引言

在“雙碳”目標背景下,城鎮供暖作為能源消耗和碳排放的重點領域,其清潔化轉型具有重要意義。北方縣域城鎮傳統供暖多依賴燃煤鍋爐,存在能耗高、污染嚴重、供熱穩定性不足等問題,與綠色低碳發展要求存在明顯差距。

 

中深層地熱作為儲量豐富的清潔可再生能源,其開發利用技術已成為研究熱點。國外在中深層地熱供熱領域起步較早,形成了成熟的采灌均衡技術體系,實現了地熱資源的可持續開發。近年來,我國加大了中深層地熱開發力度,主要采用“取熱不取水”的間接換熱模式, 核心技術包括地熱井鉆井工藝優化、高效換熱設備選型、 回灌技術改進等。

 

文中以山東省冠縣某新建小區為研究對象,圍繞 “中深層地熱開采-梯級換熱-同層回灌-熱泵耦合”一體化技術體系展開研究。

 

1 項目概況

冠縣位于山東省西部,冬季極端最低氣溫達 -20.1 ℃,供暖需求迫切且持續時間長(每年1 1月15日~ 次年3月15日,共120 d)。城區某新建小區建筑面積 1 1.25 萬m2,亟需清潔供暖解決方案,要求供暖系統滿足供回水溫度為45/35 ℃,熱負荷適配30~50 W/m2的新建節能建筑需求,實現環保零排放、運行穩定可靠。針對上述需求,研究適配縣域特點的中深層地熱集中供熱技術替代傳統燃煤供暖模式,成為推動區域能源結構優化的關鍵舉措。

 

2 關鍵技術研發

2.1 地熱資源評價

2.1.1 地熱資源評價方法

采用熱儲法結合水文地質分析法對冠縣館陶組熱儲層進行評價。

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。

通過區域地質資料分析和鄰井數據類比,確定評價區塊館陶組熱儲參數。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 ℃。結果表明,評價區塊總地熱資源量為2.75×101 6 J,折合標準煤93.80 萬t;可利用地熱資源量0.69×101 6J,折合標準煤23.45 萬t,具備開發價值。

 

2.1.2 井位優化與井身結構設計

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

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。

井身結構設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定。

 

2.1.3 水量水溫預測

根據穩定流抽水試驗結果,對涌水量Q與單位涌水量降深SW/Q的關系曲線進行擬合,確定流量與單位涌水量降深(SW/Q)曲線方程。同時,基于地熱井抽水試驗數據建立計算模型,選取3組涌水量值及其對應的穩定降深值,采用曲線誤差擬合法繪制涌水量與水位降深關系曲線。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曲線關系。 當確定設計水位降深值后,代入該曲線方程,可以計算地熱井的允許開采量。

依據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 1 1615—2010),地熱開采計算中的壓力降低值通常不應超過 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)。結合項目所在區域的實際地質條件與地熱開采特征,基于地熱井現場抽水試驗實測數據, 通過曲線擬合方法進行預測。當單井采水導致水位降深達35 m時,該井穩定涌水量可維持在80 m3/h以上。

熱儲層溫度預測采用井溫梯度法。

t=(H-h)G+t0(2) 式中:t——熱儲層溫度,℃;H——熱儲層埋深, 取預測熱儲層頂底板埋深的平均值,為1 550 m;h——恒溫層頂界面埋深,取值為20 m;G——增溫梯度,采用區域井溫調查統計的平均值,取值為3.20 ℃/100 m;t0—— 恒溫層溫度,以當地年平均溫度計,取值為12.8 ℃。

經計算,本項目熱儲中點溫度約為61.7 ℃。地熱流體在從熱儲層經井筒向井口運移的過程中,受流動速度、 涌水量規模、井壁摩擦阻力等因素影響,井口流出溫度低于熱儲層內原生流體溫度,且該溫度損失隨涌水量減小而愈發明顯。根據區域同類項目實踐經驗,本區地熱井的井口熱流體溫度普遍低于對應熱儲層溫度1~2 ℃。因此,預測本項目地熱井水溫為60 ℃。

 

2.2 梯級換熱與熱泵耦合供熱技術

2.2.1 梯級換熱工藝設計

采用“一級換熱+二級換熱”梯級利用模式,最大化提取地熱能量。第一,一級換熱。地熱水(60 ℃)通過板式換熱器加熱供暖循環水至45 ℃,地熱尾水溫度降至 37 ℃。第二,二級換熱。地熱尾水(37 ℃)進入二級板式換熱器,為熱泵機組提供低溫熱源,換熱后尾水溫度降至32.73 ℃,經回灌處理后注入回灌井。選用工業級鈦板材質板式換熱器,具有耐腐蝕、換熱效率高的特點。高區一級板式換熱器換熱量1 715 kW,換熱面積89 m2;低區一級板式換熱器換熱量1 066 kW,換熱面積55 m2;低區二級板式換熱器換熱量516 kW,換熱面積19 m2。

 

2.2.2 熱泵耦合運行機制

熱泵作為一種節能環保的能源采掘與利用裝置,對低溫熱能的開發利用具有重要意義。熱泵實質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) 提升后轉換為可利用的高位熱能,達到節約部分高位熱能的節能裝置。經計算,單井間接換熱提供熱量為 2 139.92 kW,熱泵機組提取地熱水熱量為397.28 kW, 熱泵性能系數(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域供暖需求。

 

