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【论文精选】干热岩供热技术的应用
发布时间:2019-05-25 07:06:17 | 浏览次数:

原创: 王峡,等  煤气与热力杂志  昨天

作者:王峡,亢磊

第一作者单位:济南市热力设计研究院

摘自《煤气与热力》2017年10月刊


1   干热岩供热技术

干热岩是一种普遍埋藏于距地表2~6 km,温度为150~650 ℃的不含水或蒸汽的干热岩体,热能赋存于各种变质岩或结晶类岩体中,这部分热量来自地球内部热核反应。联合国有关新能源报告显示:全球,地层深度5 km范围内,地热资源量相当于约4 900×1012 t标准煤。我国的地热资源储量约占全球总储量的16.7%,储量巨大。对于干热岩供热项目,钻孔深度一般控制在2.5 km以内,这一深度内的岩体最高温度为70~75 ℃。干热岩供热项目的供水温度一般比较低,因此适用于采用地板辐射供暖系统或风机盘管的建筑。

 干热岩供热系统流程见图1。通过钻机向地下一定深度的岩层钻孔,在钻孔中安装密闭的金属地埋管换热器,地埋管换热器中循环介质与岩层换热,经地埋管换热器加热的循环介质与地面热力站中的换热器换热后(或经热泵机组提高供水温度)用于建筑供热。

 


图1   干热岩供热系统流程

1~5.阀门

在供暖初末期,可以采用直接供热方式(阀门1、5开启,阀门2~4关闭),地埋管换热器内循环介质与地下干热岩换热后进入地面热力站的换热器,供热回水经换热器与循环介质换热升温后作为供热供水供给用户。在供暖严寒期,采用间接供热方式(阀门2~4开启,阀门1、5关闭),经换热器与循环介质换热升温后的热水不直接供给用户,而是经阀门2进入热泵机组冷凝器进一步提升温度,然后经阀门3作为供热供水供给用户。供热回水经阀门4进入热泵机组蒸发器,降温后进入换热器,完成一次循环。这样可充分利用回水的余热,实现大温差运行。


2   干热岩供热工程实例

干热岩供热技术是一种广义上利用地热能的技术,不需要非常高的温度,钻孔孔径200 mm、钻孔深度2.5 km为性价比最佳的工程做法。

 

①工程实例1

 我国西北地区某市A区干热岩供热项目。规划供热面积为2×104 m2,2016—2017年供暖期实际供热面积为1×104 m2。开设2眼直径为200 mm的钻孔,孔深2.5 km,两眼井口距离(一般控制在15 m以上)18 m,单钻孔理论换热能力为600 kW。开设钻孔施工时间为57 d,单眼钻孔费用为200×104 元。供暖初末期采用直接供热方式,设计供、回水温度为47、43 ℃。供暖严寒期采用间接供热方式,设计供、回水温度为47、10 ℃。热力站配置热泵机组。


②工程实例2

 我国西北地区某市B区干热岩供热项目。规划供热面积为1×104 m2,2016—2017年供暖期实际供热面积为4 000 m2。开设1眼直径为200 mm的钻孔,孔深2.5 km,单钻孔理论换热能力为600 kW。开设钻孔施工时间为20 d,单眼钻孔费用为200×104 元。供暖初末期采用直接供热方式,设计供、回水温度为37、34 ℃。在供暖严寒期采用间接供热方式,设计供、回水温度为47、10 ℃。热力站配置热泵机组。

 

③供热效果

 由调研结果可知,用户室内温度均达标,这说明这两项干热岩供热工程的供热效果比较理想。

 

3   干热岩供热技术的优势及风险 

3.1  优势

 

①政策支持

 干热岩供热项目得到了国家政策的有力支持。2017年1月,由国家发改委、国家能源局、国土资源部联合发布的发改能源[2017]158号文《地热能开发利用“十三五”规划》指出:根据地热资源特点和当地用能需要,因地制宜开展浅层地热能、水热型地热能的开发利用,开展干热岩开发利用试验。结合各地区地热资源特性及各类地热能利用技术特点,有序开展地热能发电、供暖以及多种形式的综合利用。在“十三五”时期,在全国地热资源开发利用现状普查的基础上,查明我国主要水热型地热区(田)及浅层地热能、干热岩开发区地质条件、热储特征、地热资源的质量和数量,并对其开采技术经济条件做出评价,为合理开发利用提供依据。支持有能力的企业积极参与地热勘探评价,支持参与勘探评价的企业优先获得地热资源特许经营资格,将勘探评价数据统一纳入国家数据管理平台。

 

②技术优势

 与太阳能供热相比,干热岩供热不存在太阳昼出夜落及阴雨雪天气的影响。与地埋管地源热泵相比,干热岩供热不存在地埋管占地面积过大的问题。与地下水地源热泵相比,干热岩供热不存在地下水回灌和重金属污染问题。与空气源热泵相比,干热岩供热不存在冬季室外机结霜引起的制热能力下降的问题。与燃煤锅炉房、热电联供供热相比,干热岩供热的污染物排放量低,化石能源消耗量小。

 

3.2  风险

 由于干热岩供热项目中钻孔费用占工程造价比重高,因此钻孔成井成功与否是干热岩供热项目前期的主要风险之一。对于目前的干热岩供热项目,供热效果均比较理想,但这些项目并未达到设计供热面积,且运行时间也不长。因此,不排除长期运行的干热岩供热项目,岩层的热量衰减,无法保证出水温度,以及导致热泵机组耗电量提高。由于干热岩供热项目的钻孔较深,地埋管换热器的寿命和承压能力是值得我们关注的风险内容之一。

 

4   建议

在实施钻孔前,应由具有资质的专业队伍进行地热资源勘探、地质取样与测试,以获取水文地质参数及地温梯度、岩层热储量等基础信息。选择一支具有相关资质且技术过硬的专业钻井施工队伍开设钻孔,以确保钻孔的成井质量。争取政府补贴及银行融资,以降低投资压力。优化地埋管换热器的换热效果,关注换热器的寿命和承压能力。

 为确保供热质量和安全性,干热岩供热项目应适当考虑备用热源。在峰谷电价政策下,可利用热泵机组在低谷电价期间满负荷运行,将富裕热量储存在蓄热装置中,在高峰电价期间利用蓄热进行供热,以降低运行成本。


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