某科技園項目中深層地熱替代天然氣鍋爐供熱技術(shù)

1 項目概況

某公司投資建設的科技園項目總占地面積約7.2 hm2(108畝），規劃16棟樓，建筑面積約1.5×105m2，供熱面積約1.14×105m2，總熱負荷7 000 k W。原規劃采用天然氣鍋爐供熱，但冬季供熱時(shí)，天然氣價(jià)格最高可達4.9元/m3，年運行成本高。項目所在區域位于太原盆地西溫莊隆起，地熱資源豐富。因此，計劃采用中深層地熱替代原規劃的天然氣鍋爐供熱，以大幅降低供熱費用。

2 中深層地熱能稟賦條件

2.1 構造概況

太原盆地自北向南排列為城北凹陷、三給地壘、城區凹陷、親賢地壘、晉源凹陷和西溫莊隆起6個(gè)構造單元。本項目擬建井位于太原盆地西溫莊隆起。

2.2 地層概況

本項目所在區域地層從上至下主要由第四系、新近系、古近系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系下中統和寒武系上中統等地層組成。

2.3 地熱資源形成條件分析

已有的區域實(shí)鉆資料表明，項目所在區具備良好的地熱地質(zhì)條件，熱儲層巖性為奧陶系、寒武系碳酸鹽巖，主要表現如下。

1）蓋層。蓋層由第四系、新近系泥巖層和二疊、石炭系巖層組成，總厚度600～1 700 m不等，其中，第四系、新近系、三疊系泥巖層厚600～2 000 m不等；二疊和石炭系巖層厚300 m左右。奧陶系中統峰峰組頂板埋深600～1 800 m，其上蓋層厚度較大，分布比較穩定，隔水、隔熱性能良好，具備良好的蓋層條件。

2）熱儲層。熱儲層主要為古生界碳酸鹽巖地層，即奧陶、寒武系灰巖，尤以中奧陶統、中寒武統發(fā)育最好，總厚300～800 m。

3）熱源。太原盆地的熱源主要為裂谷盆地背景下的高大地熱流，傳熱方式以熱傳導為主。據山西大地熱流值分布資料，中部各盆地大地熱流值1.7 HFU（熱流值單位），而山區普遍小于1.3 HFU。區域熱流值高，一般表征地殼薄，居里等溫面埋藏較淺（小于20 km），深部熱流值高。

4）通道。西溫莊地熱田西側、北側斷裂形成的破碎帶，均具有導水作用。斷裂縱橫交錯，彼此連通，將地下熱水經(jīng)深循環(huán)對流作用，沿構造通道將深部熱能攜帶到中淺層。太原盆地的地下水都來(lái)自盆地本身及山區的大氣降水，經(jīng)斷裂帶及層中的巖溶縫隙相互溝通。

2.4 流體物理化學(xué)特征

地熱水化學(xué)類(lèi)型為SO42--Ca2+型水，礦化度為1.0～2.1 g/L，總硬度為0.7～1.4 g/L,p H值為7.0～8.3，呈弱堿性。

2.5 水溫、水量預測

通過(guò)收集查閱本區域相關(guān)地質(zhì)資料和了解附近地熱項目情況，收集調研的資料顯示，該區域附近地熱井的水量在100 m3/h以上，井口水溫在60℃以上，最高達到74℃。

3 項目熱負荷

3.1 熱負荷分析

本項目總供熱面積約1.14×105m2，總需求熱負荷為7 000 k W。根據太原市氣候條件和項目建筑特性，項目每年供熱期為11月1日至次年3月31日，供熱時(shí)段0:00—24:00，室內溫度要求18℃以上。

3.2 平均熱負荷

根據CJJ/T 34—2022《城鎮供熱管網(wǎng)設計標準》，計算該項目采暖期采暖平均熱負荷。采暖期平均熱負荷計算式為：

式中：Qh,a為采暖期采暖平均熱負荷的數值，單位k W;Qh為采暖設計熱負荷的數值，單位k W;ti為室內計算溫度的數值，單位℃；ta′為采暖期除去最冷5 d后平均室外溫度的數值，單位℃；to,h為采暖室外計算溫度的數值，單位℃；N為采暖時(shí)間的數值，單位d。

本項目設計熱負荷為7 000 k W，室內溫度設計為18℃，供熱時(shí)間為150 d，平均室外溫度按照除去最冷5 d后的平均室外溫度為-3.38℃，則該項目采暖期采暖平均熱負荷為4 859.09 k W。

