由于歷史等方面的原因, 我國地熱資源開發(fā)利用尚存在著一些問題, 概括起來共有3個方面。

 

  (1)地熱尾水排放溫度過高, 地熱能利用率普遍較低, 導(dǎo)致資源浪費和環(huán)境惡化。天津是我國地熱資源大規(guī)模開發(fā)和利用的重要基地, 截止到2002年, 地熱供暖面積為824萬m2 , 占全國地熱供熱面積的77%。除了少數(shù)幾個示范工程外, 天津地熱資源各主要熱儲層的地熱尾水排放溫度為30 ～ 40℃,利用率為45% ～ 65%。造成地熱資源利用率較低的原因主要有3個:首先是利用結(jié)構(gòu)單一。地熱采暖系統(tǒng)消耗的資源量很大, 簡單用熱之后, 沒有進行深度開發(fā), 大量的地熱水排放, 使資源的復(fù)合特性沒有得到充分發(fā)揮, 造成資源的較大浪費;其次, 在地熱開發(fā)利用技術(shù)、工藝及設(shè)備配套方面, 不能有效地將地熱資源的能量充分利用和提取, 老地熱井系統(tǒng)的問題最為嚴重;再次, 地熱排放溫度過高, 不僅直接導(dǎo)致地熱能利用率降低, 還會造成新的環(huán)境污染。

 

  (2)回灌率偏低, 采灌失衡。地熱流體長期低回灌率開采, 導(dǎo)致熱儲層水位下降, 地熱資源開發(fā)利用的成本增加, 產(chǎn)生地面沉降, 甚至誘發(fā)地震。2002年, 天津地熱資源各主要熱儲層的地熱回灌率為8% ～ 36%, 年水位降幅為2 ～ 10 m。

 

  (3)地熱資源的開發(fā)利用缺乏整體規(guī)劃, 布局不盡合理, 分區(qū)控制框架尚未形成。

 

  1 地熱井綜合開發(fā)與改造措施

 

  地熱井綜合開發(fā)與改造, 要根據(jù)實際情況, 從合理開發(fā)、綜合利用、科學(xué)保護的觀點出發(fā), 因地制宜的采取科學(xué)措施, 達到地熱資源的持續(xù)開發(fā)利用。

 

  1. 1  依據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)劃分區(qū), 實行總量與強度雙控

 

地熱資源的開發(fā)利用必須符合可持續(xù)發(fā)展的原則。但從全國情況可以看到, 地熱資源的開發(fā)利用面臨著許多問題, 最為突出的是熱儲層水位大幅下降、資源銳減和地面沉降。地熱水的大量開采, 引起熱儲層水位大幅度下降, 形成了水位下降漏斗區(qū), 造成地熱水資源短缺。事實上, 我國的地熱開發(fā)區(qū)普遍存在著程度不同的熱儲層水位下降的問題。

 

  加強地熱水的動態(tài)監(jiān)測是保證地熱水持續(xù)、穩(wěn)定開發(fā), 科學(xué)管理和有效保護的基本手段。在地熱資源規(guī)劃中, 應(yīng)以地熱水的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù), 規(guī)劃控制分區(qū), 對不同的分區(qū)分別進行合理開發(fā)保護、深度開發(fā)利用、深入勘探研究以及地熱資源普查和地熱資源遠景調(diào)查等。在各規(guī)劃分區(qū)中, 按照地熱水水位的動態(tài)變化, 分別制定地熱水開采強度指標和地熱水年開采總量指標, 實行動態(tài)管理。

 

  1. 2  推廣集約化新技術(shù), 提高資源利用率

 

  為了解決地熱資源的可持續(xù)發(fā)展問題, 就必須依靠科技進步, 一方面使足量的地熱水載體不斷地將地熱能從地層中帶出, 另一方面提高地熱能利用的集約化水平, 極大地提高地熱利用率。

 

