地熱資源梯級利用工藝

  【一】研究意義

 

  我國廣泛分布著(zhù)中低溫地熱資源，非常有利于供熱、養殖、種植等直接利用。據國際地熱協(xié)會(huì )(IGA) 2000年統計，我國地熱直接利用量已37908TJ/a，居世界首位。我國的地熱直接利用中有很大一部分是用來(lái)供熱的，地熱供熱已在天津、北京、西安和黑龍江、河北等省市得到廣泛推廣，供熱面積已達1180萬(wàn)平方米（2001年統計數據）。特別是天津市，地熱供熱面積已達860萬(wàn)平方米，占全國的74%。

 

  然而由于目前在一定程度上存在著(zhù)粗放型開(kāi)發(fā)現象，我國的地熱利用還存在如下問(wèn)題：

 

  1.利用結構單一

 

  以地熱采暖為主要目的的地熱利用系統，不僅開(kāi)發(fā)消耗的資源量很大，而且簡(jiǎn)單的用熱之后，沒(méi)有進(jìn)行很好的深度開(kāi)發(fā)，就將大量的地熱水排放掉。使地熱資源的復合特征沒(méi)有充分的發(fā)揮，造成資源的較大浪費。

 

  2.利用技術(shù)、工藝及設備配套尚需進(jìn)一步優(yōu)化

 

  目前在利用設備配套水平上，不能把地熱資源的能量充分利用和提取出來(lái)，從而使資源的利用率較低。歷史上遺留下來(lái)的老的地熱井系統中存在不經(jīng)濟、不合理、浪費大等問(wèn)題。

 

  3.排放溫度高，造成資源浪費與新的環(huán)境問(wèn)題

 

  在地熱采暖系統中，受常規的管網(wǎng)式供熱工藝和技術(shù)水平的限制，地熱水經(jīng)一級換熱后的溫度仍然很高，一般不低于40℃，不僅造成資源的嚴重浪費，又給環(huán)境帶來(lái)了熱污染。地熱作為一種清潔的新能源，市場(chǎng)的需求會(huì )愈來(lái)愈大。但不能只依靠增加地熱資源的開(kāi)采總量來(lái)擴大利用規模和滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，而是要依靠科技進(jìn)步，提高利用水平。就目前利用的水平來(lái)說(shuō)，還有很大的潛力可挖。從現狀看，排放溫度普遍在45-50℃,地熱水開(kāi)采出來(lái)的溫度平均在85℃，平均利用溫差為40℃，如果采用新技術(shù)把溫度降到20℃左右，可提取更多的熱量以利用。

 

  利用技術(shù)的創(chuàng )新與發(fā)展，是解決粗放式開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。地熱開(kāi)發(fā)利用中存在的不科學(xué)、不合理、不經(jīng)濟，浪費大、污染重的諸多問(wèn)題，只有依靠科技才能解決。要借助于市場(chǎng)的推動(dòng)，政府的協(xié)調，資源意識的增強，公眾的參與，大力推進(jìn)地熱利用中新技術(shù)、新工藝、新方法的應用，解決長(cháng)期以來(lái)一直不好解決的諸如腐蝕問(wèn)題、地熱棄水溫度高的問(wèn)題、地熱資源的多種功能不能全部發(fā)揮的問(wèn)題等。通過(guò)科技創(chuàng )新，把跨學(xué)科，跨領(lǐng)域的技術(shù)相互結合，取長(cháng)補短，實(shí)現突破。

 

  【二】基本概念

 

  為了解決地熱尾水排放溫度高、資源利用率低與環(huán)境熱污染問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了地熱資源梯級利用技術(shù)。地熱梯級利用就是多級次地從地熱水中提取熱能，多層次地利用地熱能。通常情況下，可以將地熱能要供暖的總負荷分成高溫供暖部分與低溫供暖部分，先按照高溫供暖設計方法提供一部分供暖負荷，然后按照低溫供暖設計方法提供其余的供暖負荷。高溫供暖部分一般可以采用管網(wǎng)方式，低溫供暖部分可以采用地板輻射采暖和風(fēng)機盤(pán)管。

 

