雄縣地?zé)崴峁こ虘?yīng)用水源熱泵的可行性研究

雄縣地?zé)崴峁こ虘?yīng)用水源熱泵的可行性研究

與石油和天然氣相比，地?zé)崮苁窍鄬?duì)清潔的能源。然而，充分利用地?zé)豳Y源造成的環(huán)境問(wèn)題也應(yīng)注意：大規(guī)模開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源破壞了地表的自然景觀，降低了地面。熱能利用率低，熱流排放給環(huán)境帶來(lái)熱污染和化學(xué)污染，造成環(huán)境破壞的嚴(yán)重后果。在河北雄縣地?zé)崴┡こ淘O(shè)計(jì)中,采用水源熱泵、對(duì)井回灌等先進(jìn)技術(shù),以探索一條使地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用與環(huán)境問(wèn)題協(xié)調(diào)發(fā)展的途徑。1深度加大時(shí)地?zé)崴男再|(zhì)雄縣的地?zé)峋饕植荚谖鞑颗ｑ勬?zhèn)凸起的范圍內(nèi),地?zé)崴疁貫?5~118℃,屬于中、低溫型。據(jù)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锟辈靾?bào)告,地?zé)崴娜芙庑钥偣腆w含量一般為0.5~1.0g/L,隨著深度加大,總固體含量有逐漸增高的趨勢(shì)。地?zé)崴蛩幍牡赜蚧驇r層不同,其化學(xué)組分有明顯的變化,但是Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3等7種離子是普遍存在的。雄縣的地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代,開(kāi)發(fā)初期地?zé)峋當(dāng)?shù)量較少,開(kāi)采量也較小。從80年代中期開(kāi)始,隨著人們對(duì)地?zé)豳Y源優(yōu)勢(shì)的認(rèn)識(shí)以及科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步,地?zé)岬哪觊_(kāi)采量逐年增加,截至2004年底地?zé)崴_(kāi)采量高達(dá)226.5×104m3/a,多用于城鎮(zhèn)供暖和旅游服務(wù)行業(yè)。2雄縣地?zé)崽镩_(kāi)采初期地?zé)崴悔厔?shì)目前雄縣縣城人口為5萬(wàn)人,建設(shè)用地為6.7km2;2010年縣城規(guī)劃人口將達(dá)到8萬(wàn)人,建設(shè)用地面積將達(dá)到9.2km2,采暖建筑面積為324.97×104m2,其采暖熱負(fù)荷將為158.78MW。雄縣地?zé)崽镩_(kāi)采初期地?zé)峋毡槌霈F(xiàn)自流現(xiàn)象,某些地區(qū)地?zé)峋乃^甚至高出地表10m。但是隨著地?zé)崽镩_(kāi)采井的增加及開(kāi)采量的增大,地?zé)崴怀尸F(xiàn)明顯的整體下降趨勢(shì),預(yù)計(jì)在今后數(shù)年將有不少地?zé)峋蛩贿^(guò)低而不能正常使用。20多年來(lái)地?zé)崴苯佑糜诓膳?尾水水溫仍為40℃左右,不僅造成能源浪費(fèi),而且尾水造成的熱污染與化學(xué)污染也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了危害。3新技術(shù)：加熱和回波設(shè)計(jì)3.1熱泵系統(tǒng)循環(huán)時(shí)數(shù)據(jù)的回收熱泵是熱能利用中的節(jié)能技術(shù)之一,其特點(diǎn)是通過(guò)消耗一定的能量(電能、高溫?zé)崮?、壓力能?,從尾水中吸收一部分熱量,得到更多的可供利用的熱能,從而提高地?zé)崮芾寐省Ｋ礋岜迷诩泄嵯到y(tǒng)中的應(yīng)用顯示出良好的節(jié)能效果。在本工程設(shè)計(jì)中,采用地?zé)嵛菜鳛樗?尾水必須經(jīng)過(guò)處理達(dá)到熱泵機(jī)組對(duì)水質(zhì)的要求方可進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換。在蒸發(fā)器中低溫、低壓制冷劑氣體吸收地?zé)嵛菜械臒崃?