  在富熱地區(qū), 開發(fā)梯級高效利用集約化技術(shù), 降低地熱尾水排放溫度, 提高資源利用率, 解決環(huán)境熱污染問題?；驹頌? 第一梯次是將開采出來的地熱水經(jīng)過換熱器換熱后供散熱器采暖用戶采暖,第二梯次是將散熱器采暖系統(tǒng)的排水供地板輻射采暖用戶和空調(diào)用戶采暖。從第一梯次和第二梯次之間提取部分排水作為生活熱水使用。由第二梯次系統(tǒng)排出的地熱水, 進入熱泵機組進行溫度提升后, 再供地板輻射采暖用戶和空調(diào)用戶采暖。熱泵機組排出的地熱水通過回灌井回灌到地下。梯級高效利用集約化技術(shù)可將地熱尾水排放溫度降低到20℃以下, 將地熱資源利用率提高到90%以上。

 

  在多熱源地區(qū), 開發(fā)多熱源耦合供熱集約化技術(shù), 解決各單一熱源負荷量小、經(jīng)濟性差、容易造成資源浪費的矛盾。基本原理為, 將流量較小的地熱水與其他熱源(如熱電廠的蒸汽冷凝水)的熱媒混合后, 供散熱器采暖用戶采暖, 回水以串聯(lián)方式再供地板輻射采暖用戶和空調(diào)用戶采暖。地板輻射采暖系統(tǒng)的回水將熱泵機組提溫后再供下一級地板輻射采暖用戶和空調(diào)用戶采暖。蒸汽冷凝水屬于純水,故可與地熱水一起回灌到地下, 增加地熱水回灌率。

 

  在貧熱地區(qū), 開發(fā)混合水源聯(lián)動運行空調(diào)集約化技術(shù), 解決單一水源與工程建設(shè)需求不相匹配的矛盾?；驹頌? 因地制宜采用地熱水、城市中水、地表水等多種熱源分別作為同一水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源, 進行多能源混合利用, 從中提取冷量和熱量, 冬季供暖, 夏季制冷。

 

  根據(jù)生物對溫度的不同需求, 實現(xiàn)生物梯級溫度需求與地熱梯級利用的耦合, 開發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和養(yǎng)殖系統(tǒng)地熱利用集約化技術(shù)。基本原理為, 根據(jù)植物生長對溫度的不同要求, 將地熱水供熱系統(tǒng)進行梯級利用工藝設(shè)計, 使各個暖棚內(nèi)形成不同的溫度效應(yīng)。暖棚供熱系統(tǒng)的地熱回水進入室內(nèi)養(yǎng)魚池進行魚類養(yǎng)殖。養(yǎng)魚池的廢水用于澆灌暖棚內(nèi)的植物。收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的植物根、莖、葉以及動物糞便, 用于生產(chǎn)沼氣, 作為供熱系統(tǒng)的調(diào)峰熱源。

 

  在地熱資源的開發(fā)利用中, 要高度重視地熱資源的利用率, 無論是新建項目與改擴建項目的審批條件, 還是資源管理辦法都必須高度體現(xiàn)提高地熱能利用的集約化水平。對地熱資源利用集約化程度低的建設(shè)項目不予審批, 對地熱資源利用集約化程度高、地熱尾水排放溫度低、有回灌設(shè)施的開發(fā)利用單位, 制定相應(yīng)的優(yōu)惠政策, 從資源規(guī)劃和資源管理方面推動地熱開發(fā)利用集約化技術(shù)的應(yīng)用。

 

  1. 3 開發(fā)與改造并舉, 持續(xù)優(yōu)化布局

 

  由于歷史原因, 一些老的地熱井在布局、結(jié)構(gòu)等方面存在一些對地熱資源可持續(xù)發(fā)展有不利影響的問題。例如, 有的地熱井系統(tǒng)不進行回灌;有的地熱井開采的熱儲層失水后引起地層沉降;還有些地熱生產(chǎn)井密度過大等。對于歷史遺留問題, 要有計劃地進行技術(shù)改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整, 以很少的改造費用, 換取最大的效益。對于密度過大的地熱生產(chǎn)井, 要進行分析評價, 將其中的一些生產(chǎn)井改造為回灌井、備用井及監(jiān)測井等, 實行采灌平衡。對于熱儲層容易失水沉降的地熱生產(chǎn)井, 應(yīng)實行采灌平衡, 保持熱儲層壓力, 或?qū)⑵涓脑鞛榛鶐r地熱生產(chǎn)井。

