地热资源梯级利用工艺

  【一】研究意义

 

  我国广泛分布着中低温地热资源，非常有利于供热、养殖、种植等直接利用。据国际地热协会(IGA) 2000年统计，我国地热直接利用量已37908TJ/a，居世界首位。我国的地热直接利用中有很大一部分是用来供热的，地热供热已在天津、北京、西安和黑龙江、河北等省市得到广泛推广，供热面积已达1180万平方米（2001年统计数据）。特别是天津市，地热供热面积已达860万平方米，占全国的74%。

 

  然而由于目前在一定程度上存在着粗放型开发现象，我国的地热利用还存在如下问题：

 

  1.利用结构单一

 

  以地热采暖为主要目的的地热利用系统，不仅开发消耗的资源量很大，而且简单的用热之后，没有进行很好的深度开发，就将大量的地热水排放掉。使地热资源的复合特征没有充分的发挥，造成资源的较大浪费。

 

  2.利用技术、工艺及设备配套尚需进一步优化

 

  目前在利用设备配套水平上，不能把地热资源的能量充分利用和提取出来，从而使资源的利用率较低。历史上遗留下来的老的地热井系统中存在不经济、不合理、浪费大等问题。

 

  3.排放温度高，造成资源浪费与新的环境问题

 

  在地热采暖系统中，受常规的管网式供热工艺和技术水平的限制，地热水经一级换热后的温度仍然很高，一般不低于40℃，不仅造成资源的严重浪费，又给环境带来了热污染。地热作为一种清洁的新能源，市场的需求会愈来愈大。但不能只依靠增加地热资源的开采总量来扩大利用规模和满足市场需求，而是要依靠科技进步，提高利用水平。就目前利用的水平来说，还有很大的潜力可挖。从现状看，排放温度普遍在45-50℃,地热水开采出来的温度平均在85℃，平均利用温差为40℃，如果采用新技术把温度降到20℃左右，可提取更多的热量以利用。

 

  利用技术的创新与发展，是解决粗放式开发的关键问题。地热开发利用中存在的不科学、不合理、不经济，浪费大、污染重的诸多问题，只有依靠科技才能解决。要借助于市场的推动，政府的协调，资源意识的增强，公众的参与，大力推进地热利用中新技术、新工艺、新方法的应用，解决长期以来一直不好解决的诸如腐蚀问题、地热弃水温度高的问题、地热资源的多种功能不能全部发挥的问题等。通过科技创新，把跨学科，跨领域的技术相互结合，取长补短，实现突破。

 

  【二】基本概念

 

  为了解决地热尾水排放温度高、资源利用率低与环境热污染问题，开发了地热资源梯级利用技术。地热梯级利用就是多级次地从地热水中提取热能，多层次地利用地热能。通常情况下，可以将地热能要供暖的总负荷分成高温供暖部分与低温供暖部分，先按照高温供暖设计方法提供一部分供暖负荷，然后按照低温供暖设计方法提供其余的供暖负荷。高温供暖部分一般可以采用管网方式，低温供暖部分可以采用地板辐射采暖和风机盘管。

 

  地热梯级利用工艺充分发挥了地板辐射采暖、地热热泵的优势。地板辐射式采暖与热泵技术，可以大大降低地热水的排放温度，从而提高热利用率，即地热水首先通过板式换热器换热，供管网系统采暖，再二次换热供地板辐射采暖系统（完全非金属系统也可直供），地辐射采暖系统下来的地热水再利用热泵技术提热或直接供热，或采用调峰。在这三个温降级次间，根据需要，拓宽生活洗浴、康乐理疗、矿泉水、花卉种植等项目，以减少这些配套项目所需要的资金投入和土地、能源、淡水资源的消耗，使地热水的多种功能得以发挥。在以供热为主要用途的系统，必须采取回灌开发方式，使当时不能完全消化的尾水重新回到热储层，经过地下的热交换，可以再开发出来更多的热能。所有这些都需要以科技为先导，创新为突破，解决系统功能实现的瓶颈问题，依靠科技进步提高地热资源利用的集约化水平。

 

  【三】技术原理

 

  以往的地热供热设计是通过一级换热进行的，即地热水抽取后进入换热器，提取热量后排放。由于换热器所能换取的热量是有限的，使得这种供热方式的热能利用率不高，并造成严重的热污染。

 

  为了解决这个问题，提出热水双循环系统梯级利用新技术。根据建筑物的规模、负荷、末端设备进行分类，分成若干组团，根据各组团的负荷，将系统总负荷划分成几个部分，并且要结合各组团设计参数和负荷量来确定各部分的系统参数，同时使各部分参数与负荷之间相互藕合，优化配置，在满足各部分负荷要求的同时，使整个系统总负荷能力得到增强。

 

  具体实施方法如下：

 

  (1)开采出来的地热水，经过换热器，提取热能供管网系统供热，即为第一梯次。

 

