地熱資源梯級利用工藝

  【一】研究意義

 

  我國廣泛分布著中低溫地熱資源，非常有利于供熱、養殖、種植等直接利用。據國際地熱協會(IGA) 2000年統計，我國地熱直接利用量已37908TJ/a，居世界首位。我國的地熱直接利用中有很大一部分是用來供熱的，地熱供熱已在天津、北京、西安和黑龍江、河北等省市得到廣泛推廣，供熱面積已達1180萬平方米（2001年統計數據）。特別是天津市，地熱供熱面積已達860萬平方米，占全國的74%。

 

  然而由于目前在一定程度上存在著粗放型開發現象，我國的地熱利用還存在如下問題：

 

  1.利用結構單一

 

  以地熱采暖為主要目的的地熱利用系統，不僅開發消耗的資源量很大，而且簡單的用熱之后，沒有進行很好的深度開發，就將大量的地熱水排放掉。使地熱資源的復合特征沒有充分的發揮，造成資源的較大浪費。

 

  2.利用技術、工藝及設備配套尚需進一步優化

 

  目前在利用設備配套水平上，不能把地熱資源的能量充分利用和提取出來，從而使資源的利用率較低。歷史上遺留下來的老的地熱井系統中存在不經濟、不合理、浪費大等問題。

 

  3.排放溫度高，造成資源浪費與新的環境問題

 

  在地熱采暖系統中，受常規的管網式供熱工藝和技術水平的限制，地熱水經一級換熱后的溫度仍然很高，一般不低于40℃，不僅造成資源的嚴重浪費，又給環境帶來了熱污染。地熱作為一種清潔的新能源，市場的需求會愈來愈大。但不能只依靠增加地熱資源的開采總量來擴大利用規模和滿足市場需求，而是要依靠科技進步，提高利用水平。就目前利用的水平來說，還有很大的潛力可挖。從現狀看，排放溫度普遍在45-50℃,地熱水開采出來的溫度平均在85℃，平均利用溫差為40℃，如果采用新技術把溫度降到20℃左右，可提取更多的熱量以利用。

 

  利用技術的創新與發展，是解決粗放式開發的關鍵問題。地熱開發利用中存在的不科學、不合理、不經濟，浪費大、污染重的諸多問題，只有依靠科技才能解決。要借助于市場的推動，政府的協調，資源意識的增強，公眾的參與，大力推進地熱利用中新技術、新工藝、新方法的應用，解決長期以來一直不好解決的諸如腐蝕問題、地熱棄水溫度高的問題、地熱資源的多種功能不能全部發揮的問題等。通過科技創新，把跨學科，跨領域的技術相互結合，取長補短，實現突破。

 

  【二】基本概念

 

  為了解決地熱尾水排放溫度高、資源利用率低與環境熱污染問題，開發了地熱資源梯級利用技術。地熱梯級利用就是多級次地從地熱水中提取熱能，多層次地利用地熱能。通常情況下，可以將地熱能要供暖的總負荷分成高溫供暖部分與低溫供暖部分，先按照高溫供暖設計方法提供一部分供暖負荷，然后按照低溫供暖設計方法提供其余的供暖負荷。高溫供暖部分一般可以采用管網方式，低溫供暖部分可以采用地板輻射采暖和風機盤管。

 

  地熱梯級利用工藝充分發揮了地板輻射采暖、地熱熱泵的優勢。地板輻射式采暖與熱泵技術，可以大大降低地熱水的排放溫度，從而提高熱利用率，即地熱水首先通過板式換熱器換熱，供管網系統采暖，再二次換熱供地板輻射采暖系統（完全非金屬系統也可直供），地輻射采暖系統下來的地熱水再利用熱泵技術提熱或直接供熱，或采用調峰。在這三個溫降級次間，根據需要，拓寬生活洗浴、康樂理療、礦泉水、花卉種植等項目，以減少這些配套項目所需要的資金投入和土地、能源、淡水資源的消耗，使地熱水的多種功能得以發揮。在以供熱為主要用途的系統，必須采取回灌開發方式，使當時不能完全消化的尾水重新回到熱儲層，經過地下的熱交換，可以再開發出來更多的熱能。所有這些都需要以科技為先導，創新為突破，解決系統功能實現的瓶頸問題，依靠科技進步提高地熱資源利用的集約化水平。

 

  【三】技術原理

 

  以往的地熱供熱設計是通過一級換熱進行的，即地熱水抽取后進入換熱器，提取熱量后排放。由于換熱器所能換取的熱量是有限的，使得這種供熱方式的熱能利用率不高，并造成嚴重的熱污染。

 

  為了解決這個問題，提出熱水雙循環系統梯級利用新技術。根據建筑物的規模、負荷、末端設備進行分類，分成若干組團，根據各組團的負荷，將系統總負荷劃分成幾個部分，并且要結合各組團設計參數和負荷量來確定各部分的系統參數，同時使各部分參數與負荷之間相互藕合，優化配置，在滿足各部分負荷要求的同時，使整個系統總負荷能力得到增強。

 

  具體實施方法如下：

 

  (1)開采出來的地熱水，經過換熱器，提取熱能供管網系統供熱，即為第一梯次。

 

  (2)第二梯次是將經過一級換熱的地熱水進行再次換熱，提取能量供地板輻射采暖系統供熱。

 