2.3 采灌均衡與尾水處理技術

參考樂陵地區同類項目回灌經驗,結合冠洲苑北區1 井回灌試驗數據(回灌率97%以上),確定本項目單井采水量為80 m3/h時,可實現100%同層回灌。回灌加壓泵選用變頻控制,設計參數流量為100 m3/h,揚程為60 m, 輸入功率為30 kW,以應對后期地層堵塞風險。此外, 建立采灌流量動態匹配機制,通過電磁流量計實時監測采灌流量,偏差控制在±5%以內。同時,采用氮氣液位計監測地熱井動水位,當動水位下降超過3 m時,自動調整采水流量,以確保熱儲層壓力穩定。

 

3 系統集成與現場應用

3.1 設計思路

該系統遵循“資源適配、技術先進、經濟合理、運維簡便”的原則,采用“地熱為主、熱泵補熱、蓄熱調峰”總體設計思路。為滿足小區冬季供暖需求,項目采用地熱水作為熱源,供回水溫度設計為45/35 ℃,供暖系統在設計階段配置1口生產井,生產井地熱水流量為 80 m3/h,出水溫度60 ℃。供暖系統將地熱水進行梯級利用,采用“間接換熱、梯級利用、采灌均衡”的工藝流程為小區供暖系統提供熱源。末端熱用戶采用地板輻射供暖,采暖系統分高低區,高區通過一級板式換熱器供暖,低區通過一級板式換熱器和熱泵機組供暖。當低區采暖熱負荷較小時,僅開啟地熱水間接換熱供暖,隨著采暖熱負荷增大,開啟熱泵機組制熱,以滿足用戶供暖需求。工藝流程如圖2所示。

3.2 系統組成

系統由地熱開采單元、換熱單元、熱泵單元、蓄熱單元、回灌單元及配套系統組成。地熱開采單元包括 1口生產井(垂深1 700 m)、1口回灌井(垂深1 700 m, 進尺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)和回揚泵(參數同潛水泵)。換熱單元包括3臺板式換熱器(高區一級、低區一級、低區二級);熱泵單元包括1臺螺桿式熱泵機組(制熱量486 kW);循環單元包括高區供暖循環泵2臺(流量為130 m3/h,揚程為34.3 m,輸入功率為18.5 kW),低區供暖循環泵2臺(參數同高區),熱泵側循環泵1臺(流量為40 m3/h,揚程為22 m,輸入功率為4.0 kW);補水回灌單元包括補水泵4臺(高區2臺、低區2臺)、回灌加壓泵2臺、回灌過濾裝置1套;配套系統供配電、自控、通信、暖通、給排水及消防系統。

 

3.3 現場應用效果

由表1可知,系統在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,室內溫度為 20~22 ℃,系統供暖穩定性為99%。與傳統燃煤集中供熱相比,系統節能減排效果明顯。每個采暖季節省標準煤638.38 t,折合年節約能源費用約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 經濟效益分析

項目建設投資1 061.18萬元,工程費用461.74萬元, 其他費用57.67萬元,預備費20.78萬元,地熱井費用 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,結合周邊供暖收費率測算項目收入。結合運行工況及當地實際室外溫度,計算各用電設備的運行功耗,進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。

 

若不考慮碳權收入帶來的收益,稅前靜態投資回收期為10.26 a,財務內部收益率9.79%,財務凈現值 77.99萬元;稅后靜態投資回收期1 1.15 a,財務內部收益率8.41%,財務凈現值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%。

 

稅后財務內部收益率敏感性分析如圖3所示。由圖3 可知,對項目財務內部收益率產生明顯影響的關鍵因素主要包括動力成本、建設投資及供暖費收入,上述因素的變動均會在不同程度上對財務內部收益率產生影響。 建設投資對項目經濟效益的敏感程度最高,應在確保供熱質量的前提下,優選技術經濟合理的方案,嚴控工程總投資規模。供暖費收入對經濟效益的影響程度居中, 為提升項目收益,一方面應積極與相關部門溝通,爭取合理的收費標準;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,但仍需要通過優化運行策略、落實操作規程等方式降低能耗與運行費用,以進一步提升項目整體經濟效益。

4 技術創新點

第一,通過熱儲法與水文地質分析相結合,實現井位合理布置,采用“一采一灌”井位布置模式,設計井取水點間距為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,單井間接換熱提供熱量為2 139.92 kW,熱泵機組提取地熱水熱量為 397.28 kW,極端低溫天氣下供熱保障能力增強。第三, 構建“無壓回灌+精密過濾+動態監控”采灌均衡系統, 建立采灌流量動態匹配機制,通過電磁流量計實時監測采灌流量,偏差控制在±5%以內。同時,采用氮氣液位計監測地熱井動水位,當動水位下降超過3 m時,自動調整采水流量,以確保熱儲層壓力穩定。

 

5 結語

文中針對北方縣域城鎮供暖清潔化轉型的迫切需求, 系統研究了“中深層地熱開采+梯級換熱+同層回灌+熱泵耦合”一體化供熱技術體系。通過熱儲法與水文地質分析相結合的地熱資源評價、梯級換熱與熱泵耦合工藝優化、采灌均衡動態調控等關鍵技術,構建了清潔高效的供熱系統。結果表明,系統供暖穩定性達99%,供回水溫度45/35 ℃,滿足新建節能建筑供暖需求;與燃煤集中供熱相比,年節約標準煤638.38 t,減排二氧化碳 1 570.42 t,經濟效益與環境效益明顯。本研究為北方縣域中深層地熱供熱工程提供了可復制、可推廣的技術參考,對推動城鎮供暖清潔化、低碳化轉型具有重要意義。 未來,可進一步聚焦熱泵機組低溫性能提升與智能調控算法優化,拓展該技術在類似氣候區域的推廣應用,助力“雙碳”目標的實現。