引言

在“雙碳”目標(biāo)背景下,城鎮(zhèn)供暖作為能源消耗和碳排放的重點領(lǐng)域,其清潔化轉(zhuǎn)型具有重要意義。北方縣域城鎮(zhèn)傳統(tǒng)供暖多依賴燃煤鍋爐,存在能耗高、污染嚴(yán)重、供熱穩(wěn)定性不足等問題,與綠色低碳發(fā)展要求存在明顯差距。

 

中深層地?zé)?/a>作為儲量豐富的清潔可再生能源,其開發(fā)利用技術(shù)已成為研究熱點。國外在中深層地?zé)?/a>供熱領(lǐng)域起步較早,形成了成熟的采灌均衡技術(shù)體系,實現(xiàn)了地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)。近年來,我國加大了中深層地?zé)衢_發(fā)力度,主要采用“取熱不取水”的間接換熱模式, 核心技術(shù)包括地?zé)峋?/a>鉆井工藝優(yōu)化、高效換熱設(shè)備選型、 回灌技術(shù)改進(jìn)等。

 

文中以山東省冠縣某新建小區(qū)為研究對象,圍繞 “中深層地?zé)衢_采-梯級換熱-同層回灌-熱泵耦合”一體化技術(shù)體系展開研究。

 

1 項目概況

冠縣位于山東省西部,冬季極端最低氣溫達(dá) -20.1 ℃,供暖需求迫切且持續(xù)時間長(每年1 1月15日~ 次年3月15日,共120 d)。城區(qū)某新建小區(qū)建筑面積 1 1.25 萬m2,亟需清潔供暖解決方案,要求供暖系統(tǒng)滿足供回水溫度為45/35 ℃,熱負(fù)荷適配30~50 W/m2的新建節(jié)能建筑需求,實現(xiàn)環(huán)保零排放、運行穩(wěn)定可靠。針對上述需求,研究適配縣域特點的中深層地?zé)?/a>集中供熱技術(shù)替代傳統(tǒng)燃煤供暖模式,成為推動區(qū)域能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵舉措。

 

2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

2.1 地?zé)豳Y源評價

2.1.1 地?zé)豳Y源評價方法

采用熱儲法結(jié)合水文地質(zhì)分析法對冠縣館陶組熱儲層進(jìn)行評價。

Qz=Q r+Q w=Adρ rc r(1-φ)(t)r-t01+ QLc wρ w(t)r-t01( 1) 式中:Qz——熱儲總熱量,J;Q r——巖石儲熱量, J;Qw——水體儲熱量,J;A——計算區(qū)面積,m2;d——熱儲厚度,m;ρr——巖石密度,kg/m3;c r——巖石比熱, J/(kg·℃);φ——孔隙度;tr——熱儲溫度,℃;t 01——年平均氣溫,℃;QL——熱儲水量,m3;c w——水的比熱, J/(kg·℃);ρw——水的密度,kg/m3。

通過區(qū)域地質(zhì)資料分析和鄰井?dāng)?shù)據(jù)類比,確定評價區(qū)塊館陶組熱儲參數(shù)。頂板埋深為1 335.0 m,底板埋深為 1 700.0 m,熱儲厚度271.4 m,孔隙度25.2%,滲透率600×10- 3 μm 2,熱儲溫度60 ℃。結(jié)果表明,評價區(qū)塊總地?zé)豳Y源量為2.75×101 6 J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤93.80 萬t;可利用地?zé)?/a>資源量0.69×101 6J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤23.45 萬t,具備開發(fā)價值。

 

2.1.2 井位優(yōu)化與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于采灌均衡原則,采用“一采一灌”井位布置模式,設(shè)計井取水點間距為500 m,避免采灌干擾和熱突破。生產(chǎn)井采用直井設(shè)計,回灌井采用定向井設(shè)計,均為二開井身結(jié)構(gòu)。

一開:Φ444.50 mm鉆頭鉆至450.00 m,下入 Φ339.70 mm×9.65 mm J55套管,水泥固井至地面;二開: 生產(chǎn)井Φ241.30 mm鉆頭鉆至1 700.00 m,回灌井鉆至 1 893.00 m,下入Φ177.80 mm×8.05 mm J55套管,濾水管完井。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮冠縣地層特性,采用石油套管加工濾水管,提高熱儲層連通性和回灌效率。通過水文經(jīng)驗公式計算,單井影響半徑為236.00 m,確保采灌均衡和熱儲層壓力穩(wěn)定。

 