 

  2 應(yīng)用實例

 

  2. 1 工程概況

 

  東麗某開發(fā)區(qū)位于天津市東郊, 東臨渤海, 是天津市重要的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。該開發(fā)區(qū)北區(qū)現(xiàn)有建筑的采暖面積為33萬m2 , 由東、西區(qū)兩個供熱站供熱。

 

  東供熱站共有2口地熱井, 以一口霧迷山組熱儲層地熱井SR4 (井深2410 m, 出水溫度90℃, 流量150 m3 /h)為供熱井, 采用間接供熱方式, 尾水排放溫度為48℃, 供熱面積7. 0萬m2;以一口館陶組熱儲層地熱井SR3 (井深971 m, 出水溫度58℃, 流量60m3 /h)作為洗浴井, 供生活熱水。

 

  西供熱站共有3口地熱井, 以一口霧迷山組熱儲層地熱井SR5 (井深3450m, 出水溫度89℃, 流量120m3 /h)和一口奧陶系熱儲層地熱井SR2 (井深1488m, 出水溫度70℃, 流量88 m3 /h)為主力熱源,進行間接式供熱, 尾水排放溫度為50℃, 回灌井為一口奧陶系熱儲層地熱井SR1 (井深1380m, 出水溫度75℃, 流量120m3 /h)。西供熱站還設(shè)置2臺7. 0MW 的鍋爐作為輔助熱源進行聯(lián)合供熱。西供熱站的供熱面積26萬m2 。

 

  該開發(fā)區(qū)南區(qū)規(guī)劃面積3 km2 , 建筑物以現(xiàn)代化工業(yè)廠房為主, 同時還有回遷住宅、超市等, 一期工程供熱面積22. 5 萬m2 。開發(fā)區(qū)南區(qū)建筑規(guī)模大, 原有的供熱系統(tǒng)不能滿足其采暖要求。

 

  2. 2 問題分析

 

  (1)熱能利用率低。原開發(fā)區(qū)5口地熱井中,SR3 為洗浴井, 其地熱水一次性利用后排放;SR4 為供熱井, 其地熱水用鈦板換熱器間接換熱后, 將48℃的尾水直接排放;SR5 和SR2 的地熱水用鈦板換熱器間接換熱后, 將50℃的尾水回灌到SR1 回灌井中。按照有關(guān)公式計算, SR4 供熱井的地熱利用率為53. 8%, SR5 供熱井的地熱利用率為50. 6%,SR2 供熱井的地熱利用率只有34. 5%。上述3口采暖地熱井的尾水溫度過高, 平均地熱利用率僅為46. 3%, 造成較大的地熱能浪費和環(huán)境污染。

 

  (2)地熱井布局不合理, 供熱能力有限。原開發(fā)區(qū)5口地熱井分東、西兩個供熱站, 兩站距離遠,造成東供熱站SR4 地熱水不能回灌。按照目前尾水溫度計算, 并考慮換熱器的熱效率, 東供熱站SR4 的實際供熱能力為6. 6MW;西供熱站SR5 和SR2 的供熱能力為7. 1MW, 西供熱站2臺7. 0MW 鍋爐的供熱能力為11. 3MW , 西供熱站總供熱能力為18. 4MW 。但是, 目前東供熱站供熱面積為7萬m2 , 熱負荷為5MW;西供熱站供熱面積26萬m

 

  2 , 熱負荷為

 

  17MW。按照目前系統(tǒng)運行模式, 東供熱站和西供熱站的剩余供熱能力已經(jīng)非常有限。

 

