天津市河东房管供热服务中心 天津 300162
摘要：中山门地热站地热资源利用存在地热利用率低，造成地热资源浪费，通过高效节能技术应用，经过合理设计，进行技术改造，加大了地热水的回灌，达到保护地热资源的目的，实现地热资源的可持续开发利用。
关键词：地热井；地热资源；回灌量；有效利用
地热资源是天津市主要的矿产资源之一，广泛地用于居民采暖、温泉洗浴、生活热水等领域，在促进天津经济发展、改善城市环境和提高人民生活质量等方面都起到了重要作用。目前天津市用于冬季采暖的地热站近100多个，部分地热开发利用单位在开发利用中存在许多问题和不足：地热井尾水排放温度较高，地热资源利用效率较低；地热回灌率低，地热流体直接排放导致地热井水位下降较快和地热资源的极大浪费。其中地热资源利用率较低的原因主要有两个：首先是利用结构单一，地热采暖系统地热水经过简单的换热之后，没有进行深度开发，没有充分发挥资源的复合特性，造成较大的资源浪费；其次是存在着严重的系统不合理和设备腐蚀、老化等原因，不能有效地将地热资源的能量充分提取和利用。
我中心下属的中山门地热站就存在上述问题，为彻底解决这种问题我们提交了《天津市地热高效节能利用技术应用项目设计》的报告并通过了市国土资源和房屋管理局组织的专家评审。下面就结合项目的实施情况作一介绍：
一、地热站供热情况及存在问题
（一）、供热情况
中山门地热站地处河东区中山门八段，相继于1998年、2001年开凿了两眼雾迷山组地热井HD-20、HD-11。其中HD-20地热井井深2442.84m，HD-11地热井井深2587.08m。原计划为一采一灌对井开发模式，但由于供暖系统局部设计不合理和当时安装的不规范，整个系统运行并不稳定，经常出现问题，导致热源不足，单眼地热井无法满足10万m2供热需求，在严寒期需两眼井同时开采才能承担热负荷，造成回灌井不能承担回灌职责，地热尾水直接排放无法回灌，地热资源利用率较低。供暖系统采用地热间供方式，即四个板式换热器并联的一级利用，用户末端全部采用普通散热器采暖，改造前中山门地热站供热系统正常运行工作情况下，地热流体年平均开采量为101.85m3/h，水温约为85℃，作为热源满足用户的供热需求。
（二）、存在问题
1．在开采井供热系统没有设置除砂过滤设备，造成板式换热器存在一定程度的堵塞；
2．循环系统和补水系统存在一定的缺陷，设备选型也不够合理，造成能源浪费，而且水泵的噪声过大，造成污染；
3．原有的四台不锈钢板式换热器，由于使用年限较长存在一定程度的腐蚀和老化，其中一台腐蚀和老化的最为严重，这样不仅造成换热效率降低了10%左右，而且也降低了地热利用率；
4．由于两眼地热井长期同时进行开采，板换后的地热流体直接排放，也没有进行进一步梯级开发利用，未进行回灌，地热井水位下降速度过快，尾水直接排放还形成热污染，造成资源浪费，不利于地热资源的可持续开发利用；
5．供热系统终端用户存在质量差等问题；
6．现有的数字显示仪表设备由于使用年限较长存在一定程度的老化，而且也不便于观察现场实时数据；
7．现有的补水泵仍为电接点压力表式，补水定压效果差。
二、供热系统改造
（一）、供热系统改造
1．为保证开采井中悬浮固体颗粒不被传输到循环系统，在开采水进入热交换之前进行除砂过滤，在供热系统中增加除砂器，防止板式换热器堵塞。
2．更换循环泵和补水泵，都选用屏蔽泵，降低噪音。
3．更新一台新的不锈钢板式换热器，提高换热效率，从而提高地热利用率。
改造后供热系统流程如图3-1所示。.png)
图3-1 改造后供热系统流程图
（二）、供热设备的安装
1． 选用ZC-200/150III-P型除砂器安装在地热开采井泵房内。在额定流量除砂，热流体砂粒直径>0.08mm时，整体除砂有效率为90%，最高使用压力为1MPa，最高使用温度高于100℃。
2．针对供热系统循环水水泵和补水系统存在的问题更换循环泵和补水泵，都选用屏蔽泵。
3.系统定压补水改为恒压补水控制，改造两台补水定压泵。
4．更新一台新的不锈钢316板式换热器。即四台板式换热器并联利用，提高了换热效率。
5.对热用户系统进单户分环的改造，由于热用户终端存在着各种问题，我们有针对性的对重点楼门进行单户分环的改造，从而有效提高了供热质量。
