中深層地熱能供熱技術(shù)及中深層地熱能現(xiàn)狀問題分析
時間:2022-02-13
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綠色低碳中深層地熱能開發(fā)供暖技術(shù)是一項名副其實的綠色環(huán)保節(jié)能新技術(shù)。綠色低碳中深層地熱能開發(fā)供暖技術(shù)是通過在地下安裝微換熱器，從地下中深層巖土層取熱，再由地面專用設(shè)備系統(tǒng)向建筑物或末端供熱，解決人們對采暖、熱水、制冷及發(fā)電的能源需求，具有系統(tǒng)工藝先進、壽命長、穩(wěn)定安全可靠、普遍適用、循環(huán)持續(xù)、高效節(jié)能、運行費用低、環(huán)境零干擾和污染零排放等特征，可滿足1.5萬～2萬㎡節(jié)能建筑的供暖需求。
作為我國自主創(chuàng)新高科技產(chǎn)品，是對傳統(tǒng)供熱的革命性變革。這項新技術(shù)實現(xiàn)了中深層地熱開發(fā)“取熱不取水”和低品位地巖熱的開發(fā)利用，避免了直接開采地下熱水資源帶來的一系列問題。為地下中深層地熱資源開發(fā)利用開拓了新的思路，使得地熱能真正成為可持續(xù)、可再生的新能源，是對傳統(tǒng)供熱的革命性變革，市場應(yīng)用前景廣闊。目前中深層地熱能開發(fā)供暖技術(shù)已成功在國內(nèi)超過100萬㎡的建筑中進行了推廣使用，是典型的綠色低碳供暖技術(shù)。
中深層地熱能是人類已知可以開發(fā)的自然資源之一，通過技術(shù)手段，可能將地熱能轉(zhuǎn)化我們所需要的電能、機械能等。目前，中深層地熱能的作用主要展現(xiàn)在幾個方面：
1、地熱發(fā)電
地熱發(fā)電是地熱利用的重要方式。高溫地熱流體應(yīng)首先應(yīng)用于發(fā)電。 地熱發(fā)電和火力發(fā)電的原理是一樣的，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。所不同的是，地熱發(fā)電不象火力發(fā)電那樣要裝備龐大的鍋爐，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地熱能。地熱發(fā)電的過程，就是把地下熱能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。要利用地下熱能，首先需要有“載熱體”把地下的熱能帶到地面上來。能夠被地熱電站利用的載熱體，主要是地下的天然蒸汽和熱水。按照載熱體類型、溫度、壓力和其它特性的不同，可把地熱發(fā)電的方式劃分為蒸汽型地熱發(fā)電和熱水型地熱發(fā)電兩大類。
2、地熱供暖
將地熱能直接用于采暖、供熱和供熱水是僅次于地熱發(fā)電的地熱利用方式。此外利用地熱給工廠供熱，如用作干燥谷物和食品的熱源， 用作硅藻土生產(chǎn)、木材、造紙、制革、紡織、釀酒、制糖等生產(chǎn)過程的熱源也是大有前途的。
3、地熱務(wù)農(nóng)
地熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用范圍十分廣闊。如利用溫度適宜的地熱水灌溉農(nóng)田，可使農(nóng)作物早熟增產(chǎn)；利用地熱水養(yǎng)魚，在28℃水溫下可加速魚的育肥，提高魚的出產(chǎn)率；利用地熱建造溫室，育秧、種菜和養(yǎng)花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產(chǎn)量 等。 將地熱能直接用于農(nóng)業(yè)在我國日益廣泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面積大小不等的地熱溫室。各地還利用地熱大力發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，如培養(yǎng)菌種、養(yǎng)殖非洲鯽魚、鰻魚、羅非魚、羅氏沼蝦等。
4、地熱行醫(yī)
地熱在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有誘人的前景，熱礦水就被視為一種寶貴的資源，世界各國都很珍惜。由于
地熱水從很深的地下提取到地面，除溫度較高外，常含有一些特殊的化學元素，從而使它具有一定的醫(yī)療效果。
未來隨著與中深層地熱能利用相關(guān)的高新技術(shù)的發(fā)展，將使人們能更地查明更多的地熱資源；鉆更深的鉆井將地熱從地層深處取出，因此地熱利用也必將進入一個飛速發(fā)展的階段。
