提高地热开发热能利用效率的研究

杨卫+赵忠

摘要： 为提高地热开发工程的热能利用效率水平，笔者对影响热能利用效率诸要素进行深度研究。通过分离伴生气，应用分离的伴生气进行燃烧加热地热水，整个系统换热效果明显提升，提高了地热水的热能利用效率，还消减了伴生气带来的安全风险，既很好经济效益又有不错的社会效益。

Abstract： In order to improve the utilization efficiency of thermal energy in geothermal development project， the author deeply studies the factors that affect the utilization efficiency of heat energy. Through the separation of the associated gas which is used for burning and heating the geothermal water， the heat transfer efficiency of the whole system is improved， the thermal energy efficiency of geothermal water is improved， and the safety risk of the associated gas is reduced. So it has good economic and social benefits.

关键词： 地热开发；伴生气分离；燃烧加热；热能利用效率

Key words： geothermal development；associated gas separation；combustion heating；heat utilization efficiency

中图分类号：P314.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0103-02

1 概述

地热开发中，地热水中不同程度地含有以甲烷为主要成份的伴生气，由于伴生气中的甲烷气体易燃、易爆，给换热站和地下井房带来较大的安全风险。如何把这种气体风险转为收益，笔者对影响热能利用效率诸要素进行深度研究，应用伴生气分离燃烧设备，在河北容城领秀城和河北雄县胡台两换热站经连续应用试验测试，提高地热水的热能利用效率效果明显，把伴生气变废为宝，既有利于安全运行又能增加经济效益。

2 主要研究内容

2.1 伴生气样分析

①调研取样和检测化验分析建档。公司现场取58口井的气样，测算出42口井和39个换热站伴生气的流量数据，检测化验分析出这些伴生气的成分数据并建立档案。

②伴生气主要成分。经现场取样检测化验分析，地热井伴生气的主要成分是甲烷和氮气。甲烷的密度比空气轻，它是无毒、无色、无味的易燃易爆气体。氮气的密度比空气轻，它是无毒、无色、无味的气体。

2.2 闪蒸过程的热能变化影响

当水在标准大气压力下被加热时，100℃是该压力下液体水所能允许的最高温度，再加热也不能提高水的温度，而只能将水转化成蒸汽。

水在升温至沸点前的过程中吸收的热叫“显热”，或者叫饱和水显热。在同样大气压力下将饱和水转化成蒸汽所需要的热叫“潜热”。在一般场合下，热的单位用千焦表示，它是指将1 kg水在1个大气压力下升高0.24℃所需要的热量。

然而，如果在大于大气压的压力下加热水，水的沸点就要比100℃高，所以就要求有更多的显热。压力越高，水的沸点就高，热含量亦越高。压力降低，部分显热释放出来，这部分超量热就会以潜热的形式被吸收，引起部分水被“閃蒸”成蒸汽。

按照实用闪蒸汽计算公式可以计算出饱和状态下闪蒸蒸汽的百分比：

饱和凝结水减压时形成的闪蒸蒸汽百分比曲线图见图1所示。

利用供暖季节获取的地热流体的压力，对应到图1可以查询该饱和压力下，分离时能闪蒸的蒸汽量。通过运行数据可知，在图1插值可得在饱和状态下约有2.5%左右的地热流体被闪蒸成蒸汽。但在实际分离器过程中，分离状态是不饱和的，闪蒸成蒸汽的地热水要低于该值。

2.3 甲烷燃烧对热能的影响

若分离出的伴生气中含甲烷量较多，可以燃烧这些甲烷来加热地热水以增加地热水的热能。甲烷燃烧能够提供的热量公式是：Q（热量）=甲烷热值×甲烷的量

甲烷产生气态水时的热值是35900kJ/m3，通过计算和测量获知甲烷的流量，因此可以计算每小时甲烷可产生的热能。

研制的分离燃烧装置的平均热吸收效率在70%以上，大气压下液态水的比热4200kJ/m3·℃。故常态下，一立方米甲烷燃烧的热能对一立方米水进行加热时，水温升高约6℃，计算公式：35900kJ/m3÷4200kJ/m3·℃×70%=5.98℃