  地熱梯級利用工藝充分發(fā)揮了地板輻射采暖、地熱熱泵的優(yōu)勢。地板輻射式采暖與熱泵技術(shù)，可以大大降低地熱水的排放溫度，從而提高熱利用率，即地熱水首先通過(guò)板式換熱器換熱，供管網(wǎng)系統采暖，再二次換熱供地板輻射采暖系統（完全非金屬系統也可直供），地輻射采暖系統下來(lái)的地熱水再利用熱泵技術(shù)提熱或直接供熱，或采用調峰。在這三個(gè)溫降級次間，根據需要，拓寬生活洗浴、康樂(lè )理療、礦泉水、花卉種植等項目，以減少這些配套項目所需要的資金投入和土地、能源、淡水資源的消耗，使地熱水的多種功能得以發(fā)揮。在以供熱為主要用途的系統，必須采取回灌開(kāi)發(fā)方式，使當時(shí)不能完全消化的尾水重新回到熱儲層，經(jīng)過(guò)地下的熱交換，可以再開(kāi)發(fā)出來(lái)更多的熱能。所有這些都需要以科技為先導，創(chuàng )新為突破，解決系統功能實(shí)現的瓶頸問(wèn)題，依靠科技進(jìn)步提高地熱資源利用的集約化水平。

 

  【三】技術(shù)原理

 

  以往的地熱供熱設計是通過(guò)一級換熱進(jìn)行的，即地熱水抽取后進(jìn)入換熱器，提取熱量后排放。由于換熱器所能換取的熱量是有限的，使得這種供熱方式的熱能利用率不高，并造成嚴重的熱污染。

 

  為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出熱水雙循環(huán)系統梯級利用新技術(shù)。根據建筑物的規模、負荷、末端設備進(jìn)行分類(lèi)，分成若干組團，根據各組團的負荷，將系統總負荷劃分成幾個(gè)部分，并且要結合各組團設計參數和負荷量來(lái)確定各部分的系統參數，同時(shí)使各部分參數與負荷之間相互藕合，優(yōu)化配置，在滿(mǎn)足各部分負荷要求的同時(shí)，使整個(gè)系統總負荷能力得到增強。

 

  具體實(shí)施方法如下：

 

  (1)開(kāi)采出來(lái)的地熱水，經(jīng)過(guò)換熱器，提取熱能供管網(wǎng)系統供熱，即為第一梯次。

 

  (2)第二梯次是將經(jīng)過(guò)一級換熱的地熱水進(jìn)行再次換熱，提取能量供地板輻射采暖系統供熱。

 

  (3)由第二梯次系統排出的地熱水，進(jìn)入熱泵機組進(jìn)行溫度的提升后供小區新開(kāi)發(fā)的采暖，或者熱泵機組將溫度提升后，將熱送回第二梯次熱網(wǎng)中，供熱負荷并入第二梯次熱網(wǎng)中，即為第三梯次。

 

  (4)熱泵機組排出的地熱水由另一眼地熱井回灌到地下。至此完成了一個(gè)循環(huán)過(guò)程。由此解決地熱資源利用中存在的諸多問(wèn)題。

 

  該技術(shù)的目的是使地熱供暖從一級利用擴展到多級利用，從而充分發(fā)掘地熱資源的潛力，減少環(huán)境熱污染，提高能源利用率。

 

  【四】技術(shù)關(guān)鍵

 

  1.藕合自控雙循環(huán)調溫技術(shù)

 

  地熱供暖、供水系統的控制核心是要做到節水、節電，并保證供暖和供水的良好效果。因此，地熱梯級利用系統中的一個(gè)核心問(wèn)題是要將利用系統與地熱開(kāi)采系統有機地聯(lián)系起來(lái)，做到利用多少開(kāi)采多少。實(shí)現這一要求的關(guān)鍵是解決好系統的控制技術(shù)問(wèn)題。

 

