地热尾水在供热系统的综合利用

摘 要

摘要：对利用地热尾水余热结合水源热泵进行供热的工程实例进行了探讨。介绍了供热系统流程、设备选型，计算了系统造价、年运行费用。与传统集中供热系统的经济性、环保性进行了
摘要：对利用地热尾水余热结合水源热泵进行供热的工程实例进行了探讨。介绍了供热系统流程、设备选型，计算了系统造价、年运行费用。与传统集中供热系统的经济性、环保性进行了比较。
关键词：地热尾水；供热系统；水源热源
Comprehensive Utilization of Geothermal Tail Water in Heating System
ZHANG Ke，JIA Pei，SHI Guang-wei
Abstract：The project case of using residual heat from geothermal tail water and water source heat pump for heating is discussed. The process of heating system and equipment lectotype are introduced，and the system fabrication cost and the annual operation cost are calculated. A comparison for economic efficiency and environmental protection between this system and traditional centralized heating system is made.
Key words：geothermal tail water；heating system；water source heat pump
1 工程概况
    某项目位于天津市，周边地热井开采目的层均为蓟县系雾迷山组。新开采的地热井出水温度为80℃，出水量为100m3/h，该项目范围内已有回灌井1眼，新开凿回灌井1眼。由于周边地热井均为单采系统(不回灌)，为了保证资源可再生性，考虑对地热尾水再利用。本项目利用地热尾水和新开采地热水代替常规热源进行供热，对利用后地热水进行回灌。该项目总供热面积为42×104m2，总设计热负荷为16950kW。
　　公共建筑供热面积为3×104m2，末端为风机盘管，供暖系统供、回水温度为55、45℃，热指标为45W/m2，热负荷为1350kW。居住建筑为24层高层建筑，分为高中低区，供热面积为39×104m2，末端为地板辐射供暖系统，供暖系统供、回水温度为42、32℃。热指标为40W/m2，各区的建筑面积均为13×104m2，各区热负荷均为5200kW。
    根据项目所在地及周边地热井现状，可利用热源为1眼新开采地热井、3眼地热井尾水，并有2眼回灌井。将3眼地热井尾水混合应用，混合后温度约43℃，考虑尾水输送过程中热损失，计算温度取42℃；新开采的地热井单独利用。在计算地热井产热量时，地热水终温取35℃。地热井的具体参数见表1。
表1 地热井的具体参数
地热井
质量流量/(t·h-1)
地热水温度/℃
混合后地热水温度/℃
产热量/kW
1号井
120
46
42
2442
2号井
80
36
3号井
100
46
新开采井
100
80
—
5233
2 系统流程
2.1 热源分配
    根据计算结果可知，地热井的产热量无法满足项目负荷要求，因此考虑采用水源热泵辅助供热。具体配置如下：居住建筑低区利用新开采井直接供热，中区采用1～3号井部分混合后的尾水通过水源热泵供热，高区采用1～3号井剩余尾水通过水源热泵供热；公共建筑采用新开采井尾水通过水源热泵供热。
2.2 系统流程
   ① 新开采井地热水利用系统
新开采井地热水利用系统流程见图1。居住建筑低区系统：地热水经除砂器后进入低区换热器，换热器一级侧进、出水温度为80、35℃，二级侧进、出水温度为32、42℃。公共建筑系统：公共建筑换热器的一级侧进、出水温度为35、25℃，二级侧进、出水温度为17、25℃。热泵冷凝器侧进出水温度为45、55℃。地热水回灌温度为25℃。
 
② 1～3号井尾水利用系统
1～3号井尾水利用系统流程见图2。
1～3号井尾水混合后的温度约42℃，经两次换热后回灌。中区与高区并联，均通过一级换热器提供基础负荷，不足部分负荷由热泵提供。地热水回灌温度约15℃。
3 设备选型
① 换热器
 