2.1.3 水量水溫預(yù)測

根據(jù)穩(wěn)定流抽水試驗結(jié)果,對涌水量Q與單位涌水量降深SW/Q的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,確定流量與單位涌水量降深(SW/Q)曲線方程。同時,基于地?zé)峋?/a>抽水試驗數(shù)據(jù)建立計算模型,選取3組涌水量值及其對應(yīng)的穩(wěn)定降深值,采用曲線誤差擬合法繪制涌水量與水位降深關(guān)系曲線。抽水試驗井涌水量方程擬合曲線如圖1所示。由圖1可知,涌水量與單位涌水量降深呈指數(shù)曲線關(guān)系。 當(dāng)確定設(shè)計水位降深值后,代入該曲線方程,可以計算地?zé)?/a>井的允許開采量。

依據(jù)《地?zé)?/a>資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 1 1615—2010),地?zé)衢_采計算中的壓力降低值通常不應(yīng)超過 0.3 MPa(約30 m水位降深),其最大值不高于0.5 MPa (約50 m水位降深)。結(jié)合項目所在區(qū)域的實際地質(zhì)條件與地?zé)?/a>開采特征,基于地?zé)峋?/a>現(xiàn)場抽水試驗實測數(shù)據(jù), 通過曲線擬合方法進(jìn)行預(yù)測。當(dāng)單井采水導(dǎo)致水位降深達(dá)35 m時,該井穩(wěn)定涌水量可維持在80 m3/h以上。

熱儲層溫度預(yù)測采用井溫梯度法。

t=(H-h)G+t0(2) 式中:t——熱儲層溫度,℃;H——熱儲層埋深, 取預(yù)測熱儲層頂?shù)装迓裆畹钠骄?為1 550 m;h——恒溫層頂界面埋深,取值為20 m;G——增溫梯度,采用區(qū)域井溫調(diào)查統(tǒng)計的平均值,取值為3.20 ℃/100 m;t0—— 恒溫層溫度,以當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟扔?取值為12.8 ℃。

經(jīng)計算,本項目熱儲中點溫度約為61.7 ℃。地?zé)崃黧w在從熱儲層經(jīng)井筒向井口運移的過程中,受流動速度、 涌水量規(guī)模、井壁摩擦阻力等因素影響,井口流出溫度低于熱儲層內(nèi)原生流體溫度,且該溫度損失隨涌水量減小而愈發(fā)明顯。根據(jù)區(qū)域同類項目實踐經(jīng)驗,本區(qū)地?zé)峋?/a>的井口熱流體溫度普遍低于對應(yīng)熱儲層溫度1~2 ℃。因此,預(yù)測本項目地?zé)峋疁貫?0 ℃。

 

2.2 梯級換熱與熱泵耦合供熱技術(shù)

2.2.1 梯級換熱工藝設(shè)計

采用“一級換熱+二級換熱”梯級利用模式,最大化提取地?zé)崮?/a>量。第一,一級換熱。地?zé)崴?/a>(60 ℃)通過板式換熱器加熱供暖循環(huán)水至45 ℃,地?zé)嵛菜?/a>溫度降至 37 ℃。第二,二級換熱。地?zé)嵛菜?/a>(37 ℃)進(jìn)入二級板式換熱器,為熱泵機(jī)組提供低溫熱源,換熱后尾水溫度降至32.73 ℃,經(jīng)回灌處理后注入回灌井。選用工業(yè)級鈦板材質(zhì)板式換熱器,具有耐腐蝕、換熱效率高的特點。高區(qū)一級板式換熱器換熱量1 715 kW,換熱面積89 m2;低區(qū)一級板式換熱器換熱量1 066 kW,換熱面積55 m2;低區(qū)二級板式換熱器換熱量516 kW,換熱面積19 m2。

 

2.2.2 熱泵耦合運行機(jī)制

熱泵作為一種節(jié)能環(huán)保的能源采掘與利用裝置,對低溫熱能的開發(fā)利用具有重要意義。熱泵實質(zhì)上是一種通過消耗一定的高位熱能(電能、天然氣等),將無法直接使用的低位熱能(空氣、水、土壤、太陽能及廢熱等) 提升后轉(zhuǎn)換為可利用的高位熱能,達(dá)到節(jié)約部分高位熱能的節(jié)能裝置。經(jīng)計算,單井間接換熱提供熱量為 2 139.92 kW,熱泵機(jī)組提取地?zé)崴?/a>熱量為397.28 kW, 熱泵性能系數(shù)(COP)按照5.5計算,熱泵可提供熱量為 485.56 kW,在極寒天氣下可滿足區(qū)域供暖需求。

