工程概況

 

  東麗某開發區位于天津市東郊,東臨渤海,是天津市重要的經濟開發區。該開發區北區現有建筑的采暖面積為33萬m2 ,由東、西區兩個供熱站供熱。 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2410m,出水溫度90℃,流量150m3 /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971m,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88m3 /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)。西供熱站還設置2臺7.0MW的鍋爐作為輔助熱源進行聯合供熱。西供熱站的供熱面積26萬m2。 該開發區南區規劃面積3km2 ,建筑物以現代化工業廠房為主,同時還有回遷住宅、超市等,一期工程供熱面積22.5萬m2 。開發區南區建筑規模大,原有的供熱系統不能滿足其采暖要求。

 

  問題分析

 

  (1)熱能利用率低。原開發區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境污染。

 

  (2)地熱井布局不合理,供熱能力有限。原開發區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m2 ,熱負荷為17MW。按照目前系統運行模式,東供熱站和西供熱站的剩余供熱能力已經非常有限。

 

  (3)熱污染、空氣污染和化學污染。由于地熱井尾水排放溫度較高(48～50℃),使得排放地區的地下水體溫度、地面溫度甚至局部空氣溫度產生不同程度的升高,長此以往,則會改變當地的生態平衡,影響環境。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。

 

  (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,會導致地下壓力和地下水位下降,巖土失水固結,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,一旦由量變發展到質變,將會造成嚴重后果。

 

  2.3 工程地質

 

  東麗區位于海河斷裂帶,其北部為幺六橋凸起,南部是白糖口凹陷。根據已有地熱井資料分析,該場區有兩條NE向斷裂層,將開發區分為東、西兩個斷塊,兩斷塊的地質結構略有不同。西斷塊奧陶系地層較厚,為518m,上部馬家溝組灰巖巖溶發育。東斷塊奧陶系地層較薄,馬家溝組被剝蝕,下奧陶組巖溶發育較弱。霧迷山組在西部埋藏深,裂隙巖溶發育弱,在東部埋藏較淺,裂隙巖溶較發育。

 

  熱源組合優化設計

 

  為解決原地熱井供熱能力有限、布局不合理的問題,根據目前招商定標情況,在開發區南區開鑿一對地熱井,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臺鍋爐重新優化組合,利用集約化技術,提高地熱資源利用率,形成兩個相對獨立的熱源系統(即兩個供熱站),分別稱為西部熱源組合系統和東部熱源組合系統,以滿足新形勢下的工程要求。

 

  東部熱源組合系統

 

  東部熱源組合系統的優化原則是新井開發與老井改造并舉,優化布局,提高資源利用率。 東部熱源組合系統由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,采用梯級開發循環利用集約化技術和工藝,在原來地熱水間接換熱的基礎上,增加熱泵系統,并將新建工程的末端設備設計為風機盤管空調系統和地板輻射采暖系統,使原來的一級供熱系統改造為三級供熱系統。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100m3 /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供熱能力為18.8MW,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。

 

  西部熱源組合系統 西部熱源組合系統的優化原則是采用地熱資源梯級開發循環利用集約化技術,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峰。在原來地熱水間接換熱的基礎上,增加熱泵系統,將原來的二級供熱系統改造為三級供熱系統。

 

  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供熱能力為19.9MW,滿足供熱要求(熱負荷為17MW)。其中,調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。

 

  地熱井設計 采用地熱對井,以達到采灌平衡。根據用戶需要和地質結構條件,將對井(SR6-1和SR6-2)位置選擇在東斷塊,井位在SR4以南1500m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。

 

  設計對井井口地面相距5m,先鉆SR6-1井,垂直鉆進至400m后開始造斜,方位角SW270°,打至霧迷山組目的層時,向西位移400m。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,實現井底相距800m,見圖1所示。

 

  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為原水回灌,地熱流體回灌率達到100%,實現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。

 

  通過開發與改造,本工程項目減少了廢氣廢物的排放,節約了城市污染的治理費用,有效地保護了生態環境.