式中A——换热器的换热面积，m2
    s——安全系数，宜采用1.10～1.15
    Φ——换热量，W
    ε——水垢和传热介质分布不均匀对传热效率的影响系数，取0.6～0.8
    K——换热器的传热系数，W/(m2·K)
△t——换热器的计算温差，℃
由式(1)计算可得换热器换热面积(见表2)。
表2 换热器的换热面积计算结果
换热器
换热面积/m2
材质
低区换热器
160.7
钛板
公共建筑换热器
44.6
316型不锈钢
中区一级换热器
102.8
中区二级换热器
201.4
高区一级换热器
102.8
高区二级换热器
201.4
    ② 水源热泵
    根据设计热负荷，考虑热泵机组制热性能系数，水源热泵的计算选型结果见表3。
表3 水源热泵的计算选型结果
水源热泵
数量/台
单台制热量/kW
单台功率/kW
公共建筑水源热泵
1
1480
320
中区水源热泵
2
2152
460
高区水源热泵
2
2152
460
③ 水泵
根据项目末端各系统情况，选择各系统适合的循环泵和补水泵，各种水泵具体性能参数见表4。
表4 各种水泵具体性能参数
水泵
数量/台
扬程/m
流量/(m3·h-1)
单台功率/kW
低区供暖循环泵
3(2用1备)
37
240
55.0
中区供暖循环泵
3(2用1备)
37
240
55.0
高区供暖循环泵
3(2用1备)
37
240
55.0
公共建筑供暖循环泵
2(1用1备)
36
144
22.0
中区热泵循环泵
2(1用1备)
32
100
15.0
高区热泵循环泵
2(1用1备)
32
100
15.0
公共建筑热泵循环泵
2(1用1备)
24
150
15.0
低区补水泵
2(1用1备)
40
20
5.5
中区补水泵
2(1用1备)
70
22
11.0
高区补水泵
2(1用1备)
102
20
18.5
管道加压泵
2(1用1备)
38
374
55.0
新开采井潜水泵
2(1用1备)
120
100
55.0
   ④ 电气及自动化设备
   地热站内主要设备以自动控制为主，循环泵、补水泵、潜水泵采用变频控制。根据工艺要求，热控信号采用数字显示仪表进行集中监控。
4 系统造价及运行费用
    系统造价主要包括地热站主要设备、电气设备、管网造价及电力增容费等(见表5)。系统造价为2086.92×104元，单位供热面积系统造价为49.7元/m2。
表5 该项目的系统造价    元
项目
造价
主要设备造价
931.22×104
电气设备造价
139.60×104
管网造价
453.60×104
电力增容费
562.50×104
合计
2086.92×104
    系统年运行成本主要包括电费、地热水费、自来水费、人工费、维修管理费、折旧费等(见表6)。冬季供暖时间按照120d、每日运行24h计算。由于水泵采用变频调节，设备运行负荷可根据室外温度变化逐时调节，因此系统满负荷运行时间按1728h计算。补水系统运行时间按500h计算。电价为0.71元/(kW·h)，自来水价为5.6元/t，采用回灌工艺的地热水价为0.6元/t，未采用回灌工艺的地热水价为2元/t。人员工资按照每人每月1500元计算，工作人员为8人。系统年运行成本为421.57×104元，单位供热面积的运行成本约10元/m2。
表6 该项目的年运行成本    元/a
项目
年运行成本
电费
328.45×104
地热水费
16.54×104
人工费
14.40×104
维修管理费
13.67×104
折旧费
48.51×104
合计
421.57×104
5 经济性及环保性分析
    从系统造价、年运行成本、环境影响等方面比较该项目与传统集中供热系统，比较结果见表7。地热资源的开发采取了循环利用集约化供热工艺，可有效减少常规燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量，降低了城市污染的治理费用，有效地保护了生态环境，有明显的环境效益。利用3眼地热井尾水结合水源热泵满足项目部分负荷需求，不仅充分利用了清洁能源，而且回灌技术的应用使原来3眼单采地热井实现了采灌结合循环使用，降低了地热水排放量。
表7 该项目与传统集中供热系统的比较
比较方面
该项目
传统集中供热系统
单位供热面积造价/(元·m-2)
49.7
92.0
单位供热面积年运行成本/(元·m-2)
10
25
环境污染
无污染
有有害气体排放
6 结论
    ① 利用地热尾水与水源热泵联合的供热方式，充分利用了可再生能源。
    ② 与传统供热方式相比，该项目在系统造价、运行成本、环境影响方面都具有较大优势。
③ 地热资源虽然具有一定局限性，但在天津等华北地区的应用具有一定优势。
 
(本文作者：张珂 贾佩 时光伟 天津地热勘查开发设计院 天津 300250)