 

2.3 采灌均衡與尾水處理技術(shù)

參考樂陵地區(qū)同類項目回灌經(jīng)驗,結(jié)合冠洲苑北區(qū)1 井回灌試驗數(shù)據(jù)(回灌率97%以上),確定本項目單井采水量為80 m3/h時,可實現(xiàn)100%同層回灌。回灌加壓泵選用變頻控制,設(shè)計參數(shù)流量為100 m3/h,揚程為60 m, 輸入功率為30 kW,以應(yīng)對后期地層堵塞風(fēng)險。此外, 建立采灌流量動態(tài)匹配機(jī)制,通過電磁流量計實時監(jiān)測采灌流量,偏差控制在±5%以內(nèi)。同時,采用氮氣液位計監(jiān)測地?zé)峋畡铀?當(dāng)動水位下降超過3 m時,自動調(diào)整采水流量,以確保熱儲層壓力穩(wěn)定。

 

3 系統(tǒng)集成與現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 設(shè)計思路

該系統(tǒng)遵循“資源適配、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、運維簡便”的原則,采用“地?zé)釣橹鳌岜醚a(bǔ)熱、蓄熱調(diào)峰”總體設(shè)計思路。為滿足小區(qū)冬季供暖需求,項目采用地?zé)崴?/a>作為熱源,供回水溫度設(shè)計為45/35 ℃,供暖系統(tǒng)在設(shè)計階段配置1口生產(chǎn)井,生產(chǎn)井地?zé)崴?/a>流量為 80 m3/h,出水溫度60 ℃。供暖系統(tǒng)將地?zé)崴M(jìn)行梯級利用,采用“間接換熱、梯級利用、采灌均衡”的工藝流程為小區(qū)供暖系統(tǒng)提供熱源。末端熱用戶采用地板輻射供暖,采暖系統(tǒng)分高低區(qū),高區(qū)通過一級板式換熱器供暖,低區(qū)通過一級板式換熱器和熱泵機(jī)組供暖。當(dāng)?shù)蛥^(qū)采暖熱負(fù)荷較小時,僅開啟地?zé)崴g接換熱供暖,隨著采暖熱負(fù)荷增大,開啟熱泵機(jī)組制熱,以滿足用戶供暖需求。工藝流程如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由地?zé)衢_采單元、換熱單元、熱泵單元、蓄熱單元、回灌單元及配套系統(tǒng)組成。地?zé)衢_采單元包括 1口生產(chǎn)井(垂深1 700 m)、1口回灌井(垂深1 700 m, 進(jìn)尺1 893 m),配備潛水泵(流量為100 m3/h,揚程為 162 m,輸入功率為75.0 kW)和回?fù)P泵(參數(shù)同潛水泵)。換熱單元包括3臺板式換熱器(高區(qū)一級、低區(qū)一級、低區(qū)二級);熱泵單元包括1臺螺桿式熱泵機(jī)組(制熱量486 kW);循環(huán)單元包括高區(qū)供暖循環(huán)泵2臺(流量為130 m3/h,揚程為34.3 m,輸入功率為18.5 kW),低區(qū)供暖循環(huán)泵2臺(參數(shù)同高區(qū)),熱泵側(cè)循環(huán)泵1臺(流量為40 m3/h,揚程為22 m,輸入功率為4.0 kW);補(bǔ)水回灌單元包括補(bǔ)水泵4臺(高區(qū)2臺、低區(qū)2臺)、回灌加壓泵2臺、回灌過濾裝置1套;配套系統(tǒng)供配電、自控、通信、暖通、給排水及消防系統(tǒng)。

 

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

由表1可知,系統(tǒng)在2025年供暖季投入運行,供水溫度為(45±2) ℃,滿足地板輻射供暖需求,室內(nèi)溫度為 20~22 ℃,系統(tǒng)供暖穩(wěn)定性為99%。與傳統(tǒng)燃煤集中供熱相比,系統(tǒng)節(jié)能減排效果明顯。每個采暖季節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤638.38 t,折合年節(jié)約能源費用約50萬元。年減排二氧化碳1 570.42 t、顆粒物0.04 t、二氧化硫0.28 t、氮氧化物0.40 t。

 