經(jīng)壓縮機(jī)的抽吸、壓縮,以高溫、高壓氣體形式進(jìn)入冷凝器;在冷凝器內(nèi)液化為高溫、高壓制冷劑液體,并釋放攜帶的熱量,冷凝過(guò)程中熱能通過(guò)換熱器傳遞給建筑供暖系統(tǒng)循環(huán)水;制冷劑液體經(jīng)過(guò)膨脹閥降壓截流后,又變成低壓濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器,完成一個(gè)循環(huán)。如此周而復(fù)始,將地?zé)嵛菜械哪芰哭D(zhuǎn)移到需用的建筑物內(nèi)。40℃左右的地?zé)嵛菜?jīng)水源熱泵系統(tǒng)回收熱能后,水溫可降至10℃左右。如果在地?zé)峁┡到y(tǒng)中不采用熱泵技術(shù),熱源水水溫為55℃,降至40℃作為尾水排放,直接利用的地?zé)釡囟葹?5℃;若采用水源熱泵系統(tǒng),地?zé)嵛菜山抵?0℃,獲取的地?zé)崮茉黾恿?倍。因此,在保持原開(kāi)采量的情況下,一口地?zé)峋闷?5%的尾水,就可擴(kuò)大2倍左右的供暖面積,其開(kāi)采量可以節(jié)約60%左右。3.2回灌井的水環(huán)境質(zhì)量控制地?zé)衢_(kāi)采使地下熱儲(chǔ)層形成了水力和熱力漏斗,完全依靠自然補(bǔ)給不能滿足對(duì)地?zé)峥沙掷m(xù)利用的要求。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,利用對(duì)井回灌技術(shù)合理地增加地?zé)衢_(kāi)發(fā)強(qiáng)度是可行的。所謂的對(duì)井回灌即抽取深層地?zé)崴?通過(guò)換熱器把熱送到區(qū)域供熱管網(wǎng),被冷卻的地?zé)崴ㄟ^(guò)地下有足夠距離的另一口井回灌到地下?；毓喑丝色@得較多的熱量外,還能使熱儲(chǔ)層壓力有較快的回升,減少由開(kāi)采而引起的地面沉降,回灌后可能得到累積幾倍的熱量;回灌還避免了地?zé)崴煤蟮牡孛媾欧?減少因地?zé)崴^高的礦化度和排放溫度所造成的環(huán)境污染。對(duì)井回灌技術(shù)要求較嚴(yán)格,須注意下列問(wèn)題:①盡可能避免回灌井和開(kāi)采井距離過(guò)近,可首先考慮把回灌井布置在地?zé)崽锏倪吘?這樣可以大大降低因回灌而導(dǎo)致熱儲(chǔ)層溫度的熱突破?；毓嗔恳彩欠浅Ｖ匾?過(guò)量溫度較低的水灌入熱儲(chǔ)層后,容易形成過(guò)快熱突破現(xiàn)象,需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理確定回灌量。②回灌堵塞問(wèn)題地?zé)崴毓噙^(guò)程中,經(jīng)常遇到的另一個(gè)難題是由于回灌系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致越灌越少,甚至灌而不下。堵塞的原因包括物理和化學(xué)的因素,物理堵塞主要指由于水中含有的懸浮物顆粒在回灌壓力作用下,附著于井壁或進(jìn)入熱儲(chǔ)層的裂隙后影響回灌能力。此外,回灌水中的氣泡也可能影響回灌的速度。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生,需要采取過(guò)濾方法除去水中的懸浮物后再行回灌?；瘜W(xué)堵塞主要指由于物理化學(xué)狀態(tài)的改變或回灌水與地?zé)崴g產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)沉淀,從而降低回灌能力。一般的中、低溫?zé)崽镏饕a(chǎn)生碳酸鈣沉淀?；毓嘞到y(tǒng)的密封性也應(yīng)重視,因?yàn)榛毓嗨泻扛叩幕瘜W(xué)組分與空氣接觸很容易形成化學(xué)沉淀。③為了掌握回灌效應(yīng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)回灌引起的不利影響,應(yīng)對(duì)開(kāi)展回灌的地?zé)崽镞M(jìn)行更為嚴(yán)格、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作。對(duì)回灌井需觀測(cè)回灌的水量、水溫、水質(zhì)以及井口壓力;對(duì)開(kāi)采井應(yīng)觀測(cè)開(kāi)采量、出口溫度、壓力(水位)和出口水質(zhì)等,同時(shí)還要監(jiān)測(cè)示蹤劑的濃度。