以住宅楼为主, 从而要求其蒸发器应适应较宽的温度范围、 承受较高的进水温度; 冷凝器用于为建筑物供热, 则出水温度越高越好。结合后续项目, 与国内著名制造厂家完成了普通工质高效换热器水源热泵的开发, 和高温工质高温热泵机组的开发, 使蒸发器进水的最高耐热温度可达到40℃以上, 完全能够用于地热尾水工况, 冷凝器的出水温度也逐步提升, 由50℃到60℃, 进而由60℃到70℃, 水温能够达到90℃的高温热泵也已经完成开发, 并经过验收。现在我们能够说: 适宜于住宅楼原有供暖系统, 仅对燃煤锅炉热源进行替换的条件已完全具备。

      在自控方面我们也进行了广泛的研究和实践, 做到: 按室外温度、 建筑物实际负荷需求, 按需供热; 按系统需求抽取地热水; 尽可能降低蒸发器进水温度的波动, 维持热泵机组工况稳定; 地热水梯级利用与调峰负荷的自动投入, 在维持低运行费用的同时, 尽可能降低初期投资。

3 结论

      值得欣慰的是: 我们的工作为用户解决了燃”煤”之急, 提供了运行费用相对低廉的供暖热源, 使为居民提供冬季供暖服务的企业由负担变成赢利事业, 扩大了清洁能源的利用范围, 为北京市的环保事业、 做出了一定的贡献。我们的工作得到了市政府的关注和肯定。 冬季, 原北京市市长刘淇、 原北京市付市长王光涛、 刘敬民到郭庄北里供暖机房视察, 对地热尾水热能回收再利用方案给予充分的认可, 指出地热供暖为北京市新能源的开发提供了新途径, 勉励我们再接再厉, 扩大其在北京的利用范围。

      同时, 我们的工作已被纳入北京 奥运建设项目, 在《奥运行动规划—能源建设和结构调整规划》中, 明确提出利用地热能和地热先进技术为奥运场馆提供地热采暖面积40万m2, 现正在进行首眼地热井的勘探施工和项目初步方案编制工作。

      我们坚信, 在采用地热尾水热能回收再利用技术后, 首都的地热资源定能实现统一成片开发, 改变当前的单井开采状态, 充分发挥其作为一种绿色清洁能源更好地服务于首都人民, 为首都环境的改进及办好 绿色奥运做出更大的贡献。

主要参考资料

[1] 陈建平. 北京市地热资源21世纪初发展战略探讨. 21世纪地热可持续发展论文集. 北京: 中国矿业联合会地热开发管理专业委员会, . 31~35.
[2] 朱宝祥, 李文伟等. 水源热泵在北京地热供暖中的应用. 北京国际地热研讨会论文集. 北京: 地质出版社, . 325~331.
[3] 汪集炀. 中国地热资源及其开发利用. 北京国际地热研讨会论文集. 北京: 地质出版社, . 13~15.