东沽供暖系统运行调节方案的制定与实施

郝庆

(渤海石油水电服务公司天津塘沽300452)

0 引言

2011年底东沽石油新村顺利完成了“地热直供+热泵调峰”的供暖模式改造工作，汲取前两个片区新模式运行的经验和不足，同时也是为了结束沿用几十年的“凭经验看天烧火”的供暖调节方式，更是为了合理利用与保护地热资源，在东沽供热系统投运前我制定了一套详细的地热直供和热泵调峰运行方案，整个供暖期采用分阶段改变流量质调节的方式，在供暖的初末期居民用户采用地热直供，居民用户回水作为工业用户的供水，工业用户回水部分回灌；在供暖中期，部分居民用户采用地热直供，其回水作为工业用户供水，工业用户回水作为热泵余热水，再次提取热量，地热利用到21℃后部分回灌。我指导操作人员在供暖运行中严格按照方案进行操作，通过大家的共同努力，2011-2012采暖期运行下来，地热资源综合利用率提高了，地热回灌率也有了明显的提高，地热资源受到了有效保护，不可再生能源消耗量显著降低了，为推广和普及地热资源梯级利用与回灌技术起到了良好的示范作用。

1 东沽石油新村供暖系统简介

1.1 东沽石油新村供暖系统基本情况

渤海石油东沽石油新村现有供暖面积约68万平米，冬季室外供暖计算温度为-9℃，小区实际供暖平均热指标为57w/m2，室内供暖温度20℃，供暖天数为150天，供暖小时数为3600小时，年采暖供热量为32.94万GJ。供暖系统分为居民系统和工业系统，居民系统设计供回水温度为75/60℃，工业系统设计供回水温度为60/50℃。东沽热负结构见图1，东沽供热系统设备情况见表1。

2 改造前地热利用情况

图1 东沽热负荷结构图

改造前东沽石油新村内主要供热热源为燃油锅炉，其中20t/h蒸汽锅炉2台，14MW热水锅炉2台。地热井4眼，其中高温井3眼（东七井、东八井、东九井），总出水量290t/h（其中20t/h用来供居民的用热水），用来供暖的热水量270t/h，水温为70℃；低温井1眼（东六井），出水量40t/h，水温为49℃。

表1 东沽供热系统设备情况表

3 改造后供暖方案的制定

3.1 方案制定的原则

《东沽石油新村地热结合热泵技术应用改造项目》实施后，东沽供热中心安装4台10.5MW热泵，同时新打4眼地热井，现共有8眼地热井，其中要有2眼回灌井，5眼高温开采井，1眼低温开采井。

结合东沽的实际情况，选择东八井和新四井作为回灌井，东七井、东九井、新一井、新二井、新三井作为开采井，互相联通，热水可以互相调用，总出水量581t/h，水温70℃；低温开采井（东六井）改造后出水量为51t/h，水温49℃。

整个供暖期采用分阶段改变流量的质调节，供暖初末期，利用高温地热水给居民用户供暖，其回水作为工业供水，工业回水部分回灌，部分排掉；供暖中期地热水首先进入居民系统混合作为供水，居民回水作为工业供水，工业回水进入热泵再次提取热量后，部分回灌，部分排掉。供暖初末期地热利用流程见图2，供暖中期地热利用流程见图3。

图2 供暖初末期地热利用流程

图3 供暖中期地热利用流程

3.2 地热直供方案的制定

为了充分合理利用地热资源，根据工业用户和居民用户室温不同、高负荷时段不同特点，制定地热直供方案，供暖初末期，高温地热水给居民用户供暖，其回水作为工业用户供水，工业用户回水部分回灌。依据理论公式制定出直供供暖运行调节参数。

3.2.1 供暖调节的理论基础

①供暖调节的基本公式为：

②供暖系统流量的公式为：

③地热水供热量的公式：

3.2.2 地热直供调节方案

依据多年运行经验，在供暖初末期，居民回水温度设为39℃，居民回水作为工业供水。当回水温度39℃时，依据公式3计算东六井的供热能力：

Q=4.18×51×10/3600=0.7MW

其余各井的供热能力计算结果见表2。

表2 不同回水温度地热井供热能力

1）东九井位于三区供热站附近，作为三区供热站的主热源。三区供热站初期供暖用户为三区低层、三区高层和五区用户，总面积为18.5万，设计热负荷10.5MW，室内温度20℃，室外设计温度-9℃，带入公式1：求得当室外温度为7℃时，东九井已经发挥最大供热能力，此时应调整供热方案。接下来计算各系统的运行参数。

