地熱井開(kāi)發(fā)與改造研究的應用實(shí)例

  工程概況

 

  東麗某開(kāi)發(fā)區位于天津市東郊,東臨渤海,是天津市重要的經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區。該開(kāi)發(fā)區北區現有建筑的采暖面積為33萬(wàn)m2 ,由東、西區兩個(gè)供熱站供熱。 東供熱站共有2口地熱井,以一口霧迷山組熱儲層地熱井SR4(井深2410m,出水溫度90℃,流量150m3 /h)為供熱井,采用間接供熱方式,尾水排放 溫度為48℃,供熱面積7.0萬(wàn)m2 ;以一口館陶組熱儲層地熱井SR3(井深971m,出水溫度58℃,流量60m3/h)作為洗浴井,供生活熱水。

 

  西供熱站共有3口地熱井,以一口霧迷山組熱儲層地熱井SR5(井深3450m,出水溫度89℃,流量120m3 /h)和一口奧陶系熱儲層地熱井SR2(井深1488m,出水溫度70℃,流量88m3 /h)為主力熱源,進(jìn)行間接式供熱,尾水排放溫度為50℃,回灌井為 一口奧陶系熱儲層地熱井SR1(井深1380m,出水溫度75℃,流量120m3 /h)。西供熱站還設置2臺7.0MW的鍋爐作為輔助熱源進(jìn)行聯(lián)合供熱。西供熱站的供熱面積26萬(wàn)m2。 該開(kāi)發(fā)區南區規劃面積3km2 ,建筑物以現代化工業(yè)廠(chǎng)房為主,同時(shí)還有回遷住宅、超市等,一期工程供熱面積22.5萬(wàn)m2 。開(kāi)發(fā)區南區建筑規模大,原有的供熱系統不能滿(mǎn)足其采暖要求。

 

  問(wèn)題分析

 

  (1)熱能利用率低。原開(kāi)發(fā)區5口地熱井中,SR3為洗浴井,其地熱水一次性利用后排放;SR4為供熱井,其地熱水用鈦板換熱器間接換熱后,將48℃的尾水直接排放;SR5和SR2的地熱水用鈦板換熱器間接換熱后,將50℃的尾水回灌到SR1回灌井中。按照有關(guān)公式計算,SR4供熱井的地熱利用率為53.8%,SR5供熱井的地熱利用率為50.6%,SR2供熱井的地熱利用率只有34.5%。上述3口采暖地熱井的尾水溫度過(guò)高,平均地熱利用率僅為46.3%,造成較大的地熱能浪費和環(huán)境污染。

 

  (2)地熱井布局不合理,供熱能力有限。原開(kāi)發(fā)區5口地熱井分東、西兩個(gè)供熱站,兩站距離遠,造成東供熱站SR4地熱水不能回灌。按照目前尾水溫度計算,并考慮換熱器的熱效率,東供熱站SR4的實(shí)際供熱能力為6.6MW;西供熱站SR5和SR2的供熱能力為7.1MW,西供熱站2臺7.0MW鍋爐的供熱能力為11.3MW,西供熱站總供熱能力為18.4MW。但是,目前東供熱站供熱面積為7萬(wàn)m2 ,熱負荷為5MW;西供熱站供熱面積26萬(wàn)m2 ,熱負荷為17MW。按照目前系統運行模式,東供熱站和西供熱站的剩余供熱能力已經(jīng)非常有限。

 

  (3)熱污染、空氣污染和化學(xué)污染。由于地熱井尾水排放溫度較高(48～50℃),使得排放地區的地下水體溫度、地面溫度甚至局部空氣溫度產(chǎn)生不同程度的升高,長(cháng)此以往,則會(huì )改變當地的生態(tài)平衡,影響環(huán)境。熱氣體冷凝成霧后,還會(huì )影響人體健康和交通運輸。地熱水一次性利用后排放,熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中,對大氣環(huán)境造成影響,其中濃度較高、對人體危害較大的有 H2S和CO2等不凝氣體。地熱水的鹽類(lèi)含量一般超過(guò)排放標準,地熱水的直接排放會(huì )造成土壤的鹽漬 化和板結。

 

  (4)地面沉降。從地下熱儲層中長(cháng)期抽取地熱水而不及時(shí)回灌,會(huì )導致地下壓力和地下水位下降,巖土失水固結,從而引起地面沉降和水平位移。雖然一般地熱田的地面沉降是緩慢的,但是,一旦由量變發(fā)展到質(zhì)變,將會(huì )造成嚴重后果。

 

  2.3 工程地質(zhì)

 

  東麗區位于海河斷裂帶,其北部為幺六橋凸起,南部是白糖口凹陷。根據已有地熱井資料分析,該場(chǎng)區有兩條NE向斷裂層,將開(kāi)發(fā)區分為東、西兩個(gè)斷塊,兩斷塊的地質(zhì)結構略有不同。西斷塊奧陶系地層較厚,為518m,上部馬家溝組灰巖巖溶發(fā)育。東斷塊奧陶系地層較薄,馬家溝組被剝蝕,下奧陶組巖溶發(fā)育較弱。霧迷山組在西部埋藏深,裂隙巖溶發(fā)育弱,在東部埋藏較淺,裂隙巖溶較發(fā)育。

