東沽供暖系統運行調節方案的制定與實施

郝慶

(渤海石油水電服務公司天津塘沽300452)

0 引言

2011年底東沽石油新村順利完成了“地熱直供+熱泵調峰”的供暖模式改造工作，汲取前兩個片區新模式運行的經驗和不足，同時也是為了結束沿用幾十年的“憑經驗看天燒火”的供暖調節方式，更是為了合理利用與保護地熱資源，在東沽供熱系統投運前我制定了一套詳細的地熱直供和熱泵調峰運行方案，整個供暖期采用分階段改變流量質調節的方式，在供暖的初末期居民用戶采用地熱直供，居民用戶回水作為工業用戶的供水，工業用戶回水部分回灌；在供暖中期，部分居民用戶采用地熱直供，其回水作為工業用戶供水，工業用戶回水作為熱泵余熱水，再次提取熱量，地熱利用到21℃后部分回灌。我指導操作人員在供暖運行中嚴格按照方案進行操作，通過大家的共同努力，2011-2012采暖期運行下來，地熱資源綜合利用率提高了，地熱回灌率也有了明顯的提高，地熱資源受到了有效保護，不可再生能源消耗量顯著降低了，為推廣和普及地熱資源梯級利用與回灌技術起到了良好的示范作用。

1 東沽石油新村供暖系統簡介

1.1 東沽石油新村供暖系統基本情況

渤海石油東沽石油新村現有供暖面積約68萬平米，冬季室外供暖計算溫度為-9℃，小區實際供暖平均熱指標為57w/m2，室內供暖溫度20℃，供暖天數為150天，供暖小時數為3600小時，年采暖供熱量為32.94萬GJ。供暖系統分為居民系統和工業系統，居民系統設計供回水溫度為75/60℃，工業系統設計供回水溫度為60/50℃。東沽熱負結構見圖1，東沽供熱系統設備情況見表1。

2 改造前地熱利用情況

圖1 東沽熱負荷結構圖

改造前東沽石油新村內主要供熱熱源為燃油鍋爐，其中20t/h蒸汽鍋爐2臺，14MW熱水鍋爐2臺。地熱井4眼，其中高溫井3眼（東七井、東八井、東九井），總出水量290t/h（其中20t/h用來供居民的用熱水），用來供暖的熱水量270t/h，水溫為70℃；低溫井1眼（東六井），出水量40t/h，水溫為49℃。

表1 東沽供熱系統設備情況表

3 改造后供暖方案的制定

3.1 方案制定的原則

《東沽石油新村地熱結合熱泵技術應用改造項目》實施后，東沽供熱中心安裝4臺10.5MW熱泵，同時新打4眼地熱井，現共有8眼地熱井，其中要有2眼回灌井，5眼高溫開采井，1眼低溫開采井。

結合東沽的實際情況，選擇東八井和新四井作為回灌井，東七井、東九井、新一井、新二井、新三井作為開采井，互相聯通，熱水可以互相調用，總出水量581t/h，水溫70℃；低溫開采井（東六井）改造后出水量為51t/h，水溫49℃。

整個供暖期采用分階段改變流量的質調節，供暖初末期，利用高溫地熱水給居民用戶供暖，其回水作為工業供水，工業回水部分回灌，部分排掉；供暖中期地熱水首先進入居民系統混合作為供水，居民回水作為工業供水，工業回水進入熱泵再次提取熱量后，部分回灌，部分排掉。供暖初末期地熱利用流程見圖2，供暖中期地熱利用流程見圖3。

圖2 供暖初末期地熱利用流程

圖3 供暖中期地熱利用流程

3.2 地熱直供方案的制定

為了充分合理利用地熱資源，根據工業用戶和居民用戶室溫不同、高負荷時段不同特點，制定地熱直供方案，供暖初末期，高溫地熱水給居民用戶供暖，其回水作為工業用戶供水，工業用戶回水部分回灌。依據理論公式制定出直供供暖運行調節參數。

3.2.1 供暖調節的理論基礎

①供暖調節的基本公式為：

②供暖系統流量的公式為：

③地熱水供熱量的公式：

3.2.2 地熱直供調節方案

依據多年運行經驗，在供暖初末期，居民回水溫度設為39℃，居民回水作為工業供水。當回水溫度39℃時，依據公式3計算東六井的供熱能力：

Q=4.18×51×10/3600=0.7MW

其余各井的供熱能力計算結果見表2。

表2 不同回水溫度地熱井供熱能力

1）東九井位于三區供熱站附近，作為三區供熱站的主熱源。三區供熱站初期供暖用戶為三區低層、三區高層和五區用戶，總面積為18.5萬，設計熱負荷10.5MW，室內溫度20℃，室外設計溫度-9℃，帶入公式1：求得當室外溫度為7℃時，東九井已經發揮最大供熱能力，此時應調整供熱方案。接下來計算各系統的運行參數。

