杜可心,杜彩肖,焦時飛
(中國中元國際工程有限公司,北京 100089)
習近平總書記在二十大工作報告中指出:“我們要推進美麗中國建設,堅持山水林田湖草沙一體化保護和系統治理,統籌產業結構調整、污染治理、生態保護、應對氣候變化,協同推進降碳、減污、擴綠、增長,推進生態優先、節約集約、綠色低碳發展。 ”地熱能是我國能源供應體系的重要分支,也是新能源的重要組成部分, 目前全國多地已出臺相關措施推動地熱能科學有序開發利用。
水熱型中深層地熱作為可再生能源,具有供熱量高、無污染、經濟效益顯著等特點,目前廣泛應用于供暖系統,主要應用在用戶側能源站,通過熱泵機組采用梯級利用的方式,直接供應中溫熱水到用戶末端。 本文在用戶側能源站已充分利用地熱資源的基礎上, 將水熱型中深層地熱應用在集中供熱的熱源廠, 進一步加大可再生能源的利用、 降低化石能源的消耗,達到節能減排的目的。
本項目位于華北北部,為寒冷地區。 片區內規劃建設熱源廠1 座,總供熱面積336.57 萬m2,供熱范圍包括住宅用地、居住配套用地、基礎教育用地、醫療衛生用地、科研用地、商業用地等,均為規劃新建建筑。
項目熱負荷為冬季采暖熱負荷,不包含生活熱水負荷。
項目選用規劃指標法進行熱負荷的估算。 根據片區上位規劃,規劃新建建筑均滿足當地節能設計標準。 根據規劃的地下空間情況以及地塊開發單位提供的熱負荷資料, 僅在科研用地內考慮部分地下采暖熱負荷。
項目的熱負荷統計情況見表1。
表1 項目熱負荷計算表
根據熱負荷、 采暖時間和氣象參數估算本項目采暖年供熱量。
年平均氣溫:12.9 ℃。
供暖期室外設計溫度:-7.0 ℃。
供暖期日平均溫度:-0.5 ℃。
日平均溫度≤5 ℃的天數:119 d。
根據室外溫度下的小時熱負荷及延續小時數繪制采暖熱負荷曲線圖(見圖1),對年供熱量進行估算。
圖1 熱源廠采暖熱負荷曲線圖
根據地熱資源評估報告, 地熱資源來自薊縣系霧迷山組熱儲,打井深度約2 000 m,平均出水溫度65 ℃,平均出水流量100 m3/h。薊縣系熱儲具有熱儲空間展布、孔隙度發育較高、熱儲開發潛力大、熱儲回灌能力強的特點[1]。
根據GB 55010—2021《供熱工程項目規范》,采用地熱能供熱時,地熱尾水排放溫度不應大于20℃。為了保證地熱資源的可持續開采,本項目回灌溫度按照20℃進行計算。
熱源廠所在地塊為規劃建設用地,采用造斜井方式,保證開采井和回灌井的井底間距≥500 m 時,可設置開采井1~2孔。最終開采井布置孔數還需結合熱源廠的裝機容量, 通過分析確定。
熱源廠旨在輸送高溫熱水至用戶側能源站或換熱站進行換熱。 為了最大化利用區域內的可再生能源,用戶側能源站已根據周邊資源條件和末端用戶的負荷特性, 耦合了中深層地熱熱泵、淺層地熱熱泵、污水源熱泵承擔基礎熱負荷,熱源廠作為調峰熱源。 區域供熱技術路線見圖2。
圖2 區域供熱技術路線圖
由于熱源廠率先建設,以保證下游部分地塊的用能需求,同時為了保證供熱系統的安全穩定性, 熱源廠主機設備選型不扣除用戶側能源站的可再生能源裝機熱負荷, 按照區域100%熱負荷進行設計,建設單位可根據下游用戶的開發情況和用戶側能源站的建設情況,考慮熱源廠主機設備的分期建設。
熱源廠供熱系統見圖3。 熱源形式包括燃氣熱水鍋爐、吸收式熱泵(補燃型)、水熱型中深層地熱。 水熱型中深層地熱通過梯級利用,加熱一次管網回水,提高回水溫度,達到節省燃氣的目的。
圖3 熱源廠供熱系統簡圖
考慮到中深層地熱熱泵機組的效率, 適宜的出水溫度在45~55 ℃,故中深層地熱熱泵機組的溫度(即市政熱網回水溫度)不宜超過50 ℃;根據CJJ/T 34—2022《城鎮供熱管網設計標準》,當熱源廠為熱電廠或區域鍋爐房時,設計供水溫度宜取110~150 ℃,回水溫度不應高于60 ℃。 綜上確定本項目的設計供回水溫度為110 ℃/50 ℃。