3.3 全年耗熱量

年耗熱量由式（2）計算：

式中：Qha為全年耗熱量的數值，單位GJ。

項目平均熱負荷為4 859.09 k W，則該項目年耗熱量為62 959.68 GJ。

4 熱源建設方案

4.1 熱源方案

4.1.1 生產(chǎn)井數量的確定

根據地熱資源分析，項目所在區域有豐富的地熱資源，可采用地熱作為熱源。設計地熱井深2 450 m，地熱井單井出水量105 m3/h，井口溫度65℃。

小區末端采用風(fēng)機盤(pán)管，設計供熱供回水溫度為45℃/40℃。按照尾水回灌溫度15℃計算，地熱水直供可提供負荷Q1=105×1.163×（65-42)=2 808.65 k W，熱泵COP (Coefficient Of Performance，能效比）按4.0計算，熱泵可提供負荷Q2=105×1.163×（42-15）×4÷3=4 396.14 k W，因此，單井可提供負荷為Q=2 808.65+4 397.14=7 204.79 k W。根據熱負荷分析，項目需要的地熱井口數n=7 000÷7 204.79=0.97口，因此需生產(chǎn)井1口。由以上分析可知，該地熱井熱源富裕，可滿(mǎn)足項目的供熱需求。

4.1.2 回灌井數量的確定

初步擬定按照同層1∶1回灌，即采用“一采一灌、同層回灌、取熱不耗水”的模式進(jìn)行回灌，因此需新建回灌井1口。

4.2 換熱站設計

4.2.1 工藝流程

該項目利用地熱水作為供熱熱源，冬季提供45℃/40℃采暖熱水。系統設置1口生產(chǎn)井。項目供熱系統不分高低區，采用“板換直供+熱泵機組調峰”的方式為項目供熱，當室外溫度較低時(shí)，板式換熱器直供，直供無(wú)法滿(mǎn)足熱負荷需求時(shí)，開(kāi)啟熱泵機組調峰以滿(mǎn)足總熱負荷要求。具體流程為：地熱水首先經(jīng)過(guò)一級板換，板換一次側供回水溫度65℃/42℃，二次側供回水溫度45℃/40℃。經(jīng)過(guò)一級板換后的地熱水溫度降至42℃，一級板換出來(lái)的地熱水經(jīng)過(guò)二級板換再次提取熱量，溫度從42℃降到15℃；二級板換二次側出水溫度21℃，進(jìn)入熱泵機組經(jīng)蒸發(fā)器換熱后，溫度降到13℃。地熱水通過(guò)二級換熱后，通過(guò)熱泵機組的提升作用，冷凝側產(chǎn)生45℃/40℃的熱水供末端風(fēng)機盤(pán)管系統。

4.2.2 主要設備選型

從工藝原理圖看，該項目主要設備為潛水泵、熱泵機組、循環(huán)水泵、板式換熱器、軟化系統、回灌過(guò)濾裝置等。

4.2.3 地熱尾水處理

由于礦化度、溫度、政府政策管控等原因，需對地熱尾水進(jìn)行同層回灌處理，實(shí)現地熱尾水的全部同層回灌。因此，在換熱站內設置地熱尾水回灌過(guò)濾裝置，過(guò)濾管道及系統殘留的直徑相對較大的顆粒，防止回注地熱水堵塞地熱水儲層。

5 供熱效果分析

在該項目投入運行后，進(jìn)行了換熱站站內運行數據的監測和供熱用戶(hù)端室內溫度參數入室測量，詳細記錄了一個(gè)供熱季的參數。根據項目的運行日報表，即11月1日至次年3月31日的運行報表，供熱用戶(hù)端的室內溫度維持在20℃以上，供熱效果良好。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益分析

項目建設投資為1.529 8×107元，按照30年運行期測算2種方案的總費用，總費用包含項目投資費用和30年運行費用。中深層地熱方案總費用6.908 98×107元，天然氣鍋爐方案總費用1.818 636×108元，中深層地熱方案相比于天然氣鍋爐方案可節省費用1.127 738×108元。該項目隨著(zhù)運行時(shí)間的增長(cháng)，經(jīng)濟效益愈發(fā)顯著(zhù)。

6.2 環(huán)保效益分析

本項目實(shí)施可以降低環(huán)境污染，減少CO2、SO2的排放，同時(shí)可減少煙霧、粉塵等污染物的排放。項目運行后，年節約標煤量約2 148.28 t，年減排CO2約5 628.49 t，年減排SO2約18.26 t，年減排NOx約15.89 t。

7 結論

1）項目區域地熱資源豐富，地熱開(kāi)發(fā)利用符合國家、地區產(chǎn)業(yè)政策導向和戰略要求。

2）本項目采用中深層地熱供熱方案，設計2口地熱井，井深約2 450 m，一采一灌。采用“板間接換熱+熱泵機組梯級利用”的工藝流程，為項目冬季供熱。

3）本項目與天然氣鍋爐供熱方案相比，在30年運營(yíng)期內，總計可節約費用1.127 738×108元，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

4）本項目的實(shí)施還具有良好的環(huán)保效益和社會(huì )效益。項目運行后，年節約標煤量約2 148.28 t，年減排CO2約5 628.49 t，年減排SO2約18.26 t，年減排NOx約15.89 t。