东营中深层地热在城镇居民集中供暖+设施农业项目中的应用
东营中深层地热在城镇居民集中供暖+设施农业项目中的应用
随着全球对清洁能源和可持续发展的关注度不断提高，地热能作为一种可再生能源，在供暖领域的应用越来越受到重视。本文将介绍一个位于山东省东营市的中深层地热供暖项目，该项目通过创新的技术和管理模式，成功替代了传统的燃煤锅炉供暖方式，不仅实现了节能减排的目标，还为当地设施农业提供了廉价热源，具有重要的示范意义。
1 概述
中深层地热供暖技术是通过采水井从地下抽取中高温地热水，在地面换热站内通过换热器将地热水中的热能提取后为城镇居民、周边高端设施农业及水产养殖业供暖。释放完热量后的地热水通过回灌井全部回灌到地下，做到取热不耗水。该供热方式可完全替代用于城镇集中供暖的燃煤锅炉供暖，清洁环保，节能减排，可为国家“美丽乡村”建设助力。
2 案例介绍
2.1 项目概况
项目位于山东省东营市东营区，项目所在地总供暖面积约2524×10^4 m^2，其中包括公建部分957×10^4 m^2，居民部分15.67×10^4 m^2。该部分建筑最早采用2台14MW的燃煤热水锅炉提供热源集中供暖。
该项目锅炉容量小，燃烧效率低，加之燃煤价格逐年上涨，供热公司常年亏损，靠当地政府和油田补贴维持运营。为充分发挥当地地热资源优势，2019年当地政府决定采用中深层地热供暖方式完全替代2台14MW燃煤锅炉。另外，该项目周边建有18×10^4 m^2设施农业，包括花卉大棚以及蔬菜大棚。地热水由换热站提取热量为当地居民及公共建筑供暖，换完热后的地热水通过管道送到大棚内为18×10^4 m^2设施农业继续供暖。
2.2 热负荷分析
该项目所服务的建筑均为非节能建筑，供暖末端均为暖气片。参考《城镇供热管网设计标准》(CJJ 34—2022)，同时考虑热网及供热站损失热量，该项目供暖区域中非节能住宅建筑热指标(q1)60 W/m^2，非节能公共建筑热指标(q2)65 W/m^2。热负荷计算公式为：
式中Qh为采暖设计热负荷(kW)；qh为采暖热指标(W/m^2)；Ac为采暖建筑物的建筑面积(m^2)。
由于该项目为改造项目，热用户的已趋于稳定。根据统计，该项目入住率基本维持在75%~80%。因此，该项目的建筑总热负荷按照采暖设计热负荷Qh的80%考虑，建筑总热负荷为Q1=Qh×80%=15622.5×0.8=12498kW。设施农业大棚的采暖热负荷指标(q3)按照45W/m^2计算，总热负荷为Q2=q3×18×10^4÷1000=45×18×10^4÷1000=8100kW。因此，该项目总热负荷为Q=Q1+Q2=12498+8100=20598kW。
2.3 供热方案
项目区前期供暖方式采用燃煤锅炉房集中供暖，采用中深层地热能供暖技术在原燃煤锅炉房内新建地热能源站，替代原有燃煤锅炉供热系统，供热管网和末端设施均可利旧。
根据当地地热资源分析报告显示，当地主力热储层东营组地热资源丰富，单井取水热储可达100m，成井深度约为2000m，热水温度可达80℃，单井水量可达80m^3/h。该项目未采用热泵梯级利用技术，地热水经多级板式换热器换热后直接回灌，回灌尾温度35℃，单井供热量4176kW。钻探5口采水井、5口回灌井可以完全满足住宅、公建及设施农业的用热需求。项目工艺流程如图1所示。2000m左右的东营组热储中的地热水经深井泵升压后进入除砂器、汽水分离器进行处理，除去地热水中的泥沙及可燃性气体，然后进入布置于能源站内板式换热器热端进行一级换热，温度由80℃降低到约52℃。板式换热器的冷端温软化水在换热器内温度由45℃加热至53℃，加热后的软化水经分水器后通过集中供热管网输送到用户供热末端。经过一级换热后的地热水通过设施农业供热管线输送到设施农业蔬菜大棚和花卉大棚内的换热站内，通过板式换热器进行二次换热，温度降低到约35℃后通过地热尾水回灌管线进入各回灌井内进行同层回灌。
该工艺在未使用热泵的情况下，经过两级换热最大限度地利用了地热水的热量，降低了地热利用过程的能耗，提高了地热开发利用的效率。
