提高地熱開發熱能利用效率的研究

楊衛+趙忠

摘要： 為提高地熱開發工程的熱能利用效率水平，筆者對影響熱能利用效率諸要素進行深度研究。通過分離伴生氣，應用分離的伴生氣進行燃燒加熱地熱水，整個系統換熱效果明顯提升，提高了地熱水的熱能利用效率，還消減了伴生氣帶來的安全風險，既很好經濟效益又有不錯的社會效益。

Abstract： In order to improve the utilization efficiency of thermal energy in geothermal development project， the author deeply studies the factors that affect the utilization efficiency of heat energy. Through the separation of the associated gas which is used for burning and heating the geothermal water， the heat transfer efficiency of the whole system is improved， the thermal energy efficiency of geothermal water is improved， and the safety risk of the associated gas is reduced. So it has good economic and social benefits.

關鍵詞： 地熱開發；伴生氣分離；燃燒加熱；熱能利用效率

Key words： geothermal development；associated gas separation；combustion heating；heat utilization efficiency

中圖分類號：P314.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0103-02

1 概述

地熱開發中，地熱水中不同程度地含有以甲烷為主要成份的伴生氣，由于伴生氣中的甲烷氣體易燃、易爆，給換熱站和地下井房帶來較大的安全風險。如何把這種氣體風險轉為收益，筆者對影響熱能利用效率諸要素進行深度研究，應用伴生氣分離燃燒設備，在河北容城領秀城和河北雄縣胡臺兩換熱站經連續應用試驗測試，提高地熱水的熱能利用效率效果明顯，把伴生氣變廢為寶，既有利于安全運行又能增加經濟效益。

2 主要研究內容

2.1 伴生氣樣分析

①調研取樣和檢測化驗分析建檔。公司現場取58口井的氣樣，測算出42口井和39個換熱站伴生氣的流量數據，檢測化驗分析出這些伴生氣的成分數據并建立檔案。

②伴生氣主要成分。經現場取樣檢測化驗分析，地熱井伴生氣的主要成分是甲烷和氮氣。甲烷的密度比空氣輕，它是無毒、無色、無味的易燃易爆氣體。氮氣的密度比空氣輕，它是無毒、無色、無味的氣體。

2.2 閃蒸過程的熱能變化影響

當水在標準大氣壓力下被加熱時，100℃是該壓力下液體水所能允許的最高溫度，再加熱也不能提高水的溫度，而只能將水轉化成蒸汽。

水在升溫至沸點前的過程中吸收的熱叫“顯熱”，或者叫飽和水顯熱。在同樣大氣壓力下將飽和水轉化成蒸汽所需要的熱叫“潛熱”。在一般場合下，熱的單位用千焦表示，它是指將1 kg水在1個大氣壓力下升高0.24℃所需要的熱量。

然而，如果在大于大氣壓的壓力下加熱水，水的沸點就要比100℃高，所以就要求有更多的顯熱。壓力越高，水的沸點就高，熱含量亦越高。壓力降低，部分顯熱釋放出來，這部分超量熱就會以潛熱的形式被吸收，引起部分水被“閃蒸”成蒸汽。

按照實用閃蒸汽計算公式可以計算出飽和狀態下閃蒸蒸汽的百分比：

飽和凝結水減壓時形成的閃蒸蒸汽百分比曲線圖見圖1所示。

利用供暖季節獲取的地熱流體的壓力，對應到圖1可以查詢該飽和壓力下，分離時能閃蒸的蒸汽量。通過運行數據可知，在圖1插值可得在飽和狀態下約有2.5%左右的地熱流體被閃蒸成蒸汽。但在實際分離器過程中，分離狀態是不飽和的，閃蒸成蒸汽的地熱水要低于該值。