通过该方法可计算出每口井的伴生气能使改进提升的温度，在河北蓉城的领秀城换热站，使用研制的伴生气分离燃烧设备，该设备的结构示意图如图2所示。

我们在河北容城领秀城和河北雄县胡台两换热站经连续稳定测试49小时的温度变化情况如图3和图4所示。

从河北容城领秀城换热站连续49小时的测试运行数据和图3看，分离地热水的伴生气并燃烧加热地热水能使地热水的温度升高，在设备运行稳定后，平均温度升高2.14℃，按照320m3/h的地热水流量，能够提供热能796.27kW，按40W/m2的热负荷计算，能够提供19，907m2的供暖面积，按照20元/m2的供暖费计算，每年能够提供收入39.8135万元。

从河北雄县胡台换热站连续49小时的测试运行数据和图4看，分离地热水的伴生气并燃烧加热地热水能使地热水的温度升高，在设备运行稳定后，平均温度升高1.59℃，按照240m3/h的地热水流量，能够提供热能443.72kW，按40W/m2的热负荷计算，能增加供暖能力11，093m2，供暖费按照20元/m2计算，每年能增加收入22.1860万元。endprint

因此在伴生气含量允许的情况下可以考虑分离并燃烧伴生气以加热地热水，这样不但能提高供暖效果，同时还能提高地热供暖的经济效益。

2.4 对流换热系数对热能的影响

对流换热系数是指当流体与固体表面之间的温度差为1K时， 1m2的壁面面积在每秒所能传递的热量，其大小反映对流换热的强弱。

在不同的情况下，对流换热系数会发生成倍直至成千倍的变化，影响对流换热系数的因数主要有：①对流运动成因和流动状态。②流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化）。③传热表面的形状、尺寸和相对位置。④流体有无相变（如气态与液态之间的转化）。水强制对流的对流换热系数范围在1000～15000，气体强制对流的对流换热系数范围在20～100。

含伴生气的地热水流态和物理性质在分离前后有很大的变化：分离前是气液混合的两相流，分离出伴生气之后，地热水几乎变成了液态的单向流。

按上述分析可知，地热流体中含伴生气越多，在分离伴生气之后，地热水对流换热系数就升高的越大，即分离后的地热水在换热器内的换热效果要好于分离前的换热效果。

在商河的简易分离器分离伴生气之后，板式换热器的换热效率平均提升了13.1%。

通过上面的分析可知，不管是只分离还是分离加燃烧，治理伴生气之后，整个系统的换热效果是提高了的。因此，通过治理伴生气之后，不但解决了伴生气的安全风险，同时还提高了地热水的热能利用效率。

3 结论

①经测试运行分析，河北容城领秀城换热站安装伴生气分离燃燒设备后，分别能够提供热能796.27kW和443.72kW，每年分别能增加收入39.8135万元和22.1860万元。提高地热水的热能利用效率效果明显。②在商河的简易分离器分离伴生气之后，板式换热器的换热效率平均提升了13.1%。③笔者认为：通过分离伴生气，应用分离的伴生气进行燃烧加热地热水，整个系统换热效果明显提升，提高了地热水的热能利用效率，还消减了伴生气带来的安全风险，既很好经济效益又有不错的社会效益。随着本项目研究的不断深入，将有很好的推广应用前景。

参考文献：

[1]蔡义汉.地热直接利用[M].天津大学出版社，2004.

[2]货平，孙刚，王飞，等.供热工程[M].中国建筑工业出版社， 2009.

[3]J.D.Seader， Ernest J.Henley， Separation Process Principles[M].华南理工大学出版社，2007.endprint