燃氣熱水鍋爐共設計3 臺,分別為2 臺46 MW 鍋爐和1臺29 MW 鍋爐。
吸收式熱泵主要用來回收鍋爐煙氣余熱,余熱回收越多,熱泵投資越大。 根據熱負荷延續曲線,鍋爐并非一直滿負荷運行,故吸收式熱泵無須按照鍋爐滿負荷最大余熱回收量選取。一般情況下,鍋爐煙氣余熱量占鍋爐容量的6%~11%[2],本項目參考以往已實施項目經驗, 吸收式熱泵按照鍋爐滿負荷的6%計算煙氣余熱量,吸收式熱泵COP 取1.6。本項目吸收式熱泵共設計2 臺,單臺供熱量(含補燃供熱量)為9.4 MW。
綜上,熱源廠設計供熱能力為139.8 MW。
根據熱源廠的選址條件,本項目采用造斜井方式,保證開采井和回灌井的井底間距≥500 m, 最大可設置開采井1~2孔,暫按設置1 口開采井進行供熱量的計算。
4.4.1 一級板換
一級板換采用地熱水直供換熱,一次側進出水溫度65 ℃/55 ℃,二次側進出水溫度55 ℃/50 ℃。 根據換熱量計算公式[3],一級板換供熱量Q1為1 163 kW。
4.4.2 中間板換+中深層地熱熱泵
中間板換一次側進出水溫度55 ℃/20 ℃, 二次側進出水溫度35 ℃/27 ℃。 二次側的中介水作為中深層地熱熱泵機組的熱源,熱泵機組供回水溫度為55 ℃/50 ℃。 中深層地熱熱泵機組制熱COP 取5.0,根據換熱量計算公式,中深層地熱熱泵機組供熱量Q2為5 088 kW。
4.4.3 中深層地熱井數量的設計
燃氣熱水鍋爐和吸收式熱泵總裝機為139.8 MW,按照設計供回水溫度110 ℃/50 ℃,計算得總循環流量為2 004 t/h。
熱源廠內設置1 口開采井時, 中深層地熱系統的總供熱量(Q1+Q2)為6 251 kW,用于加熱市政管網的回水,熱泵設計供回水溫度55 ℃/50 ℃,計算得循環流量為1 075 t/h。 此時若設置2 口開采井,則設計循環流量為2 150 t/h,則大于一次供熱管網的設計流量。
目前部分品牌的熱泵機組, 冷凝器側的溫差可以做到8~10 ℃溫差, 此時設計循環流量減少, 可選擇設置2 口開采井,但還需結合蒸發器側的溫度、壓縮機的形式、COP 等因素綜合確定。 由于冷凝器側溫差加大,中深層地熱熱泵出水溫度增高3~5 ℃,主機COP 降低,還需進一步核實吸收式熱泵機組的參數,煙氣熱泵進/ 出口水溫均增大,同樣會降低煙氣熱泵設備的能效。
本項目考慮到中深層地熱打井成本、 片區內整體熱儲開采量以及上述因素,選擇設置1 口開采井和1 口回灌井,保證100%回灌的情況下,可充分利用地熱能進行供能,即初末寒期和嚴寒期均按照設計取水量運行。
項目100%達產后,熱源廠年供熱量約65.30 萬GJ。 中深層地熱系統整個采暖季均處于滿負荷的運行狀態,能夠充分利用地熱資源,年供熱量約6.42 萬GJ,占比9.8%。 按照燃氣熱水鍋爐和吸收式熱泵整體熱效率96%、 燃氣熱值35.16 MJ/m3(標準大氣壓)計算,年節約燃氣消耗量190.2 萬m3(標準大氣壓下),折合標煤230.96 萬t(標準煤當量)。
本文結合工程設計實例, 對水熱型中深層地熱在熱源廠的應用進行了技術路線分析、設計方案分析、裝機選型以及中深層地熱的梯級利用分析,主要結論如下。
1)水熱型中深層地熱應用在熱源廠,用于加熱市政管網的回水技術可行,但對熱源廠的規模有一定的要求。 熱源廠規模過小, 則存在流量不匹配的情況, 不能夠充分利用地熱資源,造成投資成本增加,運營費用減少不多的局面。
2)水熱型中深層以“用熱不用水”為原則,地熱尾水需100%回灌,合理設計回灌溫度,保障地熱資源的可持續性利用。
3)本項目設計方法可應用于既有燃氣鍋爐房的節能改造,達到節能減排、節約運營成本的目的。