①將高層設計熱負荷，供回水溫差帶入公式2：得出高層設計流量為203t/h，

在室外溫度高于7℃時，啟動一臺循環泵，流量為200 t/h，代入公式1：得出tg=44.8℃，高層供水溫度44.8℃，供回水溫差6.8℃。

②在室外溫度高于7℃時，低層用戶啟動兩臺循環泵，實際流量為400 t/h。運行參數見表3。

表3 當室外溫度高于7℃時各系統的運行參數表

③供暖初期，新一、東六、東七作為供熱中心熱源，供熱能力為9 MW，在室外溫度等于7℃時，居民熱負荷為8 MW，多余1 MW給工業用戶，即2 7t/h的高溫水作為工業供水。

當室外溫度高于7℃時各系統的運行參數見表3。

2）當室外溫度低于7℃時，依據多年運行經驗將居民回水溫度設為43℃，則各井供熱能力見表2。

此時將五區用戶調整到供熱中心居民系統，東九井作為三區用戶熱源，可得出當室外溫度低于4.1℃時，需要調整供熱方案。新一、東六、東七、新二作為供熱中心居民系統的熱源，可得出當室外溫度低于5.1℃時，需要調整供熱方案。居民用戶回水作為工業用戶供水。當室外溫度高于5.1℃低于7℃時，各用戶運行參數見表4。

表4 當室外溫度高于5.1℃低于7℃時各系統的運行參數

3）當室外溫度低于5.1℃時，加入新三井到供熱中心居民系統，此時居民系統回水溫度仍設為43℃。新一、東六、東七、新二、新三供熱能力為14.7MW，將新三井的水量一半調入三區供熱站，得出當室外溫度為2.5℃時，需要調整供熱方案。當室外溫度高于2.5℃低于5.1℃時各用戶運行參數見表5。

表5 當室外溫度高于2.5℃低于5.1℃時各系統的運行參數

4）當室外溫度低于2.5℃時，依據多年運行經驗將回水溫度設為49℃，則各地熱井的供熱能力見表2。此時將東九井和新三井作為三區用戶的熱源。可以得出當室外溫度低于-3.8℃時，需要調整供熱方案。

在室外溫度高于-3.8℃時，東七井、新一井、新二井，可作為供熱中心居民用戶的熱源，此時地熱基本負荷8.2 MW，其余負荷需由熱泵提供。居民回水作為工業供水，工業回水作為熱泵余熱水，進入熱泵系統再次提取熱量后，部分回灌，部分排掉。當室外溫度高于-3.8℃低于2.5℃時，各用戶運行參數見表6

表6 當室外溫度高于-3.8℃時各系統的運行參數表

3.3 熱泵調峰方案的制定

3.3.1 熱泵調峰方案的制定原則

通過對濱海和港區熱泵運行的數據分析得知，當熱泵滿負荷運行時，熱泵系數低于半負荷運行，即熱泵滿負荷運行時每MW熱量的耗氣量高于半負荷運行時MW熱量的耗氣量。建議同樣10MW的熱負荷，采用兩臺熱泵，半負荷運行。

熱泵調峰運行方案原則：①當熱泵熱水回水溫度一定時，同樣供熱量，采用熱泵熱水高流量、低出口溫度，②熱泵熱水和余熱水均采用額定流量③同樣熱負荷，采用兩臺熱泵半負荷運行更經濟。④熱泵系數COP取供暖期平均值1.7,天燃氣熱值取8400kcal/Nm3

3.3.2 熱泵調峰調節分析與指導

1）在室外溫度低于2.5℃高于-3.8℃時，居民系統9.2 MW負荷由兩臺熱泵提供，則有供熱量相等的等式：可得熱泵出水溫度t=60℃.

