基本介紹
- 中文名：地熱供熱
- 外文名：geothermal heating
- 主要熱源：地熱能
- 主要形式：純地熱水換熱、壓縮式換熱等
- 適用範圍：平均地溫梯度大於2.5℃/100m等
- 開發風險：鑽井風險、地面沉降、熱污染等
背景,主要形式,適用範圍,供熱生產過程,工藝流程,技術指標,市場條件,地熱供熱投入,初投資,運行費,地熱供熱產出,開發地熱風險,
背景
當今社會，常規化石能源日漸短缺，而在總能耗中，民用採暖耗能比例逐年增長。地熱作為一種無污染、可再生的清潔能源，與煤炭、石油和天然氣等傳統的化石能源相比，具備數量巨大、可再生、低碳、環保、就地取用等優勢。同時地熱資源的開發也符合國家的節能減排政策。2013年初，國家能源局、財政部、國土部和住建部聯合發布的《關於促進地熱能開發利用的指導意見》，更增大了對地熱能這一新能源的開發利用的政策支持。
勝利油田所處區域存在豐富的地熱水資源，地熱水溫度較高，具有較好的利用價值。早在2002年，勝利油田就開始在其外圍區域採取地熱供熱的形式。隨著我國環保問題的加劇，以環保和節能為主要特徵的地熱供熱形式越來越得到國家和集團公司的重視和認可。勝利油田擁有豐富的地熱資源，在地熱利用方面具有天然的優勢，在技術允許的條件下，合理地選擇地熱供熱方式，不僅有利於能源的可持續性利用、環境的保護，同時還可以提高企業的經濟效益，降低供熱成本。
另外，我國許多地區有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源,用於供熱,是用得其所;只要利用得當即可持續發展,仍能保護生態環境的完整性。10年來我國低溫地熱供熱已積累了許多適用經驗,開發低溫地熱起決定作用的是市場,按照價格規律,著力培育市場,地熱供熱可形成獨立的產業,先供給城鎮居民採暖、生活熱水,根據可能再相繼發展烘乾、溫室、養殖等綜合利用產業,可成為鄉鎮地區的帶頭產業。實踐經驗證明地熱開發利用可以獲得高的經濟、社會和環境效益。供熱產業市場前景好,因供熱是生活必需的;技術不太複雜,比較簡便易學;在供熱的基礎上,還可以開發多項產業部門複合的綜合利用技術;有推廣價值;結合我國當前鄉鎮經濟蓬勃發展形勢,地熱區域供熱具有時間超前性與長效性;國內可提供軟硬體配套的全部技術設備。各地可根據當地經濟發展水平,分析近期市場需求變化情況,結合地熱資源條件,抓住時機興建地熱供熱產業,獲取經濟和社會效益。
主要形式
地熱供熱常見的供熱形式有三種：純地熱水換熱供熱、地熱水換熱+壓縮式熱泵供熱、地熱水換熱+吸收式熱泵供熱。
純地熱水換熱供熱
從開採井出來的70℃的高溫水，經過汽水分離器和旋流除砂器的處理後，進入換熱器與二級網熱水換熱。換熱後溫度降至38℃，經過回注泵加壓後注入回注井中。二級網熱水（採暖熱水）經過換熱後，溫度由35℃升高至45℃，為熱用戶供熱。
此種供熱方式的換熱量與開採井出水量、出水溫度和二級網供回水溫度密切相關。參考勝利油田目前在用的地熱井參數，假設新建開採井出水量為66m3/h，出水溫度取70℃，排水溫度取38℃。經計算，單井換熱供熱量為2.46MW，單個新建小區若熱負荷需求在2.46MW的情況下，採用純地熱水直接換熱的方式就可以滿足供熱需求。
地熱水換熱+壓縮式熱泵供熱