2.3 甲烷燃燒對熱能的影響

若分離出的伴生氣中含甲烷量較多，可以燃燒這些甲烷來加熱地熱水以增加地熱水的熱能。甲烷燃燒能夠提供的熱量公式是：Q（熱量）=甲烷熱值×甲烷的量

甲烷產生氣態水時的熱值是35900kJ/m3，通過計算和測量獲知甲烷的流量，因此可以計算每小時甲烷可產生的熱能。

研制的分離燃燒裝置的平均熱吸收效率在70%以上，大氣壓下液態水的比熱4200kJ/m3·℃。故常態下，一立方米甲烷燃燒的熱能對一立方米水進行加熱時，水溫升高約6℃，計算公式：35900kJ/m3÷4200kJ/m3·℃×70%=5.98℃

通過該方法可計算出每口井的伴生氣能使改進提升的溫度，在河北蓉城的領秀城換熱站，使用研制的伴生氣分離燃燒設備，該設備的結構示意圖如圖2所示。

我們在河北容城領秀城和河北雄縣胡臺兩換熱站經連續穩定測試49小時的溫度變化情況如圖3和圖4所示。

從河北容城領秀城換熱站連續49小時的測試運行數據和圖3看，分離地熱水的伴生氣并燃燒加熱地熱水能使地熱水的溫度升高，在設備運行穩定后，平均溫度升高2.14℃，按照320m3/h的地熱水流量，能夠提供熱能796.27kW，按40W/m2的熱負荷計算，能夠提供19，907m2的供暖面積，按照20元/m2的供暖費計算，每年能夠提供收入39.8135萬元。

從河北雄縣胡臺換熱站連續49小時的測試運行數據和圖4看，分離地熱水的伴生氣并燃燒加熱地熱水能使地熱水的溫度升高，在設備運行穩定后，平均溫度升高1.59℃，按照240m3/h的地熱水流量，能夠提供熱能443.72kW，按40W/m2的熱負荷計算，能增加供暖能力11，093m2，供暖費按照20元/m2計算，每年能增加收入22.1860萬元。endprint

因此在伴生氣含量允許的情況下可以考慮分離并燃燒伴生氣以加熱地熱水，這樣不但能提高供暖效果，同時還能提高地熱供暖的經濟效益。

2.4 對流換熱系數對熱能的影響

對流換熱系數是指當流體與固體表面之間的溫度差為1K時， 1m2的壁面面積在每秒所能傳遞的熱量，其大小反映對流換熱的強弱。

在不同的情況下，對流換熱系數會發生成倍直至成千倍的變化，影響對流換熱系數的因數主要有：①對流運動成因和流動狀態。②流體的物理性質（隨種類、溫度和壓力而變化）。③傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置。④流體有無相變（如氣態與液態之間的轉化）。水強制對流的對流換熱系數范圍在1000～15000，氣體強制對流的對流換熱系數范圍在20～100。

含伴生氣的地熱水流態和物理性質在分離前后有很大的變化：分離前是氣液混合的兩相流，分離出伴生氣之后，地熱水幾乎變成了液態的單向流。

按上述分析可知，地熱流體中含伴生氣越多，在分離伴生氣之后，地熱水對流換熱系數就升高的越大，即分離后的地熱水在換熱器內的換熱效果要好于分離前的換熱效果。

在商河的簡易分離器分離伴生氣之后，板式換熱器的換熱效率平均提升了13.1%。

通過上面的分析可知，不管是只分離還是分離加燃燒，治理伴生氣之后，整個系統的換熱效果是提高了的。因此，通過治理伴生氣之后，不但解決了伴生氣的安全風險，同時還提高了地熱水的熱能利用效率。

3 結論

①經測試運行分析，河北容城領秀城換熱站安裝伴生氣分離燃燒設備后，分別能夠提供熱能796.27kW和443.72kW，每年分別能增加收入39.8135萬元和22.1860萬元。提高地熱水的熱能利用效率效果明顯。②在商河的簡易分離器分離伴生氣之后，板式換熱器的換熱效率平均提升了13.1%。③筆者認為：通過分離伴生氣，應用分離的伴生氣進行燃燒加熱地熱水，整個系統換熱效果明顯提升，提高了地熱水的熱能利用效率，還消減了伴生氣帶來的安全風險，既很好經濟效益又有不錯的社會效益。隨著本項目研究的不斷深入，將有很好的推廣應用前景。

參考文獻：

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