  地熱供熱中存在兩個(gè)循環(huán)系統。一個(gè)是用戶(hù)熱力子系統，負責室內供熱，該系統的特點(diǎn)是水溫可調而流量不可調，即調質(zhì)不調量。另一個(gè)是地熱水子系統，負責熱水開(kāi)采并向用戶(hù)熱力子系統提供熱能。由于地熱水溫度是相對恒溫的，總熱量的變化只能通過(guò)流量來(lái)控制，因此，該系統的特點(diǎn)是調量不調質(zhì)。兩個(gè)系統之間通過(guò)換熱設備連接并進(jìn)行熱交換。地熱水開(kāi)采量的變化決定了供熱總能量的變化，從而決定了用戶(hù)熱力子系統的變化，最終決定了室內溫度的變化。利用這一特點(diǎn)，建立自動(dòng)控制系統，將室內溫度需求反饋到地熱水子系統中，對開(kāi)采量進(jìn)行調節，最終實(shí)現室內溫度的調節。這個(gè)調節過(guò)程是由藕合自控雙循環(huán)調溫系統來(lái)控制的。藕合自控雙循環(huán)調溫技術(shù)的基本原理是：根據室外溫度的變化，調節室內供熱負荷，再將室內供熱負荷信號傳送到地熱水子系統中，調節地熱水流量，實(shí)現對地熱水總熱量的調節，進(jìn)而調節用戶(hù)熱力子系統的循環(huán)水溫度，最終實(shí)現對室內供熱負荷的調節，保證室內恒溫。圖1為藕合自控雙循環(huán)調溫技術(shù)原理圖。

 

  2.各級參數的藕合匹配

 

  地熱梯級利用工藝的另一個(gè)關(guān)鍵是各級參數的藕合匹配。首先是用戶(hù)熱力子系統各級參數的匹配，用戶(hù)熱力系統一般分三級進(jìn)行，各級的供熱溫度要根據供熱面積與負荷要求確定。確定各級供熱溫度后，就可以相應地確定地熱水系統的換熱溫度。地熱水系統一般采用兩級換熱一級提溫的方式，各級換熱溫度與提溫量由自控系統根據供熱參數確定。

 

  3.直供與間供方式的選擇

 

  在地熱用于供暖的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，由于各地水質(zhì)、溫度和采暖設施的不同，利用的形式也就各有不同。但總結起來(lái)其基本形式有兩種，一種是地熱水直接進(jìn)入末端設備的供暖方式，叫直接供暖方式;另一種是通過(guò)換熱器將地熱水的熱量交換到另一種介質(zhì)中，通過(guò)此種介質(zhì)的循環(huán)，把熱量傳遞到各采暖用戶(hù)，叫間接供暖方式。

 

  對于地熱供暖系統采取直接供暖方式好還是間接供暖方式好，需要綜合考慮地熱水的水質(zhì)、水溫、末端設備選型、是否回灌以及資金狀況等許多因素。但影響選擇直接供暖和間接供暖的最主要的因素是地熱水的水質(zhì)和溫度。

 

  ①地熱水溫度因素

 

  間接供暖需要使用換熱器，使用換熱器必然有熱量的損失。對高溫資源來(lái)說(shuō)，熱量損失相對于資源品位而言較??；而對低溫資源來(lái)說(shuō)，由于本身溫度不高，熱量損失相對資源品位就比較大。并且，由于低溫地熱井的水溫較低，為盡量減少換熱溫差熱交換時(shí)需要的傳熱面積就比較大，換熱器的成本相應也要增加。盡管如此，具體應采用何種方式仍要以水質(zhì)的腐蝕特性而定。

 

  ②地熱水水質(zhì)因素

 

  利用地熱進(jìn)行直接供暖存在腐蝕結垢問(wèn)題。地熱水的水質(zhì)將會(huì )直接影響到整個(gè)供熱系統設備的腐蝕程度。采用間接供熱時(shí)，可以選用耐腐蝕性很強的欽板換熱器，避免地熱水和采暖系統管道的直接接觸，也就避免了系統的腐蝕結垢問(wèn)題。因此，對于水質(zhì)差的地熱水應優(yōu)先選用間接供暖方式。

 

  【五】設備組成及其功能

 

  該工藝主要包括井口裝置、換熱器、熱泵、分水器、集水器、除污器、循環(huán)泵、補水泵、補水箱等。

 

  其功能如下：

 

  1.井口裝：將地熱井進(jìn)行封閉，緩沖熱脹伸縮，安裝潛水電泵；

 

  2.除砂器：凈化與過(guò)濾地熱水中的砂粒與雜質(zhì)，避免堵塞及破壞系統設備；

 

  3.換熱器：進(jìn)行熱交換；

 

  4.熱泵：提升及交換熱能；

 

  5.分水器：進(jìn)行供水分流；

 

  6.集水器：進(jìn)行回水匯集；

 

  7.除污器：清除水中的雜物；

 

  8.循環(huán)泵：提供動(dòng)力，推動(dòng)水循環(huán)；

 

  9.補水泵：補充二次網(wǎng)的水量消耗；

 

  10.補水箱：貯存水以供補水泵使用。