  (3)由第二梯次系統排出的地熱水，進入熱泵機組進行溫度的提升后供小區新開發的采暖，或者熱泵機組將溫度提升后，將熱送回第二梯次熱網中，供熱負荷并入第二梯次熱網中，即為第三梯次。

 

  (4)熱泵機組排出的地熱水由另一眼地熱井回灌到地下。至此完成了一個循環過程。由此解決地熱資源利用中存在的諸多問題。

 

  該技術的目的是使地熱供暖從一級利用擴展到多級利用，從而充分發掘地熱資源的潛力，減少環境熱污染，提高能源利用率。

 

  【四】技術關鍵

 

  1.藕合自控雙循環調溫技術

 

  地熱供暖、供水系統的控制核心是要做到節水、節電，并保證供暖和供水的良好效果。因此，地熱梯級利用系統中的一個核心問題是要將利用系統與地熱開采系統有機地聯系起來，做到利用多少開采多少。實現這一要求的關鍵是解決好系統的控制技術問題。

 

  地熱供熱中存在兩個循環系統。一個是用戶熱力子系統，負責室內供熱，該系統的特點是水溫可調而流量不可調，即調質不調量。另一個是地熱水子系統，負責熱水開采并向用戶熱力子系統提供熱能。由于地熱水溫度是相對恒溫的，總熱量的變化只能通過流量來控制，因此，該系統的特點是調量不調質。兩個系統之間通過換熱設備連接并進行熱交換。地熱水開采量的變化決定了供熱總能量的變化，從而決定了用戶熱力子系統的變化，最終決定了室內溫度的變化。利用這一特點，建立自動控制系統，將室內溫度需求反饋到地熱水子系統中，對開采量進行調節，最終實現室內溫度的調節。這個調節過程是由藕合自控雙循環調溫系統來控制的。藕合自控雙循環調溫技術的基本原理是：根據室外溫度的變化，調節室內供熱負荷，再將室內供熱負荷信號傳送到地熱水子系統中，調節地熱水流量，實現對地熱水總熱量的調節，進而調節用戶熱力子系統的循環水溫度，最終實現對室內供熱負荷的調節，保證室內恒溫。圖1為藕合自控雙循環調溫技術原理圖。

 

  2.各級參數的藕合匹配

 

  地熱梯級利用工藝的另一個關鍵是各級參數的藕合匹配。首先是用戶熱力子系統各級參數的匹配，用戶熱力系統一般分三級進行，各級的供熱溫度要根據供熱面積與負荷要求確定。確定各級供熱溫度后，就可以相應地確定地熱水系統的換熱溫度。地熱水系統一般采用兩級換熱一級提溫的方式，各級換熱溫度與提溫量由自控系統根據供熱參數確定。

 

  3.直供與間供方式的選擇

 

  在地熱用于供暖的開發利用過程中，由于各地水質、溫度和采暖設施的不同，利用的形式也就各有不同。但總結起來其基本形式有兩種，一種是地熱水直接進入末端設備的供暖方式，叫直接供暖方式;另一種是通過換熱器將地熱水的熱量交換到另一種介質中，通過此種介質的循環，把熱量傳遞到各采暖用戶，叫間接供暖方式。

 

  對于地熱供暖系統采取直接供暖方式好還是間接供暖方式好，需要綜合考慮地熱水的水質、水溫、末端設備選型、是否回灌以及資金狀況等許多因素。但影響選擇直接供暖和間接供暖的最主要的因素是地熱水的水質和溫度。

 

  ①地熱水溫度因素

 

  間接供暖需要使用換熱器，使用換熱器必然有熱量的損失。對高溫資源來說，熱量損失相對于資源品位而言較小；而對低溫資源來說，由于本身溫度不高，熱量損失相對資源品位就比較大。并且，由于低溫地熱井的水溫較低，為盡量減少換熱溫差熱交換時需要的傳熱面積就比較大，換熱器的成本相應也要增加。盡管如此，具體應采用何種方式仍要以水質的腐蝕特性而定。

 

  ②地熱水水質因素

 

  利用地熱進行直接供暖存在腐蝕結垢問題。地熱水的水質將會直接影響到整個供熱系統設備的腐蝕程度。采用間接供熱時，可以選用耐腐蝕性很強的欽板換熱器，避免地熱水和采暖系統管道的直接接觸，也就避免了系統的腐蝕結垢問題。因此，對于水質差的地熱水應優先選用間接供暖方式。

 

  【五】設備組成及其功能

 

  該工藝主要包括井口裝置、換熱器、熱泵、分水器、集水器、除污器、循環泵、補水泵、補水箱等。

 

  其功能如下：

 

  1.井口裝：將地熱井進行封閉，緩沖熱脹伸縮，安裝潛水電泵；

 

  2.除砂器：凈化與過濾地熱水中的砂粒與雜質，避免堵塞及破壞系統設備；

 

  3.換熱器：進行熱交換；

 

  4.熱泵：提升及交換熱能；

 

  5.分水器：進行供水分流；

 

  6.集水器：進行回水匯集；

 

  7.除污器：清除水中的雜物；

 

  8.循環泵：提供動力，推動水循環；

 

  9.補水泵：補充二次網的水量消耗；

 

  10.補水箱：貯存水以供補水泵使用。