獻(xiàn)縣中低溫地?zé)豳Y源優(yōu)化利用方案探討

齊俊啟

（河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056000）

華北地區(qū)中深層地?zé)崮苤饕灾?低溫地?zé)崽锏男问劫x存。以獻(xiàn)縣為例，中深層地?zé)豳Y源具有面積廣、儲(chǔ)量大、開(kāi)采條件較好、溫度高、水質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn)，但由于缺乏集約化的管理模式和先進(jìn)的取能工藝，地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用尚處在自發(fā)、分散和粗放的低級(jí)利用階段，中-低溫地?zé)豳Y源浪費(fèi)嚴(yán)重。

1 地?zé)岬刭|(zhì)背景

根據(jù)以往地?zé)岬刭|(zhì)成果，獻(xiàn)縣發(fā)育熱儲(chǔ)為新近系孔隙熱儲(chǔ)（明化鎮(zhèn)組和館陶組）和基巖巖溶裂隙熱儲(chǔ)（中元古界長(zhǎng)城系白云巖、中元古界薊縣系白云巖、古生界寒武-奧陶系灰?guī)r），目前縣域內(nèi)主要利用熱儲(chǔ)為明化鎮(zhèn)組孔隙型熱儲(chǔ)與薊縣系巖溶裂隙熱儲(chǔ)[1-4]。

2 利用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

獻(xiàn)縣共有地?zé)峋?7眼，地?zé)崃黧w年總開(kāi)采量為1 098.11×104m3，占地?zé)崃黧w可開(kāi)采總量的14.74%。地?zé)峋l(fā)利用方式以供暖為主，占比約為97%，其余利用方式為洗浴、發(fā)電及農(nóng)業(yè)，分占1.5%、1.1%、0.17%。供暖用地?zé)崃黧w開(kāi)采溫度為82～103℃，是良好的中-低溫地?zé)豳Y源。然而，因?yàn)槿狈s化的管理模式和中-低溫地?zé)豳Y源梯級(jí)利用工藝，地?zé)崃黧w僅進(jìn)行一次換熱供暖，不加循環(huán)就直接回灌或排放，回灌溫度介于38～57℃。高溫回灌不僅造成了地?zé)豳Y源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還增加了回灌的難度和費(fèi)用，難以回灌的高礦化度地?zé)嵛菜耐馀鸥钱a(chǎn)生了地下水的熱污染和化學(xué)污染。

3 優(yōu)化原則

對(duì)地?zé)崴到y(tǒng)的優(yōu)化，應(yīng)遵循減少地?zé)崴_(kāi)采量和擴(kuò)大地?zé)崮芸衫脺夭畹脑瓌t。所以，人們應(yīng)控制地?zé)峋_(kāi)采總量，控制地?zé)嵛菜毓鄿囟龋刂普{(diào)整換熱器低溫側(cè)出口溫度。

4 系統(tǒng)優(yōu)化方案

以獻(xiàn)縣凱榮小區(qū)地?zé)峋疄槔淅脽醿?chǔ)為薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)，供暖面積為13.5×104m2。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該供熱系統(tǒng)采水井出水溫度為92℃，回灌溫度為46℃，年開(kāi)采量為44.85×104m3，年回灌量為29.36×104m3，總體回灌率為65.48%。

經(jīng)過(guò)調(diào)研和分析，該地?zé)峁┡到y(tǒng)存在下問(wèn)題：地?zé)嵛菜欧艤囟冗^(guò)高，仍有較大的可利用溫度區(qū)間；地?zé)嵛菜唇?jīng)處理直接排放，易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)；該地?zé)峁┡到y(tǒng)換熱器老舊，換熱效率低下。

針對(duì)以上情況，筆者提出以下供熱系統(tǒng)優(yōu)化方案。

4.1 增強(qiáng)取熱能力

目前，該供熱系統(tǒng)使用的換熱器為換熱效率低下的波節(jié)管式換熱器，詳情如圖1所示。

圖1 區(qū)地?zé)峋畵Q熱站內(nèi)管式換熱器

可使用板式換熱器替代，相比管式換熱器，其優(yōu)點(diǎn)在于換熱效率高，可在較低雷諾數(shù)Re（—般在50～200即可）下產(chǎn)生奈流，傳熱系數(shù)可比管殼式換熱器高出3～5倍；熱損失小，板式換熱器只有換熱板的外殼直接接觸大氣，散熱損失的熱量可以忽略不計(jì)，詳情如圖2所示[5]。