（三）、供热系统改造效果
基岩开采井成井结构一般为裸眼成井，在开发利用抽水的过程中很容易把细颗粒物质携带到热交换的换热器中造成换热器堵塞，增加维修工作，用户不满意。本次供热系统的优化使从开采井抽出的地热水得到了净化，避免了抽水携带细小颗粒进入热交换系统，保证了进入热交换系统的水质，减少换热器堵塞的几率。补水泵的改造使二次循环水供热系统增加调节控制功能，换热器的增加和单户分环的改造改善了供热质量，提高地热资源利用率。达到预期的目标，取得了理想效果。
三、井口装置改造
本次井口装置改造遵照《天津市地热利用工程设计标准（试行）》的要求，制定科学的改造方案，按开采井和回灌井的标准对两口地热井进行改造
（一）、开采井井口装置改造
开采井耐热潜水泵选择与水位测管改造：根据开采井成井时的有关资料和近年来开采运行情况，其中包括地热回灌井泵室的直径，抽水试验的流量、温度、静水位、动水位、压力及供热系统设计要求供水量及扬程等资料进行具体改造。开采井内下入耐热潜水泵，根据开采监测水位，抽水泵下入静水位液面以下30m，随每根泵管一同下入对接直径25.4mm镀锌管作为水位测管，确保开采时能得到准确的动态数据。
（二）、回灌井井口装置改造
回灌井回灌管与水位测管改造：依据回灌井静水位，在回灌前回灌井内下入回灌管，随回灌管一同下入对接直径25.4mm镀锌管作为水位测管，回灌管与水位测管下入深度为120m，便于回灌时水位的观测。
（三）、井口装置改造特点
回灌开发地热资源是地热开发的重要手段，在本次地热井改造中首先对开采井及回灌井的井口进行改造。
改造后的开采井井口密封良好，符合标准要求。并在地热井下入耐热潜水泵的同时按标准在每根井管的一侧利用现在研究的新成果用插拔式的方法使每根水位测管和水泵管同步安装到开采井井口，使今后的开采井水位观测得到保障。
改造后的回灌井回灌管的下入使地热供暖尾水实现自然回灌，回灌测管在回灌井内的下入保证了回灌水位的动态监测。
四、回灌系统改造
（一）、回灌系统的设计
1．为提高回灌率和保证地热回灌水的水质，经过间接换热的地热尾水进入回灌站房后，在回灌系统中增加粗效过滤净化装置，用来清除和过滤管路中的杂质和污垢，以保证系统内水质的洁净，减少阻力和防止堵塞储层。
2．在该系统中还安装自动监测装置，包括电磁流量计、温度传感器及压力传感器，通过数据线将信号远传至计算机中央控制系统，同时为制定科学的回灌方案提供基础数据。
（二）、回灌系统安装
1.回灌系统净化过滤装置安装
回灌堵塞问题是回灌中最大的问题，其中物理堵塞占各种堵塞因素的50%以上，地热供暖尾水回灌悬浮物堵塞是影响回灌的重要因素，根据《天津市地热回灌运行操作规程（试行）》的规定，悬浮物固体含量控制标准为<5.0mg/l。水质分析报告表明HD-20作为开采井时供暖尾水悬浮物固体含量为8.5mg/l，为了避免或减轻物理堵塞，保证地热回灌的顺利进行，在地热尾水注入回灌井之前，在中山门供热站HD-20回灌井雾迷山热储地层回灌系统中选用SYS.水医生多相全程水质处理器（可多次反冲洗深层快速过滤技术），其过滤精度<50μm，过滤速度100－150T/h，工作温度-5－90℃，设计工作压力0.03－0.06MPa，环境温度0－45℃。在运行过程中，过滤器两端安装压力监测器，通过监测根据压力的变化辨别过滤器工作的状态，并决定清洗滤料的时间，以保证过滤效果。
2.自动监测装置安装
过去监测系统应用的是机械流量表、温度表及表盘式压力表。在特殊的环境下工作经常损坏，造成计量不准确，观测时难以读出准确数据。
因此在改造中，我们加装水位监测仪、温度变送器、压力变送器、电磁流量计、数据采集处理系统（下位机）等设施，以保证监测数据的准确。
（三）、回灌系统改造运行
改造后的回灌系统形成严格密封的回灌系统，避免回灌水与空气的接触，实现自然回灌。
在冬季供暖时期一直保持良好的回灌效果，水质分析报告表明供暖尾水作为回灌水源经过水质净化以后未检测到悬浮物，回灌水达到回灌水质标准，避免了回灌堵塞。应用水质净化设备进行生产性回灌，提高地热回灌尾水质量及回灌率，保持热储的流体压力，维持本地区地热资源的开采。
五、供热的运行管理及调节