  (3)熱污染、空氣污染和化學(xué)污染。由于地熱井尾水排放溫度較高(48 ～ 50℃), 使得排放地區(qū)的地下水體溫度、地面溫度甚至局部空氣溫度產(chǎn)生不同程度的升高, 長此以往, 則會改變當?shù)氐纳鷳B(tài)平衡, 影響環(huán)境。熱氣體冷凝成霧后, 還會影響人體健康和交通運輸。地熱水一次性利用后排放, 熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中, 對大氣環(huán)境造成影響, 其中濃度較高、對人體危害較大的有H2S 和CO2等不凝氣體。地熱水的鹽類含量一般超過排放標準, 地熱水的直接排放會造成土壤的鹽漬化和板結(jié)。

 

  (4)地面沉降。從地下熱儲層中長期抽取地熱水而不及時回灌, 會導(dǎo)致地下壓力和地下水位下降,巖土失水固結(jié), 從而引起地面沉降和水平位移。雖然一般地熱田的地面沉降是緩慢的, 但是, 一旦由量變發(fā)展到質(zhì)變, 將會造成嚴重后果。

 

  2. 3 工程地質(zhì)

 

  東麗區(qū)位于海河斷裂帶, 其北部為幺六橋凸起,南部是白糖口凹陷。根據(jù)已有地熱井資料分析, 該場區(qū)有兩條NE 向斷裂層, 將開發(fā)區(qū)分為東、西兩個斷塊, 兩斷塊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)略有不同。西斷塊奧陶系地層較厚, 為518 m, 上部馬家溝組灰?guī)r巖溶發(fā)育。

 

  東斷塊奧陶系地層較薄, 馬家溝組被剝蝕, 下奧陶組巖溶發(fā)育較弱。霧迷山組在西部埋藏深, 裂隙巖溶發(fā)育弱, 在東部埋藏較淺, 裂隙巖溶較發(fā)育。

 

  2. 4 熱源組合優(yōu)化設(shè)計

 

  為解決原地熱井供熱能力有限、布局不合理的問題, 根據(jù)目前招商定標情況, 在開發(fā)區(qū)南區(qū)開鑿一對地熱井, 將7口地熱井(其中包括原有的5口地熱井SR1 、SR2 、SR3 、SR4 、SR5 和新開鑿的一對地熱井SR6 -1 、SR6 - 2 )以及原有的2臺鍋爐重新優(yōu)化組合,利用集約化技術(shù), 提高地熱資源利用率, 形成兩個相對獨立的熱源系統(tǒng)(即兩個供熱站), 分別稱為西部熱源組合系統(tǒng)和東部熱源組合系統(tǒng), 以滿足新形勢下的工程要求。

 

  2. 4. 1 東部熱源組合系統(tǒng)

 

  東部熱源組合系統(tǒng)的優(yōu)化原則是新井開發(fā)與老井改造并舉, 優(yōu)化布局, 提高資源利用率。

 

  東部熱源組合系統(tǒng)由4口地熱井組成。其中,新建地熱井SR6 -1 、SR6 - 2和原有的地熱井SR4 組成兩采一灌的熱源組合系統(tǒng), 采用梯級開發(fā)循環(huán)利用集約化技術(shù)和工藝, 在原來地熱水間接換熱的基礎(chǔ)上, 增加熱泵系統(tǒng), 并將新建工程的末端設(shè)備設(shè)計為風機盤管空調(diào)系統(tǒng)和地板輻射采暖系統(tǒng), 使原來的一級供熱系統(tǒng)改造為三級供熱系統(tǒng)。另一口館陶組熱儲層地熱井SR3 仍為洗浴井, 提供生活熱水。

 

  新地熱井SR6 -1流量為100 m3/h, 出水溫度為90℃, 按18℃排放, 新井供熱能力為7. 5MW, 原有地熱井SR4 改造后的供熱能力為11. 3MW, 改造后的東部熱源組合系統(tǒng)供熱能力為18. 8 MW , 這樣就能完全滿足東部供熱站新老建筑物總熱負荷8MW的供熱要求。