 

  熱源組合優(yōu)化設計

 

  為解決原地熱井供熱能力有限、布局不合理的問(wèn)題,根據目前招商定標情況,在開(kāi)發(fā)區南區開(kāi)鑿一對地熱井,將7口地熱井(其中包括原有的5口地熱井SR1、SR2、SR3、SR4、SR5和新開(kāi)鑿的一對地熱井SR6-1、SR6-2)以及原有的2臺鍋爐重新優(yōu)化組合,利用集約化技術(shù),提高地熱資源利用率,形成兩個(gè)相對獨立的熱源系統(即兩個(gè)供熱站),分別稱(chēng)為西部熱源組合系統和東部熱源組合系統,以滿(mǎn)足新形勢下的工程要求。

 

  東部熱源組合系統

 

  東部熱源組合系統的優(yōu)化原則是新井開(kāi)發(fā)與老井改造并舉,優(yōu)化布局,提高資源利用率。 東部熱源組合系統由4口地熱井組成。其中,新建地熱井SR6-1、SR6-2和原有的地熱井SR4組成兩采一灌的熱源組合系統,采用梯級開(kāi)發(fā)循環(huán)利用集約化技術(shù)和工藝,在原來(lái)地熱水間接換熱的基礎上,增加熱泵系統,并將新建工程的末端設備設計為風(fēng)機盤(pán)管空調系統和地板輻射采暖系統,使原來(lái)的一級供熱系統改造為三級供熱系統。另一口館陶組熱儲層地熱井SR3仍為洗浴井,提供生活熱水。新地熱井SR6-1流量為100m3 /h,出水溫度為90℃,按18℃排放,新井供熱能力為7.5MW,原有地熱井SR4改造后的供熱能力為11.3MW,改造后的東部熱源組合系統供熱能力為18.8MW,這樣就能完全滿(mǎn)足東部供熱站新老建筑物總熱負荷8MW的供熱要求。

 

  西部熱源組合系統 西部熱源組合系統的優(yōu)化原則是采用地熱資源梯級開(kāi)發(fā)循環(huán)利用集約化技術(shù),提高資源利用率,擴大地熱資源供熱能力,減少煤炭能源的消耗。西部熱源組合系統由原有的3口地熱井(SR5 和SR2為開(kāi)采井,SR1為回灌井)和原有的1臺7.0MW的鍋爐組成(取消1臺7.0MW鍋爐)。以地熱作為主要熱源承擔采暖期的基本熱負荷,鍋爐用于采暖期尖峰熱負荷的調峰。在原來(lái)地熱水間接換熱的基礎上,增加熱泵系統,將原來(lái)的二級供熱系統改造為三級供熱系統。

 

  按地熱水排放溫度th=18℃計算,西供熱站原有地熱井SR5和SR2改造后的供熱能力為13.6MW,1臺7.0MW鍋爐的供熱能力為6.3MW,改造后的西部熱源組合系統供熱能力為19.9MW,滿(mǎn)足供熱要求(熱負荷為17MW)。其中,調峰鍋爐熱負荷占總供熱量20%左右,地熱累計熱負荷占總供熱量80%左右。

 

  地熱井設計 采用地熱對井,以達到采灌平衡。根據用戶(hù)需要和地質(zhì)結構條件,將對井(SR6-1和SR6-2)位置選擇在東斷塊,井位在SR4以南1500m的地段,采用東西向造斜。向東造斜的井穿過(guò)斷層,進(jìn)入SR4成井的塊段上。SR6-1為回灌井,SR6-2為開(kāi)采井。

 

  設計對井井口地面相距5m,先鉆SR6-1井,垂直鉆進(jìn)至400m后開(kāi)始造斜,方位角SW270°,打至霧迷山組目的層時(shí),向西位移400m。SR6-2井也是垂直鉆進(jìn)至400m后開(kāi)始造斜,方位角NE90°,鉆至霧迷山組目的層時(shí),向東位移400m,實(shí)現井底相距800m,見(jiàn)圖1所示。

 

  效益評價(jià) 東部熱源改造后,地熱資源利用率由原來(lái)的53.8%提高到92.2%,地熱尾水由原來(lái)直接排放到污水河改變?yōu)樵?a href="http://keyinmall.com/t/回灌.html" >回灌,地熱流體回灌率達到100%,實(shí)現了地熱資源采灌平衡。西部熱源改造后,地熱資源平均利用率由原來(lái)的42.6%提高到91%,供熱能力增加了1.9倍,在供熱面積不變的情況下,減少1臺7.0MW鍋爐的使用。

 

  通過(guò)開(kāi)發(fā)與改造,本工程項目減少了廢氣廢物的排放,節約了城市污染的治理費用,有效地保護了生態(tài)環(huán)境.