  (2)第二梯次是将经过一级换热的地热水进行再次换热，提取能量供地板辐射采暖系统供热。

 

  (3)由第二梯次系统排出的地热水，进入热泵机组进行温度的提升后供小区新开发的采暖，或者热泵机组将温度提升后，将热送回第二梯次热网中，供热负荷并入第二梯次热网中，即为第三梯次。

 

  (4)热泵机组排出的地热水由另一眼地热井回灌到地下。至此完成了一个循环过程。由此解决地热资源利用中存在的诸多问题。

 

  该技术的目的是使地热供暖从一级利用扩展到多级利用，从而充分发掘地热资源的潜力，减少环境热污染，提高能源利用率。

 

  【四】技术关键

 

  1.藕合自控双循环调温技术

 

  地热供暖、供水系统的控制核心是要做到节水、节电，并保证供暖和供水的良好效果。因此，地热梯级利用系统中的一个核心问题是要将利用系统与地热开采系统有机地联系起来，做到利用多少开采多少。实现这一要求的关键是解决好系统的控制技术问题。

 

  地热供热中存在两个循环系统。一个是用户热力子系统，负责室内供热，该系统的特点是水温可调而流量不可调，即调质不调量。另一个是地热水子系统，负责热水开采并向用户热力子系统提供热能。由于地热水温度是相对恒温的，总热量的变化只能通过流量来控制，因此，该系统的特点是调量不调质。两个系统之间通过换热设备连接并进行热交换。地热水开采量的变化决定了供热总能量的变化，从而决定了用户热力子系统的变化，最终决定了室内温度的变化。利用这一特点，建立自动控制系统，将室内温度需求反馈到地热水子系统中，对开采量进行调节，最终实现室内温度的调节。这个调节过程是由藕合自控双循环调温系统来控制的。藕合自控双循环调温技术的基本原理是：根据室外温度的变化，调节室内供热负荷，再将室内供热负荷信号传送到地热水子系统中，调节地热水流量，实现对地热水总热量的调节，进而调节用户热力子系统的循环水温度，最终实现对室内供热负荷的调节，保证室内恒温。图1为藕合自控双循环调温技术原理图。

 

  2.各级参数的藕合匹配

 

  地热梯级利用工艺的另一个关键是各级参数的藕合匹配。首先是用户热力子系统各级参数的匹配，用户热力系统一般分三级进行，各级的供热温度要根据供热面积与负荷要求确定。确定各级供热温度后，就可以相应地确定地热水系统的换热温度。地热水系统一般采用两级换热一级提温的方式，各级换热温度与提温量由自控系统根据供热参数确定。

 

  3.直供与间供方式的选择

 

  在地热用于供暖的开发利用过程中，由于各地水质、温度和采暖设施的不同，利用的形式也就各有不同。但总结起来其基本形式有两种，一种是地热水直接进入末端设备的供暖方式，叫直接供暖方式;另一种是通过换热器将地热水的热量交换到另一种介质中，通过此种介质的循环，把热量传递到各采暖用户，叫间接供暖方式。

 

  对于地热供暖系统采取直接供暖方式好还是间接供暖方式好，需要综合考虑地热水的水质、水温、末端设备选型、是否回灌以及资金状况等许多因素。但影响选择直接供暖和间接供暖的最主要的因素是地热水的水质和温度。

 

  ①地热水温度因素

 

  间接供暖需要使用换热器，使用换热器必然有热量的损失。对高温资源来说，热量损失相对于资源品位而言较小；而对低温资源来说，由于本身温度不高，热量损失相对资源品位就比较大。并且，由于低温地热井的水温较低，为尽量减少换热温差热交换时需要的传热面积就比较大，换热器的成本相应也要增加。尽管如此，具体应采用何种方式仍要以水质的腐蚀特性而定。

 

  ②地热水水质因素

 

  利用地热进行直接供暖存在腐蚀结垢问题。地热水的水质将会直接影响到整个供热系统设备的腐蚀程度。采用间接供热时，可以选用耐腐蚀性很强的钦板换热器，避免地热水和采暖系统管道的直接接触，也就避免了系统的腐蚀结垢问题。因此，对于水质差的地热水应优先选用间接供暖方式。

 

  【五】设备组成及其功能

 

  该工艺主要包括井口装置、换热器、热泵、分水器、集水器、除污器、循环泵、补水泵、补水箱等。

 

  其功能如下：

 

  1.井口装：将地热井进行封闭，缓冲热胀伸缩，安装潜水电泵；

 

  2.除砂器：净化与过滤地热水中的砂粒与杂质，避免堵塞及破坏系统设备；

 

  3.换热器：进行热交换；

 

  4.热泵：提升及交换热能；

 

  5.分水器：进行供水分流；

 

  6.集水器：进行回水汇集；

 

  7.除污器：清除水中的杂物；

 

  8.循环泵：提供动力，推动水循环；

 

  9.补水泵：补充二次网的水量消耗；

 

  10.补水箱：贮存水以供补水泵使用。