圖2 板式換熱泵站

4.2 減少地?zé)崴_(kāi)采量

水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2000-2018年，該供熱系統(tǒng)采水井基巖靜水位年平均下降速率為4.97 m/a，詳情如圖3所示。

圖3 平均靜水位埋深和累計(jì)水位降深

該井熱儲(chǔ)水位處于超采范圍內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)降低該井開(kāi)采總量，以避免出現(xiàn)水位下降速率過(guò)快而導(dǎo)致地?zé)峁┡到y(tǒng)運(yùn)行后期“有熱無(wú)水”的問(wèn)題。其優(yōu)化方案可通過(guò)增大地?zé)崃黧w采灌溫差實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前回灌溫度為47℃，在換熱站中加增板式換熱器和熱泵機(jī)組。通過(guò)板式換熱器一次交換，地?zé)崃黧w溫度降至36℃；經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組提能至60℃后二次取能，尾水溫度降至20℃，熱泵梯級(jí)利用工藝詳情如圖4所示。

圖4 熱系統(tǒng)改造工藝流程

其間，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以參考以下熱負(fù)荷公式：

式中，F(xiàn)為供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷，m2，為13.5×104m2；En為地?zé)崃黧w產(chǎn)能，W；Qf為居室采暖熱指標(biāo)，W/m2，取值40 W/m2；Q為地?zé)崃黧w流量，m3/d；t1為地?zé)崃黧w采水溫度，℃，取值92℃；t2為地?zé)嵛菜毓嗨疁囟龋妫≈?5℃。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該供熱系統(tǒng)可在熱負(fù)荷不變的情況下壓縮采水量14.51×104m3/a，整體壓縮供熱系統(tǒng)對(duì)于地?zé)崃黧w的耗損，優(yōu)化年開(kāi)采量下降32.35%。

高溫地?zé)崃黧w溫度高，密度較小，因此進(jìn)入儲(chǔ)層后擴(kuò)散阻力大，回灌難度相對(duì)低溫地?zé)崃黧w較大。目前，凱榮小區(qū)回灌方式為加壓回灌，回灌壓力為0.93 MPa，且回灌率僅為65.48%，長(zhǎng)期加壓回灌將大幅縮減回灌管網(wǎng)和回灌設(shè)備的使用壽命，詳情如圖5所示。

在優(yōu)化縮減開(kāi)采井開(kāi)采總量的同時(shí)，人們可以利用熱泵機(jī)組對(duì)地?zé)崃黧w進(jìn)行梯級(jí)利用，降低地?zé)崃黧w回灌溫度（≤20℃），在回灌總量和回灌尾水溫度上減小回灌系統(tǒng)壓力，提升回灌率。

圖5 熱井加壓回灌系統(tǒng)

4.3 增加地?zé)嵛菜幚硐到y(tǒng)

在棄水端增加地?zé)嵛菜幚硐到y(tǒng)，其處理工藝為地?zé)崴菜冉?jīng)過(guò)曝氣裝置，將二價(jià)鐵離子氧化變?yōu)槿齼r(jià)鐵離子后進(jìn)入除鐵罐和除硫化氫凈化罐，除去水中過(guò)量的鐵、硫化氫及其他雜質(zhì)異色，降低色度和渾濁度，再進(jìn)入軟化水系統(tǒng)進(jìn)行軟化，經(jīng)過(guò)軟化后的地?zé)崴_(dá)標(biāo)后可排入城市排污管網(wǎng)。

5 結(jié)論

在減少地?zé)崴_(kāi)采量和擴(kuò)大地?zé)崮芸衫脺夭畹南到y(tǒng)改造原則上，本文探討了獻(xiàn)縣城區(qū)典型的中低溫地?zé)峁嵯到y(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方法。通過(guò)改進(jìn)換熱裝置，加增熱泵機(jī)組和尾水過(guò)濾裝置，對(duì)中低溫地?zé)峁嵯到y(tǒng)進(jìn)行改造，可有效改善供暖系統(tǒng)換熱效率低下、地?zé)嵛菜欧艤囟冗^(guò)高、地?zé)豳Y源浪費(fèi)、熱儲(chǔ)壓力下降過(guò)快等問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中低溫地?zé)豳Y源的梯級(jí)、循環(huán)、高效利用。