利用中深层地热实施城镇集中供热系统探讨

枚 军 史旭东 张亮亮

(太原智博热电工程设计有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

地热是来自地球内部的一种能量资源，属于可再生能源，以其清洁环保节能等特点得到了广泛应用。近年来，我国地热资源开发利用量以每年30%速度增长，其中利用地热实现城镇居民供暖方面也发展迅速，2010年已实现供暖总面积约为1.0亿m2，2012年约为1.21亿m2。尽管如此，地热资源的利用率仍不高，且在整个能源结构中的比例只占不足1%，其发展前景广阔[1]。山西省拟定了“十三五”地热能发展规划，将太原、忻州、临汾等纳入地热能发展重点城市，拟利用地热能作为城镇冬季清洁取暖的一个重要能源形式。本文结合工程实例，探讨分析利用中深层地热实现城镇集中供热的系统形式及其经济性和节能减排效益。

2 供热系统

2.1 地热热源

2.1.1地热资源

项目位于太原南部区域，地处太原盆地中部，区域内地热资源储量丰富[2]。根据山西省地热能(中深层)开发利用规划，开发地热资源属小店西温庄地热田，初步探明地热资源量399 918.79×1010kJ(折合标准煤13 649.11万tce)。项目实施城镇集中供热面积86.0万m2，年供热量折合标煤1.269万tce，利用地热资源量可靠。该地热田面积为48.6 km2，地热田为中低温地热田，地热田为层状热储特征，热储层埋藏深度1 000 m～3 000 m，利用地热开采深度2 200 m～2 600 m，单口井平均出水流量100 m3/h，平均出水温度65 ℃，属于宜开采和开采经济的沉降盆地碳酸盐岩类浅埋藏地热田，热储层为中奥陶统马家沟组碳酸盐岩。

2.1.2地热井布局及开采技术

项目共设置地热井6对(一对井配置开采井和回灌井各一口)。为防止局部区域超过运行开采强度，导致开采降落漏斗规模逐年增大[3,4]，控制相邻地热开采井的井口距离不小于1 000 m；为避免热水流短路，回灌井与开采井距离不小于500 m。

地热井造井利用中国石化集团新星石油有限责任公司的地热勘察开采技术，将油气开发的先进理念应用于地热资源开发；地热井造井根据现场条件采用定向井和直井两种方式(见图1)。

2.1.3地热水利用及保护

为保证地热田的持续开采，地热开采水采用间接换热、梯级利用、全部同层回灌等技术，实现“取热不取水”。地热井同水层回灌按“一采一灌”的方式配置，即1口地热开采井配1口回灌井。热源井采取灌、采两用，使每口井既能用作地热开采井，又可作为回灌井使用，延长水井的使用寿命。

2.2 集中供热系统形式

2.2.1地热源联网集中供热系统

为提高地热源集中供热的安全性，多个地热井之间采用集中联网两级间接供热系统；地热井开采热水通过一次侧板换换热后，联网统一由一级管网输配至用户二级换热站；二级换热站根据地暖/散热器用户不同配置二级换热设备[5]，再由二级管网送至末端用户。地热水的开采/回灌设计温度为65 ℃/14 ℃，实现热量梯级提取利用；地热源与采暖用户之间采用两级换热，一级管网设计温度62 ℃/10 ℃，二级管网地暖用户设计温度40 ℃/30 ℃、散热器用户设计温度70 ℃/50 ℃。计算单口地热井的供热能力为：1.163×(65-14)×100=5 931.3 kW。联网一级管网系统运行压力在0.8 MPa以下。

项目供暖用户以地暖为主，散热器用户仅占12%，图2系统中一级管网送往地暖用户的供水温度略低于62 ℃。供地暖用户的二级换热站可以直接采用地热水换热，无需补热措施；站内设置高温/低温板换和电动压缩式热泵对地热水进行梯级降温，拉大地热开采/回灌尾水之间的温差，实现地热水热量最大限度的利用，降低地热水小时开采量。

供散热器用户的二级换热站采用地热水作为基本负荷，尖峰负荷利用燃气/生物质锅炉或其他热源作为高温补热，满足散热器用户供水温度要求。

2.2.2地热源独立供热系统

对于热用户系统独立或离集中输配一级管网较远的区域，采用地热源独立供热系统。地热井开采水经过两级板换梯级降温，尾水回灌；用户侧循环水经电动压缩热泵和板换加热后，直供用户；对于散热器用户还需增加燃气/生物质锅炉或其他热源作为高温补热措施(见图3，图4)。

2.3 集中供热系统运行方式

集中供热系统采用以地热源作为主要负荷、其他补充热源作为尖峰负荷的运行策略[6]。地暖用户系统以地热源供热为主。散热器用户系统在采暖室外温度大于-2 ℃时，利用地热作为基本负荷可满足供热需求，且尚有富余；在采暖室外温度小于-2 ℃时，地热源基本负荷需100%投运，不足部分由燃气/生物质锅炉进行补充(见图5)。

采用地热源作为基本负荷，尽量减小补充热源的运行时间和供热量，降低高品位能源的消耗。

3 供热系统效益分析

3.1 经济性分析

3.1.1工程造价

项目造价包括地热井造井、地面站房、供热管网、二级换热站内设备(设施)和工程建设其他费用(包括立项、评估、勘察设计、预备费、流动资金、建设期贷款利息等)，具体见表1。

表1 项目造价汇总表

3.1.2运行费用

运行费用主要包括电费、燃气费(燃气锅炉补热)、水费、人工费、其他费用等。供暖期按150 d计，系统每天运行24 h。电费和燃气费为供热能源消耗，水费为一级、二级管网补水消耗；人工费按新增24人计，工资取3.6万元/(人·年)；其他费用包括排污费、管理费、税金等，取总造价的2.5%[7](未考虑设备折旧费)。项目供暖后的运行费用见表2。

表2 项目供暖后的运行费用

3.1.3供暖期收益

项目自2015年采暖季启用，现已实施供热面积约150万 m2，通过三个采暖季运行，供热效果良好。项目区域属于太原高新科技园区，用户以公共建筑为主，供暖收费标准按37.5元/(m2·年)(7.5元/(m2·月))计，则每年供暖期收益为3 225.0万元/年。

3.1.4静态投资回收期

项目属于清洁能源集中供热项目，计入政府及相关部门贴费和供热初装费，配套费达80元/m2。计入配套费，项目税后静态投资回收期5.33年，税后财务内部收益率为16.81%，经济效益良好。

3.2 节能减排效益

本项目与采用大型燃煤锅炉房集中供热相比，节能减排效益见表3。

表3 项目节能减排效益表

4 结语

1)太原南部区域地热资源丰富，项目所处热田属于宜开采和开采经济地热田，地热井出水量稳定、出水温度较高，利用该区域中深层地热实施城镇集中供热条件适宜。对地热开采应遵循地热井布局合理、开采井与回灌井同层回灌、地热水热量梯级利用、“取热不取水”等原则，实现地热的可持续开发利用。

2)地热水供热系统宜采用多个地热井集中联网、一级管网统一输配、两级间接换热的方式；供热运行中，以地热源作为基本负荷，调峰负荷采用燃气锅炉和其他热源形式。

3)项目在计入配套费情况下，静态投资回收期5.33年，经济效益良好；同时，项目的节能减排效益显著。