①将高层设计热负荷，供回水温差带入公式2：得出高层设计流量为203t/h，

在室外温度高于7℃时，启动一台循环泵，流量为200 t/h，代入公式1：得出tg=44.8℃，高层供水温度44.8℃，供回水温差6.8℃。

②在室外温度高于7℃时，低层用户启动两台循环泵，实际流量为400 t/h。运行参数见表3。

表3 当室外温度高于7℃时各系统的运行参数表

③供暖初期，新一、东六、东七作为供热中心热源，供热能力为9 MW，在室外温度等于7℃时，居民热负荷为8 MW，多余1 MW给工业用户，即2 7t/h的高温水作为工业供水。

当室外温度高于7℃时各系统的运行参数见表3。

2）当室外温度低于7℃时，依据多年运行经验将居民回水温度设为43℃，则各井供热能力见表2。

此时将五区用户调整到供热中心居民系统，东九井作为三区用户热源，可得出当室外温度低于4.1℃时，需要调整供热方案。新一、东六、东七、新二作为供热中心居民系统的热源，可得出当室外温度低于5.1℃时，需要调整供热方案。居民用户回水作为工业用户供水。当室外温度高于5.1℃低于7℃时，各用户运行参数见表4。

表4 当室外温度高于5.1℃低于7℃时各系统的运行参数

3）当室外温度低于5.1℃时，加入新三井到供热中心居民系统，此时居民系统回水温度仍设为43℃。新一、东六、东七、新二、新三供热能力为14.7MW，将新三井的水量一半调入三区供热站，得出当室外温度为2.5℃时，需要调整供热方案。当室外温度高于2.5℃低于5.1℃时各用户运行参数见表5。

表5 当室外温度高于2.5℃低于5.1℃时各系统的运行参数

4）当室外温度低于2.5℃时，依据多年运行经验将回水温度设为49℃，则各地热井的供热能力见表2。此时将东九井和新三井作为三区用户的热源。可以得出当室外温度低于-3.8℃时，需要调整供热方案。

在室外温度高于-3.8℃时，东七井、新一井、新二井，可作为供热中心居民用户的热源，此时地热基本负荷8.2 MW，其余负荷需由热泵提供。居民回水作为工业供水，工业回水作为热泵余热水，进入热泵系统再次提取热量后，部分回灌，部分排掉。当室外温度高于-3.8℃低于2.5℃时，各用户运行参数见表6

表6 当室外温度高于-3.8℃时各系统的运行参数表

3.3 热泵调峰方案的制定

3.3.1 热泵调峰方案的制定原则

通过对滨海和港区热泵运行的数据分析得知，当热泵满负荷运行时，热泵系数低于半负荷运行，即热泵满负荷运行时每MW热量的耗气量高于半负荷运行时MW热量的耗气量。建议同样10MW的热负荷，采用两台热泵，半负荷运行。

热泵调峰运行方案原则：①当热泵热水回水温度一定时，同样供热量，采用热泵热水高流量、低出口温度，②热泵热水和余热水均采用额定流量③同样热负荷，采用两台热泵半负荷运行更经济。④热泵系数COP取供暖期平均值1.7,天燃气热值取8400kcal/Nm3

3.3.2 热泵调峰调节分析与指导

1）在室外温度低于2.5℃高于-3.8℃时，居民系统9.2 MW负荷由两台热泵提供，则有供热量相等的等式：可得热泵出水温度t=60℃.