4雄縣冷供暖工程方案4.1熱泵對(duì)地?zé)豳Y源的回收利用該工程采用地?zé)釤岜霉┡到y(tǒng),即熱水從地?zé)峋槌龊蠼?jīng)過(guò)除砂、曝氣等工序處理后,供熱交換器換熱使用,并通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)嵛菜疅崃康幕厥?實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的高效合理利用。在對(duì)系統(tǒng)調(diào)控設(shè)計(jì)時(shí),發(fā)現(xiàn)水源熱泵耗電量較大,因此在入冬初期和冬季末期均不啟用,用地?zé)醽?lái)滿足基本負(fù)荷,隨室外氣溫降低供暖負(fù)荷增加,逐步增加熱泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括6部分:供熱概況11333/a新打地?zé)峋?1眼,新增地?zé)崴_(kāi)采量為450×104m3/a,熱負(fù)荷為90MW,供熱面積為165×104m2,泵房建設(shè)面積為100m2,占地為200m2。管道傳輸采用鍍鋅鋼管,管線全長(zhǎng)為55km,直埋敷設(shè)。換熱工程換熱站建設(shè)4座集中換熱站,占地面積為2000m2/座,主要包括鈦換熱板交換罐、集中罐、分水罐、熱源泵、高壓泵及自控設(shè)備。加熱管道供熱管網(wǎng)全長(zhǎng)18.14km(雙),采用鍍鋅鋼管外加保溫材料及保護(hù)外殼,直埋敷設(shè)。返回管道采用玻璃鋼管材,回灌管線總長(zhǎng)為35km,直埋敷設(shè)。回到老樹(shù)在地?zé)峋浇蚧毓嗑?0眼,與現(xiàn)地?zé)峋纬删畬?duì),泵房建設(shè)面積為100m2,占地為150m2。4.2使用熱資源4.2.1熱供暖技術(shù)分類直接供暖系統(tǒng)地?zé)崴畯牡責(zé)峋畠?nèi)抽出后直接送至用戶,經(jīng)散熱器散熱后排放或回灌。間接供暖系統(tǒng)熱水從地?zé)峋槌龊蠼?jīng)熱交換器換熱,二次水進(jìn)入用戶散熱器,這種方式主要是可避免地?zé)崴畬?duì)管道的腐蝕。方案2:尾水的熱量在地?zé)崴g接換熱利用的基礎(chǔ)上,用水源熱泵回收地?zé)嵛菜臒崃?在地?zé)峁崃坎荒軡M足負(fù)荷要求時(shí)啟動(dòng)水源熱泵,從而有效避免以上兩種方案尾水排放溫度較高、熱能利用率低的缺點(diǎn)。該工程采用地?zé)釤岜霉┡夹g(shù)。4.2.2防腐、防鐵、防砂技術(shù)地?zé)崴母g地?zé)崴g問(wèn)題比較嚴(yán)重,起腐蝕作用的主要成分是氯和氧。氯離子容易穿過(guò)金屬表面已有的保護(hù)層,對(duì)碳鋼、不銹鋼及其他合金造成強(qiáng)烈的縫隙腐蝕、孔腐蝕與應(yīng)力腐蝕等。蘊(yùn)藏于地下的地?zé)崴话悴缓?但當(dāng)其流出地面后,空氣中的氧會(huì)溶于水,造成地?zé)崴母g作用。為有效防腐,該項(xiàng)目安裝了耐腐蝕的鈦板換熱器,地?zé)崴恢苯舆M(jìn)入供熱管道系統(tǒng),而是通過(guò)熱交換器將熱量傳給潔凈水,從而減輕設(shè)備的腐蝕。此法的不足之處是降低了熱水利用的初始溫度(一般降低3~5℃)。曝氣塔—②除鐵。地?zé)崴械蔫F常以Fe2+的形式存在,一經(jīng)與空氣接觸,便被氧化生成難溶于水的氫氧化鐵,造成堵塞與腐蝕。因此利用地?zé)崴┡?除鐵是必要的措施之一。本工程采用強(qiáng)制熱風(fēng)曝氣塔—天然錳砂濾層過(guò)濾除鐵。曝氣對(duì)地?zé)崴F相當(dāng)重要,設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制熱風(fēng)式曝氣塔和鍍鋅除鐵裝置。曝氣塔處理水量為5~160m3/h,溶氧飽和度可達(dá)80%~90%。將曝氣后的含鐵地下水經(jīng)過(guò)天然錳砂濾層過(guò)濾,借助天然錳砂很強(qiáng)的催化作用,地?zé)崴械腇e2+能迅速在濾層中被氧化為Fe3+,生成物則被截留于濾層中。此法工藝簡(jiǎn)單,效果顯著,其水溫?fù)p失<1.5℃。型熱水除砂器對(duì)于含砂超標(biāo)的地?zé)崴仨氝M(jìn)行預(yù)處理以免發(fā)生堵塞,設(shè)計(jì)采用的ZC-Ⅲ型熱水除砂器,可使