我國有豐富的地熱資源，目前地熱資源的開發(fā)利用主要應(yīng)用于分布式供熱領(lǐng)域，通常一對地熱井（一采一灌）可為5-8萬平米建筑供熱，采用板式換熱器換熱提取地熱水中的熱量來實現(xiàn)供熱，這種技術(shù)主要存在以下問題：
一、設(shè)計二次側(cè)供水溫度收到地熱水出水溫度的限制，一般低于地熱水出水溫度5℃左右，地熱水出水溫度達到55℃就算比較理想的溫度，則二次側(cè)供水溫度最高只能達到50℃，若地熱水出水溫度低于45℃，則二次側(cè)供水溫度最高只能達到40℃，低于地暖散熱器的設(shè)計供水溫度，不能利用，大大限制了對地熱資源的開發(fā)利用；
二、受到二次側(cè)供水溫度較低的限制，常規(guī)地熱供熱系統(tǒng)不能用于集中供熱間供系統(tǒng)，對于燃煤鍋爐間供系統(tǒng)，無法實現(xiàn)熱源替代；
三、地熱水中的熱能得不到充分的利用，地熱水經(jīng)過換熱后，一般于40℃左右進行回灌，則地熱水中40℃以下儲存的熱能不能得到利用，大大降低了單口地熱井的供熱能力，同時增加了項目上地熱井的投資，影響了項目的經(jīng)濟性。
綜上，能夠有效提升二次側(cè)供水溫度和深度高效的利用地熱水中儲存的熱能是現(xiàn)行地熱供熱項目的技術(shù)瓶頸。
1 地熱能供熱
地熱能供熱，是以一個小區(qū)或多個小區(qū)為供熱單位建立供熱系統(tǒng)，提供供熱服務(wù)。地熱供熱系統(tǒng)一般包含地熱井、地熱管網(wǎng)、地熱供熱站、供熱管網(wǎng)和熱用戶，根據(jù)地熱資源條件和供熱負荷鉆鑿地熱井，由地熱井泵提取地熱水，經(jīng)地熱管網(wǎng)輸送至供熱站，在地熱站內(nèi)進行熱交換，將地熱水熱量傳遞給供暖循環(huán)水，溫度升高的供暖循環(huán)水經(jīng)供熱管網(wǎng)輸送至熱用戶，供熱用戶利用，溫度降低的地熱尾水經(jīng)回灌井進行同層回灌。根據(jù)供熱系統(tǒng)有無調(diào)峰及調(diào)峰類型主要分為3種形式，即地熱間接供熱、地熱+熱泵機組、地熱+熱泵機組+調(diào)峰鍋爐。
1.1 地熱間接供熱
地熱間接供熱是利用深井潛水泵從開采井提取地熱水，經(jīng)地熱管線送至換熱器，利用換熱器進行熱交換將熱量傳遞給供熱循環(huán)水，溫度降低后的地熱水經(jīng)輸水管線送至回灌井進行回灌；獲取熱量、溫度升高的供熱循環(huán)水，由供熱管線送至熱用戶，供熱用戶利用熱能，溫度降低后的供熱循環(huán)水經(jīng)供熱管線輸送至換熱器再次換熱獲取熱量、提高溫度，如此周而復始循環(huán)。
該工藝相對簡單、造價低，可減小地熱水對供熱管線和用熱末端的腐蝕，降低生產(chǎn)運營和維護費用，提高項目有效運營周期。
中深層地熱能供熱技術(shù)原理及組成
1.2 地熱+熱泵機組
地熱+熱泵機組供熱是利用深井潛水泵從開采井提取地熱水，經(jīng)地熱管線送至一級直供換熱器，利用一級換熱器進行熱交換將熱量傳遞給供熱循環(huán)水，溫度降低后的地熱水送至二級換熱器，進行二次換熱將熱量傳遞給二級板換與熱泵蒸發(fā)器側(cè)之間的循環(huán)水，為熱泵機組提供熱源，經(jīng)二級換熱器換熱后的地熱水由輸水管線送至回灌井進行回灌；經(jīng)一級換熱器換熱和熱泵機組制熱后獲取熱量、溫度升高的供熱循環(huán)水，經(jīng)供熱管線送至熱用戶、供熱用戶利用，溫度降低后的供熱循環(huán)水由供熱管線輸送至一級換熱器和熱泵機組冷凝器側(cè)進行換熱獲取熱量、提高溫度，如此周而復始循環(huán)。
該工藝相對復雜、造價較高，生產(chǎn)運營成本也較高，熱泵機組作為調(diào)峰承擔熱負荷不易過高，地熱能利用率較高。
1.3 地熱+熱泵機組+調(diào)峰鍋爐
地熱+熱泵機組+鍋爐供熱是利用深井潛水泵從開采井提取地熱水，經(jīng)地熱管線送至一級換熱器，地熱水利用一級換熱器進行熱交換將熱量傳遞給供熱循環(huán)水，溫度降低后的地熱水送至二級換熱器，進行二次換熱將熱量傳遞給二級換熱器與熱泵蒸發(fā)器之間的循環(huán)水，為熱泵機組提供熱源，經(jīng)二級換熱器換熱后的地熱水由輸水管線送至回灌井進行回灌；經(jīng)一級換熱器換熱和熱泵機組制熱后獲取熱量、溫度升高的供熱循環(huán)水熱量和溫度仍然不能滿足需求，需進一步利用調(diào)峰鍋爐加熱升溫，然后經(jīng)供熱管線送至熱用戶，供熱用戶利用，溫度降低后的供熱循環(huán)水由供熱管線輸送至一級換熱器和熱泵機組進行換熱獲取熱量、提高溫度，然后再次由鍋爐加熱升溫，如此周而復始循環(huán)。地熱+熱泵機組+調(diào)峰鍋爐供熱工藝復雜、造價高，生產(chǎn)運營成本高。