當開採井供熱能力大於供熱單元的熱負荷需求時，地熱水經過換熱器與二級網熱水直接換熱，從換熱器出來的地熱水被直接注入回注井中；當開採井供熱能力小於供熱單元的熱負荷需求時，地熱水首先經過換熱器與二級網熱水直接換熱，換熱後的地熱水溫度降低至38℃，然後經過壓縮式熱泵，將熱量傳遞給二級網熱水，地熱水最終降至18℃左右回注至地層。通過板換換熱的二級網熱水和經過熱泵換熱的二級網熱水匯集在一起，進入熱用戶為熱用戶供暖。壓縮式熱泵的性能係數較高，一般在4～6之間。
地熱水換熱+吸收式熱泵供熱
此種供熱形式與地熱水換熱+壓縮式熱泵供熱形式相似，不同之處在於，這裡採用的是第一類吸收式熱泵進行供熱能力的補充。第一類吸收式熱泵的性能係數大於1，一般為1.5～2，並需要採用集中供熱的一級網熱水作為吸收式熱泵的驅動熱源。
適用範圍
平均地溫梯度大於2.5 ℃/100 m,允許鑽地熱井的地區;需要和可能培育起集中供應生活熱水市場的城鎮住宅、工業區;可能投資興建生產過程需要大量40～ 90℃熱水企業的地區,如農產品低溫烘乾、蔬菜花卉溫室、工業生產過程用熱水漂洗等;冬季需要供暖的地區。
供熱生產過程
工藝流程
在供暖季抽出地熱水經熱水錶、除砂器到換熱器,加熱供暖用的循環水;地熱放熱後進入曝氣罐,用熱風強制通風經曝氣、加壓過濾除鐵後,送入儲水箱;地熱水再經加壓泵向用戶供生活熱水。供暖系統循環水經換熱器被加熱,然後供至採暖用戶的散熱器或風機盤管,向室內供暖。如果設有供暖調峰,在嚴冬時部分水流經鍋爐再加熱後供出。在非供暖季,地熱水直接進入曝氣罐,經過濾除鐵後送入儲水罐向外供水。在非供暖地區,取消換熱器,只設井口裝置和水處理設施。
技術指標
70℃的100 t/h地熱水,約可供5萬m2住宅建築取暖;系統如增加一台2 t/h調峰鍋爐,供暖面積可達到7萬m2。井口裝置、水處理和供暖系統可防地熱水腐蝕;除鐵過濾後供生活用地熱水不污染衛生潔具;變頻調速設備能按需調節抽取地熱水,系統可節水節電。
市場條件
在當地具有普通的地熱資源條件下,開發低溫地熱起決定作用的是市場,第一步先要弄清市場有多大,市場在哪裡,如何才能占領市場。供暖和供生活熱水的消費需求與住的需求緊密相連,我國供熱消費發展總的來看已進入初步發展期,人們對公共產品供熱需求正急驟增加,這種需求有較可靠的培育性和可測性,是否有集中供暖在北方是住房銷售的重要條件。集中供應生活熱水和集中供暖的市場需求有較大差別。南方、北方居民都需要供應熱水,是全年需要,但人們的熱水消費量與經濟收入水平關係密切,目前不僅是賓館,有的住宅也希望全年有熱水供應,這就要結合當地經濟收入發展水平,分析近期增長變化速度,我國的需求正處於急速轉變期中。
供暖與供熱水是沒有排它性的公共產品需求,要滿足民眾迅速增長的需求,只有走產業化道路,藉助各方集資。目前有的地方政府允許有能力對外供熱的單位收取一次性熱源集資費。供每m2建築採暖可收費額,較低的是50元/m2左右,用以籌建熱源,這比自建鍋爐房投資要節約一半左右。可以用此項集資籌建地熱供熱站,然後逐步發展滾動開發。已有鍋爐房供熱的區域開發地熱,可把原有鍋爐房作調峰和備用熱源,鍋爐房仍然有用。天津和西安地區大約有一半的地熱井,是在原已有鍋爐房集中供熱的區域發展起來的,地熱利用向深度和廣度開發尋求效益的機會是眾多的。目前情況大多是一口地熱井建成後,先用一部分熱供暖、供生活熱水;隨著地熱供暖需求擴大,逐步發展把地熱用足;然後增加調峰鍋爐房,再擴大供暖面積;下一步是開展全年綜合利用項目,提高地熱利用率;再進一步可以是利用水源式熱泵,從地熱排放水中提取熱量,繼續擴大供熱效益。
地熱供熱投入
地熱開發投入是初投資和運行費,有下面幾個主要構成因素。
初投資