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

項目建設(shè)投資1 061.18萬元,工程費用461.74萬元, 其他費用57.67萬元,預(yù)備費20.78萬元,地?zé)峋M用 520.99萬元。項目供暖面積為1 1.25 萬m2,居民供暖面積為10.87 萬m2,非居民供暖面積為0.38 萬m 2。居民采暖用熱價格為19 元/m2,非居民采暖用熱價格為 25 元/m2,結(jié)合周邊供暖收費率測算項目收入。結(jié)合運行工況及當(dāng)?shù)貙嶋H室外溫度,計算各用電設(shè)備的運行功耗,進(jìn)而得出全年總耗電量35.09 萬kWh,全年動力成本為25.28萬元。動力成本計算如表2所示。

 

若不考慮碳權(quán)收入帶來的收益,稅前靜態(tài)投資回收期為10.26 a,財務(wù)內(nèi)部收益率9.79%,財務(wù)凈現(xiàn)值 77.99萬元;稅后靜態(tài)投資回收期1 1.15 a,財務(wù)內(nèi)部收益率8.41%,財務(wù)凈現(xiàn)值17.57萬元;累計未計入時間價值 (EVA)249.29萬元,投資利潤率為3.41%。

 

稅后財務(wù)內(nèi)部收益率敏感性分析如圖3所示。由圖3 可知,對項目財務(wù)內(nèi)部收益率產(chǎn)生明顯影響的關(guān)鍵因素主要包括動力成本、建設(shè)投資及供暖費收入,上述因素的變動均會在不同程度上對財務(wù)內(nèi)部收益率產(chǎn)生影響。 建設(shè)投資對項目經(jīng)濟(jì)效益的敏感程度最高,應(yīng)在確保供熱質(zhì)量的前提下,優(yōu)選技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的方案,嚴(yán)控工程總投資規(guī)模。供暖費收入對經(jīng)濟(jì)效益的影響程度居中, 為提升項目收益,一方面應(yīng)積極與相關(guān)部門溝通,爭取合理的收費標(biāo)準(zhǔn);另一方面需要健全收費管理制度,保障足額收繳。動力成本的影響相對較小,但仍需要通過優(yōu)化運行策略、落實操作規(guī)程等方式降低能耗與運行費用,以進(jìn)一步提升項目整體經(jīng)濟(jì)效益。

4 技術(shù)創(chuàng)新點

第一,通過熱儲法與水文地質(zhì)分析相結(jié)合,實現(xiàn)井位合理布置,采用“一采一灌”井位布置模式,設(shè)計井取水點間距為500 m,避免采灌干擾和熱突破。第二,研究“梯級換熱+熱泵耦合”供熱技術(shù),單井間接換熱提供熱量為2 139.92 kW,熱泵機(jī)組提取地?zé)崴疅崃繛?397.28 kW,極端低溫天氣下供熱保障能力增強(qiáng)。第三, 構(gòu)建“無壓回灌+精密過濾+動態(tài)監(jiān)控”采灌均衡系統(tǒng), 建立采灌流量動態(tài)匹配機(jī)制,通過電磁流量計實時監(jiān)測采灌流量,偏差控制在±5%以內(nèi)。同時,采用氮氣液位計監(jiān)測地?zé)峋畡铀?當(dāng)動水位下降超過3 m時,自動調(diào)整采水流量,以確保熱儲層壓力穩(wěn)定。

 

5 結(jié)語

文中針對北方縣域城鎮(zhèn)供暖清潔化轉(zhuǎn)型的迫切需求, 系統(tǒng)研究了“中深層地?zé)?/a>開采+梯級換熱+同層回灌+熱泵耦合”一體化供熱技術(shù)體系。通過熱儲法與水文地質(zhì)分析相結(jié)合的地?zé)?a href="http://www.xinke1.com/t/資源評價.html" >資源評價、梯級換熱與熱泵耦合工藝優(yōu)化、采灌均衡動態(tài)調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建了清潔高效的供熱系統(tǒng)。結(jié)果表明,系統(tǒng)供暖穩(wěn)定性達(dá)99%,供回水溫度45/35 ℃,滿足新建節(jié)能建筑供暖需求;與燃煤集中供熱相比,年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤638.38 t,減排二氧化碳 1 570.42 t,經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益明顯。本研究為北方縣域中深層地?zé)峁?/a>工程提供了可復(fù)制、可推廣的技術(shù)參考,對推動城鎮(zhèn)供暖清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型具有重要意義。 未來,可進(jìn)一步聚焦熱泵機(jī)組低溫性能提升與智能調(diào)控算法優(yōu)化,拓展該技術(shù)在類似氣候區(qū)域的推廣應(yīng)用,助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。