地熱資源受地域限制，其開發(fā)利用應(yīng)根據(jù)當?shù)刭Y源、市場、政策等條件選用合理的供熱模式，提高資源利用率、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
2 地熱能供熱問題分析
地熱供熱技術(shù)已趨于成熟，也存在著諸多問題，給地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來一定的阻礙。
2.1 地熱勘查程度低，鉆井風險大
目前除個別地區(qū)資源勘查相對成熟外，全國大部分地區(qū)勘查程度低或無勘查，在資源勘查不足的情況下進行開發(fā)，鉆井失敗率較高，且無法進行科學合理的開發(fā)部署，會造成很大的損失。
2.2 初投資高，周期長
一般而言，開發(fā)某一區(qū)域的地熱能，需先進行地熱資源勘查，勘查工作較重、投入大，對企業(yè)來說負擔較重。目前地熱井的鉆探方法和工藝依然采用油氣井工藝和設(shè)備材料，地熱井投資較高，導致地熱供熱初投資高，建設(shè)和投資回收期長。
2.3 地熱尾水回灌率低
目前，國家尚未針對地熱尾水回灌出臺標準，各地開發(fā)管理缺少規(guī)范，地熱回灌監(jiān)督不嚴，存在著地熱尾水回灌率低，不僅造成了資源浪費，地面土壤、河流產(chǎn)生污染，也對地熱資源可持續(xù)開發(fā)帶來阻礙。
2.4 結(jié)垢、腐蝕嚴重
地熱水普遍存在著礦化度，在實際生產(chǎn)運營過程中，對運輸管網(wǎng)、設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，造成管道刺漏、換熱器換熱效率降低或損壞。地熱水在運輸過程中，改變了原有的熱儲環(huán)境，極易造成結(jié)垢，堵塞管道，給系統(tǒng)運行帶來困擾。
2.5 動態(tài)監(jiān)測、可持續(xù)評價差
某些地區(qū)地熱開發(fā)過程中，地熱井液位、流量、溫度發(fā)生變化，并有一定的下降趨勢，造成原有設(shè)計系統(tǒng)不能適應(yīng)其變化，其原因在于地熱開發(fā)初期缺乏科學的地熱資源開發(fā)評價，開發(fā)過程中缺少動態(tài)監(jiān)測。
2.6 地熱利用缺乏合理性
各地地熱資源條件不同，某些地區(qū)資源品位高，地熱直接利用后尾水依然在40℃左右，地熱綜合利用率不高；有些地區(qū)品位低，為了利用地熱能滿足工程要求，地熱水溫度降低較大，尾水溫度甚至達10℃，長期開采必將對地熱能力恢復產(chǎn)生不利影響。
3 地熱能供熱建議
針對當前地熱能供熱存在的問題，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，提出以下建議為地熱發(fā)展提供經(jīng)驗和幫助，促進地熱產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。
3.1 加大地熱勘查力度
為降低地熱開發(fā)風險，應(yīng)擴大地熱勘查范圍，提高地熱勘查程度。地熱資源的國有屬性，資源勘查成本大，企業(yè)自身力量相對薄弱，建議國家或地方政府組織開展全國或各區(qū)域地熱資源勘查，明確各地區(qū)的地熱資源狀況，為地熱資源的開發(fā)部署提供科學依據(jù)。
3.2 提高技術(shù)創(chuàng)新水平
地熱供熱初投資大，供熱系統(tǒng)工藝、設(shè)備及材料選用較為保守，未研發(fā)與之配套的設(shè)備及材料，應(yīng)加大技術(shù)創(chuàng)新，從工藝各環(huán)節(jié)研發(fā)與地熱供熱相適應(yīng)的設(shè)備、材料，建立一系列相應(yīng)的標準規(guī)范，降低建設(shè)、生產(chǎn)成本，提高地熱供熱的效益。
3.3 規(guī)范地熱尾水回灌
地熱尾水回灌是地熱開發(fā)非常重要的技術(shù)問題之一，應(yīng)根據(jù)地熱勘查和回灌試驗，明確各地的回灌條件，建立地熱回灌的規(guī)范標準，嚴格保證地熱回灌率，確保地熱資源的可持續(xù)穩(wěn)定開發(fā)。
3.4 加強地熱開發(fā)動態(tài)監(jiān)測與評價
地熱資源開發(fā)利用是動態(tài)的，不僅要有前期資源評價，也要有開發(fā)過程的動態(tài)監(jiān)測，隨時掌握其的動態(tài)變化，矯正前期資源開發(fā)評價的合理性，為后續(xù)開發(fā)提出合理的指導性建議。
3.5 合理控制地熱利用率
依據(jù)地熱勘查與評價，根據(jù)不同地區(qū)資源狀況合理控制資源開發(fā)利用率，對開采量、回灌溫度給予合理控制，既要避免熱量浪費，又要控制熱量超采，影響地熱的經(jīng)濟可持續(xù)開發(fā)。