①井費主要由井深決定。目前最常用的地熱井套管直徑224 mm(958in)的全部鑽井費,在井深為1 000～ 3 000 m範圍內,市場價格可用每m深費用1 200元左右估算。
②井口設備包括耐熱潛水電泵、密封井口裝置、除砂器、變頻調速設備等。目前一口出水量100 t/h左右的地熱井,井口全套費用大約30萬元。
③換熱站地熱直接供暖不需要換熱器;用間接供暖時,大多數情況下,要用鈦板換熱器才能抵抗地熱水的腐蝕。相應於供暖住宅建築總面積,每m2供暖面積,換熱設備和安裝費投資大約要增加6～ 12元。
④調峰加熱設備有人認為低溫地熱供暖溫度不夠高才加調峰措施,這是一種誤解,甚至在地熱水溫超過95℃時,地熱供暖也應加調峰措施。因為地熱系統的初投資高,運行費低,正適用於供暖的基本負荷;相反調峰措施初投資比地熱低,燃料消耗費高,用於尖峰負荷,累積燃料消耗少。地熱加調峰兩相配合,可揚長避短,地熱利用率可提高,供暖面積可大幅增加。確定調峰設施容量是較複雜的問題,先要按用戶近期或遠期供暖高峰負荷要求;其次要依地方條件、環保要求,然後再由技術經濟條件決定。涉及調峰設備的初投資、熱源種類和熱源價格,目前可考慮的方式有燃煤、燃氣、燃油和電熱。初投資和熱源價格低的,調峰容量可選得大一些;反之,就應把調峰容量選得小一些。變化範圍可以是供暖高峰設計負荷的5%～ 50%。
⑤室外管網地熱直接供暖,室外管網通常只一根,但要根據地熱水質,適當考慮防腐措施;如用地熱間接供暖,換熱站以後的管網與鍋爐房供暖方案投資是相似的。
⑥終端散熱設備如果選用普通鑄鐵散熱器,投資費與鍋爐供暖相比,其差別取決於利用溫降的區別。為提高地熱利用率,要盡力降低排放水溫,這要以增加散熱器的散熱面積為代價才可能實現。普通室內供暖散熱器的散熱能力是由散熱器平均溫度與室內空氣溫差決定的。以常用的鑄鐵四柱813型散熱器為例,如用tg1= 70℃、th1= 45℃作為設計工況下的地熱供暖系統所需散熱器面積為f1,與tg= 95℃ ,th= 70℃常規供暖系統所需散熱器面積f相比較,在室內散熱量相同情況下,散熱器數量要增加將近一倍,即f1= 2 f。如果認為管道安裝費相同,每m2建築供暖造價就要額外再增加30%～ 40%。10年來,多項原常規95℃/70℃系統改用低溫地熱供暖時,增加的散熱器片數量,並不需要像上述計算方法算出的那樣多。這是由於地熱供暖是連續的,運行經驗和測定分析告訴我們,我國目前多數供暖系統,用於可靠的連續供暖時,已安裝的散熱器餘量甚大。用低溫連續供暖時,不能簡單地在原95 ℃/70 ℃系統上疊加散熱設備,應當正確確定單位面積建築熱負荷,避免浪費終端散熱設備。
運行費
運行費主要包括:電費、地方收取的地熱水資源費和調峰鍋爐消耗的燃料費。
地熱供熱產出
供暖收入
目前可以用18.5元/m2作為與京津地區相似的住宅建築在供暖期(120～ 150 d)的收費參考價格。供暖毛收入可用供暖建築面積× 18.5元/m2估算。對不同的供暖地區,供暖天數如有較大差別,可按當地供暖天數與京津地區比較折算確定價格。如,一口地熱井出水量100t/h,水溫70℃ ,供暖利用溫降25℃ ,則供暖後排出水溫為45℃。可供出熱量為QD= 100 000× 25× 4.186= 2.907kW。設每m2供暖耗熱指標為60 W/m2,則此地熱井可供暖面積為AD= 48 450 m2,表明一口井大約可供50 000 m2取暖。如果設供暖高峰負荷的30%由調峰措施負擔,系統的供暖面積將可擴大到69 214 m2,此時供暖季調峰累積耗熱量大約不超過供暖季總耗熱量的10%。