2）當室外溫度低于-3.8℃時，設定居民系統回水溫度為53℃，地熱供熱能力見表2。

當室外溫度低于-3.8℃時，用東九井、新二井和新三井作為三區供暖熱源，得出當室外溫度低于-9℃時，需要調整供熱方案。

東七井、新一井與三區回水一起作為供熱中心工業用戶的基本負荷，回水設為49℃，工業回水與東六井一起作為熱泵余熱水，供熱中心居民用戶則全部采用熱泵加熱，閉環運行，不再排水。當室外溫度高于-9℃低于-3.8℃時，各用戶運行參數見表7。

表7 當室外溫度低于-3.8高于-9℃時各系統的運行參數

當室外溫度高于-9℃低于-3.8℃時，供熱中心居民用戶負荷21.2MW全部由熱泵負擔，啟動4臺熱泵。

工業用戶10.3MW負荷，新一，東七供負擔5.4MW，三區居民回水(361 t/h,利用溫差4℃）負擔1.7 MW，仍有3.2 MW地熱水流量為調峰熱負荷需要由熱泵提供。從熱泵系統調整50 t/h的高溫水給工業系統，工業系統有5050 t/h的低溫回水回到高溫系統。熱泵熱水流量為1444t/h，則有等式得出：t=67.7℃，因此設定熱泵出水溫度為68℃。

3）當室外溫度低于-9時，居民系統運行的供回水溫度為70/55℃，工業系統運行的供回水溫度60/50℃，此時熱泵熱水出口溫度為75℃。

4 回灌試驗

為了有效減緩地下水位下降的速率，緩解地熱資源供需矛盾，我公司開始采取同層地熱回灌的方式保護地熱資源。在方案之初，東沽新村擬用新打的地熱井（新二井和新四井）作為回灌井，經過討論決定用已有老井與新井進行回灌試驗，進行開采量和回灌量的比較。

2011年11月開始至2012年3月分別對東沽石油新村成井結構為射孔井的新四井和成井結構為篩管井老井（東八井）進行自然回灌（常壓）的試驗，觀測數據見表8。

表8 新井、老井回灌數據對比

上述試驗數據表明：老井回灌方案切實可行，而且回灌量遠遠大于開采量，綜合考慮這兩口井的實際回灌能力約為200 m3/h，這是天津市首例采用篩管井回灌成功的案例。目前這兩口地熱井已正式投入回灌運行。

5 方案實施

在整個供暖期，嚴格按照方案進行運行調節，每個運行班組都認真記錄運行數據，摸索經驗，發現方案不妥的地方我及時進行修改。

6 方案綜合評價

6.1 提高地熱利用率

通過理論計算得出，由于地熱合理梯級利用方案的實施，地熱負擔了63%的熱負荷，只有37%的調峰負荷由燃氣負擔。

改造前地熱利用率30%，改造后地熱利用率提高到70%，同時有32%的地熱水進行了回灌，較好的保護了地熱資源。

6.2 經濟效益

根據公司賬目數據改造前采暖期總費用：3894萬元/a；改造后2011-2012采暖期總費用：1802萬元。改造后2011-2012采暖期比改造前節省費用2092萬元。

6.3 環境效益

由于地熱的合理利用和天然氣的使用，2011-2012采暖期可減少CO2排放17627t、減少鍋爐煙氣中SO2排放34t、NOX排放32t、煙塵排放53t，地熱由改造前的50℃排放，變成現在的21℃以下達標排放，減少熱污染。

6.4 社會效益

通過減少污染物排放，可有效改善東沽石油新村居民的居住環境，還小區一片藍天，為開創和諧社會、和諧小區打下堅實基礎。通過該項目的實施，我公司地熱資源梯級利用和回灌技術已經處于國內領先水平，已成為推廣和普及地熱資源梯級利用示范工程基地，為推廣和普及地熱資源梯級利用與回灌技術起到了良好的示范作用。

7 結論

在東沽石油新村“地熱直供熱泵調峰”的供暖系統運行中，合理地熱直供方案、熱泵調峰方案以及地熱回灌方案的制定與實施，結束了我公司沿用幾十年的“憑經驗看天燒火”的供暖運行調節方式，同時實現了地熱資源梯級利用，最大限度的利用地熱可再生資源，減少天然氣等不可再生資源的用量，實現企業降低供暖運行成本和節能減排的目的，有效保護了地熱資源，減緩地下水位下降的速率，延長地熱田的使用年限，以達到集約、循環可持續利用地熱資源的目的，緩解地熱資源供需矛盾。

[1]沈維道等編著.工程熱力學（第三版），北京，高等教育出版社，2004.

[2]XRIQII-45/21-1050(50/75)直燃型第一類溴化鋰吸收式熱泵機組安全安裝與使用說明書