 

  2. 4. 2 西部熱源組合系統(tǒng)

 

  西部熱源組合系統(tǒng)的優(yōu)化原則是采用地熱資源梯級開發(fā)循環(huán)利用集約化技術(shù), 提高資源利用率, 擴大地熱資源供熱能力, 減少煤炭能源的消耗。

 

  西部熱源組合系統(tǒng)由原有的3口地熱井(SR5和SR2 為開采井, SR1 為回灌井)和原有的1臺7. 0MW 的鍋爐組成(取消1臺7. 0MW 鍋爐)。以地熱作為主要熱源承擔采暖期的基本熱負荷, 鍋爐用于采暖期尖峰熱負荷的調(diào)峰。在原來地熱水間接換熱的基礎(chǔ)上, 增加熱泵系統(tǒng), 將原來的二級供熱系統(tǒng)改造為三級供熱系統(tǒng)。

 

  按地熱水排放溫度th =18℃計算, 西供熱站原有地熱井SR5 和SR2 改造后的供熱能力為13. 6MW , 1臺7. 0MW 鍋爐的供熱能力為6. 3MW , 改造后的西部熱源組合系統(tǒng)供熱能力為19. 9MW, 滿足供熱要求(熱負荷為17MW)。其中, 調(diào)峰鍋爐熱負荷占總供熱量20%左右, 地熱累計熱負荷占總供熱量80%左右。

 

  2. 5 地熱井設(shè)計

 

  采用地熱對井, 以達到采灌平衡。根據(jù)用戶需要和地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件, 將對井(SR6 -1和SR6 -2 )位置選擇在東斷塊, 井位在SR4 以南1500 m 的地段, 采用東西向造斜。向東造斜的井穿過斷層, 進入SR4 成井的塊段上。SR6 - 1為回灌井, SR6 -2為開采井。

 

  設(shè)計對井井口地面相距5 m, 先鉆SR6 - 1井, 垂直鉆進至400 m后開始造斜, 方位角SW 270°, 打至霧迷山組目的層時, 向西位移400 m。SR6 -2井也是垂直鉆進至400m后開始造斜, 方位角NE90°, 鉆至霧迷山組目的層時, 向東位移400m, 實現(xiàn)井底相距800m, 見圖1所示。

 

  2. 6 效益評價

 

  東部熱源改造后, 地熱資源利用率由原來的53. 8%提高到92. 2%, 地熱尾水由原來直接排放到污水河改變?yōu)樵毓? 地熱流體回灌率達到100%, 實現(xiàn)了地熱資源采灌平衡。西部熱源改造后, 地熱資源平均利用率由原來的42. 6%提高到91%, 供熱能力增加了1. 9倍, 在供熱面積不變的情況下, 減少1臺7. 0MW 鍋爐的使用。

 

  通過開發(fā)與改造, 本工程項目減少了廢氣廢物的排放, 節(jié)約了城市污染的治理費用, 有效地保護了生態(tài)環(huán)境, 見表1。

 

  3 結(jié) 語

 

  我國在30多年的地熱資源開發(fā)利用中, 一些原有的地熱井在布局、結(jié)構(gòu)等方面都存在這樣或那樣的問題, 對地熱資源可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。本文結(jié)合天津某開發(fā)區(qū)地熱供熱工程, 探討了地熱井開發(fā)與改造的關(guān)系, 研究了地熱井綜合開發(fā)與改造的科學(xué)措施, 包括以動態(tài)數(shù)據(jù)實行總量和強度雙控,推廣集約化新技術(shù), 提高資源利用率, 開發(fā)與改造并舉, 持續(xù)優(yōu)化布局等。

 

  市場需求的變化, 使地熱資源整合隱藏著一定的機動性。但是, 地熱資源整合的目標是十分明確的, 那就是開發(fā)好地熱資源, 利用好地熱資源, 管理好地熱資源, 保護好地熱資源, 保障資源、經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展。