值得注意的是,因地熱是連續供暖,選擇供暖單位面積熱負荷q時,可不留餘量;要在建築使用允許的條件下儘可能地多布置散熱器或適用於低溫的終端散熱設備,擴大利用溫降,降低排放水溫。
由技術經濟分析和多項工程經驗得出,經濟效益接近最高時,適宜的排放水溫,大多數都在40℃以下;如與燃煤鍋爐房供暖相比較,在兩種系統效益相同情況下,求得的最低排放水溫大多在30 ℃左右。此時散熱器面積要有較多的增加,如布置散熱器過多影響了建築效果是不妥的,因此低溫供暖設計不是受排放水溫的制約,而是受選用什麼樣的散熱設備、能布置多少散熱設備的制約。在沒有條件做詳細分析時,只要散熱設備能布置,設計選定離開散熱設備的水溫在40℃左右,通常經濟上是不會吃虧的。
供生活熱水的收入
地熱水含有各種礦物質,我國已開採的低溫地熱水所含礦物質用於生活洗浴時,絕大多數對健康都是有益的,有的能治療某些疾病,與旅遊、療養產業結合有很高的效益,因含有過量放射性物質而不能用的地熱水很少遇到。現僅就作為普通生活熱水、節約熱能角度與其他熱源比較討論其價值。1 m3 5℃水加熱到45℃ ,需耗淨熱量46.5 kWh。如以煤為燃料,約為3元/m3;以燃氣為燃料,約為6.0元/m3;用電加熱約為20元/m3。計算
中如果再加入各種燃燒設備的初投資和負荷的初裝費分攤,熱水供應的成本還要高許多。上述參數可以作為銷售生活熱水的參考價。熱水供應通常是全年負荷,它的經濟效益比供暖高,所以在我國南方如福建、海南等不需供暖的地區,低溫地熱開發也有高效益。
地熱先供採暖,後供生活熱水是可行的。是否有矛盾,取決於熱水負荷,如果全年熱水負荷已全部滿額,就不可能再考慮供暖,因為熱水負荷效益比供暖高,但這種情況在北方通常是非常罕見的。
地熱水含有的鐵離子常常超過用水標準,供熱水前要經過曝氣、除鐵過濾處理。供熱水所需的水處理設備、貯水箱、定壓供水變頻控制、用戶防腐熱水錶和乾管定溫排放閥等等,都需要投資,但與以m3計價的銷售收入相比,只要情況基本正常,產出仍常會數倍大於投入,能得到高的回報率。最大的問題是能否培育和組織起用戶市場。生活熱水的毛收入可用年供出水量×每m3熱水價估算。
綜合利用收益
搞綜合利用,第一產品要有市場,第二要有經營、生產專家,第三才是用好地熱能。大多情況下地熱是輔助條件,但在有的鄉鎮地區有機會成為關鍵性的啟動產業,獲得高的經濟效益。它的收益要有可信的可行性報告才能估算。
開發地熱風險
市場風險
由於熱水和供暖是生活需要，是公用產品,市場一經建立它就是穩定的，近期幾乎沒有因競爭而丟失市場的風險。
鑽井投資風險
取決於對地下水文資料的掌握和鑽井技術,有可能出現完井後出水量和水溫偏離設計預想的情況。投資方可以要求開發地熱地質、鑽井設計單位承擔,或者由鑽井公司承擔風險。目前在我國可能由鑽井公司與投資方共同承擔更為實際可行,具體條款可在簽定鑽井契約時確定。
地面沉降
根據天津地質專家的觀測,超量開採引起的地面沉降,主要是由粘性土層壓密造成的。據分層標觀測資料,粘性土層壓密造成的沉降約占77.6%,砂層占22.4%[1]。在沉積層開採淺層的地熱水會引起較大的地面沉降,應慎重觀察和逐步採取回灌措施;開採較深的基岩層地熱水,通常對地面沉降影響甚微。
熱污染
為滿足室內供暖需求,在嚴冬時地熱供暖後的排放水溫最高、水量最大,首先可以靠綜合利用,如供生活用熱水、水源式熱泵、越冬水產養殖等,必要時可用人工噴泉結合設計冬季景觀實現降溫,可以避免排水對環境的熱污染。在非供暖季地熱水根據用水需要量出水,依靠井口變頻調速器控制,沒有多餘水量不會有熱污染。