3 运营情况分析
3.1 供暖效果
该项目于2019年6月开始施工，于2019年10月30日达到供暖条件，并于当年11月7日投入供暖运营。供暖初期及末期开启3口取水井、3口回灌井即可满足供热需求，供暖中期根据室外温度情况增加地热井开启数量。项目已经连续运行4个供暖季，供热效果良好，用户室内温度均高于18℃，满足《山东省供热条例》对室内温度要求。
3.2 回灌效果分析
该项目采用一采一灌的方式来设计，即一口开采井对应一口回灌井。地热井及回灌系统采用公司自主研发无压回灌专利技术，该技术在钻井设计及完井、工艺设备及材料的选择、化学助剂的针对性应用以及运行维保方面形成一整套完整的解决方案，达到地热尾水在砂岩热储(如馆陶组、东营组等)能实现在采水井和回灌井数量为1:1的情况下实现100%无压同层回灌，从而确保以灌定采的实施，也不会形成加压回灌等方式对地层的破坏及不可持续性。在开采的过程中全程检测开采井及回灌井的水位、压力、流量及温度，通过上述参数的变化判断生产及回灌的运行情况，以确保100%达标回灌及整个系统的安全运行。
图2所示为2021—2022年供暖季项目开采量与回灌量对比曲线，从图中可以看出5口开采井的日开采量与5口回灌井的日回灌量基本吻合，开采量略大于回灌量的原因是因为开采井的流量计均安装于气液分离器及除砂器前段，由于当地处于油区，地热水中含甲烷、CO2等气体，在进入换热站前需经过气液分离器除掉气体，以免影响换热效果以及防止发生回灌气堵问题。
3.3 经济效益分析
3.3.1 收入
该项目住宅收费率约85%，每平方米供暖价格为21元；共建收费率约80%，每平方米供暖价格为32元。因此，居住建筑供暖费总收入G1=(15.67×10^4)×85%×21+(9.57×10^4)×80%×32=524.7万元。
另外，该项目向周边设施农业提供供热服务，每千焦的单价为0.05元，年总供热量约为11×10^8 kJ，收入G2=0.05×1.1×10^8=550万元。
该项目的总收入G=G1+G2=524.7+550=1074.7万元。
3.3.2 支出
该项目运营成本主要包括电费、人工费、维修费、矿产资源税、管理费。根据实际运行情况，每个供暖季运营成本统计如下：
- 电费：1053万元
- 人工费：56万元
- 维修费：60万元（设备、地热井及管线维修）
- 矿产资源税：75万元
- 管理费：15万元
合计总运营支出311.3万元。
3.3.3 效益分析
该项目建设内容包括地热井、能源站及供热管线，项目建设投资5100万元。项目毛利润约7634万元，静态投资回收期约为6.68年。
3.4 节能减排分析
该项目为燃煤锅炉替代项目，燃煤锅炉机组已经拆除。项目已经成功运行4个供暖季。根据运行数据测算，该项目年供热量约22×10^4 GJ。按照标准煤热值29307kJ/kg[《综合能耗计算通则》(GB 2589—2020)]、燃煤热水锅炉的热效率85%计算，相当于每年可节约标煤量0.88×10^4 t，减少二氧化碳排放量约2.16×10^4 t。本项目运行4个供暖季已节约燃煤3.52×10^4 t，减排二氧化碳8.64×10^4 t，节能减排效果显著。
4 结语
通过对该工程案例的分析，总结如下：
该项目采用中深层地热能替代传统集中供暖方式，项目建设投资较高，但供热系统自动化程度高、能耗低、排放少，运营成本低，项目投资回收期较短，有显著的经济和环保效益。
该项目采用自主知识产权回灌技术，实现了同层达标回灌，地热水的取热过程全部采用间接换热形式，真正做到了“取热不耗水”，也不污染地下水，不会对地下水和地质结构造成破坏，对地热能做到了安全、环保、可持续开发利用。
采用中深层地热能完全替代传统燃煤热水锅炉供暖，供暖效果得到当地百姓的认可，彻底解决了供热公司靠政府补贴维持运营的局面。另外，该项目同时为乡镇周边设施农业大棚提供廉价热源，助力当地设施农业建设，促进了当地地热能利用产业发展，有显著的社会效益，值得借鉴推广。