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華北地區

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》,計算該項目采暖采暖平均熱負荷。采暖期平均熱負荷計算式為:

某科技園項目中深層地熱替代天然氣鍋爐供熱技術(shù)-地大熱能 

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:

某科技園項目中深層地熱替代天然氣鍋爐供熱技術(shù)-地大熱能

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。