站内的设备和系统进行技术改造后，在采暖季供热过程中，重点对系统改造后的情况进行验证，同时根据冬季室外温度的变化，对系统运行进行调整来满足末端用户的需要。
1．定时监测开采井和回灌井的水位
2．按照室外温度变化来调整开采井深井泵的提水量
3．按时记录回灌量及回灌水的温度
4.调整站内设备，使供热系统处于最佳的状态
5.在开采量和回灌量加大时，对温度、水位的变化做好重点监测
六、成果与效益分析
（一）、热利用率分析
本工程通过更新改造，提高了地热资源的利用率。
地热利用率=地热实际供热量/地热可供热量
=G • C（tg - th）/[G • C（tg - to）] （5-1）
式中：G—地热供水流量（kg/s）
C—地热水比热（kJ/kg·℃）
tg，th—地热供水温度（℃），地热排水平均温度（℃）
to—地热计算最低排水温度（13.5 ℃）。
根据公式5-1供热系统改造前地热供水平均温度为85℃，排水平均温度为50℃，计算出地热利用率为49%；系统改造后地热供水平均温度为86℃，回灌水平均温度为48℃，计算出地热利用率为52.4%，相比改造前地热资源利用率提高了3.4%。
（二）、资源保护效果分析
通过一个采暖季的运行数据分析，HD-11开采井年平均开采量为74.86m3/h，HD-20回灌井年平均回灌量为71.11m3/h，该回灌系统回灌率达到95%。
系统改造前在正常运行情况下开采量为101.85m3/h，供暖面积达10万m2；改造后整个采暖期年平均开采量为74.86m3/h，考虑到居民报停等因素实际供暖面积达9万m2，冬季运行期间，单井供热量满足居民住宅区的采暖需求。
系统改造提高供热系统利用率，减少开采量，延缓本地区地下热水水位下降，增加地热资源存储量，整个地区地热资源回灌比例增加，从而达到了保护资源的目的，保证了地热资源的可持续开发利用。
（三）、经济效益分析
系统改造前两眼地热井同时进行开采，利用后的地热尾水直接排放，根据天津地热矿产资源补偿费征收办法，每年交资源补偿费66万元，污水排放费36.3万元；系统改造后，形成一采一灌对井开发模式，地热尾水回灌率达到95%，年开采量由原来的330000m3降到242537m3，每年交资源补偿费16.25万元，地热尾水排放费1.33万元，较改造前每年上缴资源补偿费可减少49.75万元，节约地热尾水排放费34.97万元。
（四）、环境效益分析
地热水直接排放会产生大量的热量，使周围水体和土壤温度上升，影响生物的生存与生长，破坏生态平衡。本工程采用回灌井后，地热水排放量减少，排放温度降低，有效地保护了生态环境。
通过冬季回灌运行，年开采量为242537m3，地热水温度为86℃，按照“地热利用与节煤减排的计算方法” 计算总热功率为4440KWt，热能利用量为23.34×104 109J，折合节煤量为7962.66 t/a。利用地热能折合标准煤量计算，减少二氧化硫排量135.37 吨，节省环境治理费14.89万元；减少氮氧化物排放量47.78吨，节省环境治理费11.47万元；减少悬浮质粉尘量63.7吨，节省环境治理费5.1万元；减少二氧化碳排量189.99吨，节省环境治理费1.9万元，对保护环境有重要的意义。
七、结论
1．更新换热器，安装除砂器，避免抽水携带细小颗粒进入循环系统，保证供热水质，减少换热器堵塞的几率。供热系统的改造有利于末端热用供暖质量的提高，同时也提高了地热利用率。
2．优化了地热井井口装置，建立回灌系统，在基岩裂隙岩溶热储回灌系统中增加SYS.水医生多相全程水质处理器。在冬季供暖监测中未检测到回灌水悬浮物，达到回灌水质标准，有效防止回灌堵塞。供热站回灌运行开采量242537m3，回灌率达到95%，较改造前提高地热利用率3.4%。
3．系统改造后在冬季采暖期进行回灌试验，通过对回灌试验的效果分析制定科学的回灌方案，保证地热尾水的回灌，达到保护地热资源的目的，实现地热资源的可持续开发利用。
论文作者:鲍义强
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/9/27
标签：地热论文; 系统论文; 水位论文; 资源论文; 万元论文; 井口论文; 除砂论文; 《基层建设》2016年13期论文;