2）当室外温度低于-3.8℃时，设定居民系统回水温度为53℃，地热供热能力见表2。

当室外温度低于-3.8℃时，用东九井、新二井和新三井作为三区供暖热源，得出当室外温度低于-9℃时，需要调整供热方案。

东七井、新一井与三区回水一起作为供热中心工业用户的基本负荷，回水设为49℃，工业回水与东六井一起作为热泵余热水，供热中心居民用户则全部采用热泵加热，闭环运行，不再排水。当室外温度高于-9℃低于-3.8℃时，各用户运行参数见表7。

表7 当室外温度低于-3.8高于-9℃时各系统的运行参数

当室外温度高于-9℃低于-3.8℃时，供热中心居民用户负荷21.2MW全部由热泵负担，启动4台热泵。

工业用户10.3MW负荷，新一，东七供负担5.4MW，三区居民回水(361 t/h,利用温差4℃）负担1.7 MW，仍有3.2 MW地热水流量为调峰热负荷需要由热泵提供。从热泵系统调整50 t/h的高温水给工业系统，工业系统有5050 t/h的低温回水回到高温系统。热泵热水流量为1444t/h，则有等式得出：t=67.7℃，因此设定热泵出水温度为68℃。

3）当室外温度低于-9时，居民系统运行的供回水温度为70/55℃，工业系统运行的供回水温度60/50℃，此时热泵热水出口温度为75℃。

4 回灌试验

为了有效减缓地下水位下降的速率，缓解地热资源供需矛盾，我公司开始采取同层地热回灌的方式保护地热资源。在方案之初，东沽新村拟用新打的地热井（新二井和新四井）作为回灌井，经过讨论决定用已有老井与新井进行回灌试验，进行开采量和回灌量的比较。

2011年11月开始至2012年3月分别对东沽石油新村成井结构为射孔井的新四井和成井结构为筛管井老井（东八井）进行自然回灌（常压）的试验，观测数据见表8。

表8 新井、老井回灌数据对比

上述试验数据表明：老井回灌方案切实可行，而且回灌量远远大于开采量，综合考虑这两口井的实际回灌能力约为200 m3/h，这是天津市首例采用筛管井回灌成功的案例。目前这两口地热井已正式投入回灌运行。

5 方案实施

在整个供暖期，严格按照方案进行运行调节，每个运行班组都认真记录运行数据，摸索经验，发现方案不妥的地方我及时进行修改。

6 方案综合评价

6.1 提高地热利用率

通过理论计算得出，由于地热合理梯级利用方案的实施，地热负担了63%的热负荷，只有37%的调峰负荷由燃气负担。

改造前地热利用率30%，改造后地热利用率提高到70%，同时有32%的地热水进行了回灌，较好的保护了地热资源。

6.2 经济效益

根据公司账目数据改造前采暖期总费用：3894万元/a；改造后2011-2012采暖期总费用：1802万元。改造后2011-2012采暖期比改造前节省费用2092万元。

6.3 环境效益

由于地热的合理利用和天然气的使用，2011-2012采暖期可减少CO2排放17627t、减少锅炉烟气中SO2排放34t、NOX排放32t、烟尘排放53t，地热由改造前的50℃排放，变成现在的21℃以下达标排放，减少热污染。

6.4 社会效益

通过减少污染物排放，可有效改善东沽石油新村居民的居住环境，还小区一片蓝天，为开创和谐社会、和谐小区打下坚实基础。通过该项目的实施，我公司地热资源梯级利用和回灌技术已经处于国内领先水平，已成为推广和普及地热资源梯级利用示范工程基地，为推广和普及地热资源梯级利用与回灌技术起到了良好的示范作用。

7 结论

在东沽石油新村“地热直供热泵调峰”的供暖系统运行中，合理地热直供方案、热泵调峰方案以及地热回灌方案的制定与实施，结束了我公司沿用几十年的“凭经验看天烧火”的供暖运行调节方式，同时实现了地热资源梯级利用，最大限度的利用地热可再生资源，减少天然气等不可再生资源的用量，实现企业降低供暖运行成本和节能减排的目的，有效保护了地热资源，减缓地下水位下降的速率，延长地热田的使用年限，以达到集约、循环可持续利用地热资源的目的，缓解地热资源供需矛盾。

[1]沈维道等编著.工程热力学（第三版），北京，高等教育出版社，2004.

[2]XRIQII-45/21-1050(50/75)直燃型第一类溴化锂吸收式热泵机组安全安装与使用说明书