基于工程經濟分析的中低溫地熱綜合利用模式研究

林云濤

中石油國際投資有限公司伊拉克公司，北京 100034

地熱資源是指熱能蘊藏于地殼中的可再生能源，其中，水熱型地熱能資源是利用最廣泛的地熱資源類型之一。這些資源分布在地球表面以下的深層地殼中，尤其在火山活動頻繁的地區，如冰島、新西蘭和美國等地區，其分布更為豐富。通過深井及超深井鉆探，可以獲取地層深處的地熱水及蒸汽，用于發電、供暖、制冷和農業等多個領域。與依賴天氣條件的風能和太陽能等其他可再生能源相比，水熱地熱資源具有穩定、可靠、可持續等優勢。此外，使用水熱地熱資源還有助于減少化石燃料的使用，降低溫室氣體的排放，從而改善氣候變化和環境污染等問題。

中國的水熱型地熱資源總量為13.7 × 108t 標準煤，約為50.4×1012GJ，其中低溫資源（20～150 ℃）占比98%，分布在西南、華中、華北和東北等地區[1]，呈現出資源分散且品位普遍較低的特征。黃思浩[2]等人基于多目標優化方法，構建了儲熱式地熱供暖系統模型，以綜合成本、地熱能利用率與碳排放量為優化目標，對系統設備選型及運行策略開展了協同優化設計。李華山[3]等人以河北省雄縣的霧迷山組碳酸鹽巖熱儲為例，分析了井距、井深、回灌溫度和地熱水流量對地熱梯級供暖系統平準化供熱成本與污染物減排量的影響，使用經驗數據和數學模型分析了系統的成本和效益，并討論了影響系統經濟性的因素。LAKE A[4]等人研究了不同條件下的地熱供冷和供暖一體化系統的實施，討論了不同運行模式下的設計考慮、環境影響、經濟可行性、性能分析和能源政策的作用。AKBARI M[5]等建立了以地熱水為熱源的新型聯產系統模型，針對Kalina循環和有機朗肯循環對地熱能的利用進行了對比，表明同單一發電系統相比，聯產系統具有更好的經濟效益及熱效率。

綜合目前中低溫地熱綜合利用經濟性研究現狀可以發現，大部分研究均針對于單一地熱利用模式的經濟性優化縱向研究，多種情景條件下的地熱能綜合利用模式的橫向分析往往為高溫地熱資源分析，對于中低溫地熱資源的綜合利用模式分析則相對較少，且往往局限于單一熱儲層條件，缺乏對多情景模式的具體分析。研究分析多情景模式下的中低溫地熱資源的綜合利用經濟性，有助于推廣地熱能應用場景，發展綠色能源市場。

1 單一供熱模式分析

1.1 某熱儲一單一供熱模式

1.1.1 工藝流程

以某產水量120 m3/h、井口溫度88 ℃的熱儲一為例，進行流程簡述和系統參數計算。地熱水首先通過旋流除砂器進行除砂，經處理后，地熱水進入一級換熱系統，通過一級板式換熱器與二次網循環水換熱，為下游用戶提供45 ℃的供水，二次網回水以35 ℃繼續進入一級板式換熱器與地熱水換熱。

當一級板式換熱器所供熱量無法滿足下游用戶需求時，考慮利用熱泵繼續汲取采出水中的熱量，將采出水由37 ℃進一步利用至26.5 ℃，最后通過排氣罐排氣后輸送至回灌井回注地下。流程簡圖見圖1。

圖1 某熱儲一單一供熱流程

1.1.2 工藝計算

地熱水系統供熱負荷可按下列公式計算。

1）換熱器供熱系統負荷[6]。

式中：Q1為換熱器供熱系統負荷，kW；G 為地熱水流量，t/h；c 為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；t1為地熱水進換熱器溫度，℃；t2為地熱水出換熱器溫度，℃。

2）熱泵供熱系統負荷[6]。

式中：Q2為熱泵供熱系統負荷，kW；t3為地熱水進熱泵供熱系統溫度，℃；t4為地熱水出熱泵供熱系統溫度，℃；COP為熱泵制熱性能系數。

經計算，此種模式下，按照熱泵負荷占比20.5%，地熱水最大可供熱負荷8 600 kW，供熱指標按35 W/m2進行計算，則可供熱面積24.5 ×104m2，工藝參數如表1所示。

表1 煤熱儲一單一供熱工藝參數

1.2 某熱儲二單一供熱模式

1.2.1 工藝流程

以產水量120 m3/h，井口溫度120 ℃的某熱儲二為例，進行流程簡述和系統參數計算。地熱水首先通過旋流除砂器進行除砂，經處理后地熱水進入一級換熱系統，通過一級板式換熱器與二次網循環水換熱，為下游用戶提供45 ℃的供水，二次網回水以35 ℃繼續進入一級板式換熱器與地熱水換熱。

當一級板式換熱器所供熱量無法滿足下游用戶需求時，考慮利用熱泵繼續汲取采出水中的熱量，將采出水由37 ℃進一步利用至20 ℃，最后通過排氣罐排氣后輸送至回灌井回注地下。流程如圖2所示。

圖2 某熱儲二單一供熱流程

1.2.2 工藝計算

按照上述地熱水系統供熱負荷計算公式，此種模式下，按照熱泵負荷占比20.4%，地熱水最大可供熱負荷14 300 kW，供熱指標按35 W/m2進行計算，則可供熱面積40.8 × 104m2，工藝參數如表2所示。

表2 某熱儲二單一供熱工藝參數

1.3 主要設備選型

單一供熱模式下，主要設備包括：旋流除砂器、水氣分離器、板式換熱器、循環水泵、補水泵和軟化水裝置等。

1）旋流除砂器。旋流除砂器的除砂粒徑為0.1 mm，其處理能力根據地熱水流量確定，某熱儲一單一供熱模式和某熱儲二單一供熱模式下各設旋流除砂器1 臺，不設備用。旋流除砂器的總處理能力按設計地熱水流量的1.1倍計算。

2）水氣分離器。水氣分離器的處理能力根據地熱水流量確定，某熱儲一單一供熱模式和某熱儲二單一供熱模式下在地熱水換熱前后各設置1 臺，不設備用。水氣分離器的總處理能力按設計地熱水進出站流量的1.1倍計算。

3）板式換熱器。為了提高板式換熱器耐結垢和耐腐蝕能力，選用寬流道鈦板換熱器，板片材料為TA1。板式換熱器選型計算參數如表3所示。

表3 板式換熱器選型計算參數（單一供熱）

4）熱泵機組。熱泵在大溫差供熱系統中承擔的熱負荷按下式計算[7]，熱泵選型計算結果如表4所示。

表4 熱泵選型計算

式中：Qhp為熱泵承擔熱負荷，kW；Q 為總熱負荷，kW；t1為地熱水/一次網供水溫度，℃；t2軟化水進熱泵溫度，℃；t3為軟化水出熱泵溫度，℃；COP為熱泵制熱性能系數，取5.0。

熱泵機組選用電驅螺桿機，負荷調節范圍25%～100%，COP不低于5.0。

5）二次網循環水泵。二次網循環泵流量按下式計算。

式中：G1為循環水泵總流量，t/h；Q1為供熱站換熱器設計熱負荷，kW；c為水的比熱容，kJ/（kg ℃），取4.18；△t1為換熱器進出水溫差，℃；ξ為富余系數，取1.1～1.2。

二次網循環泵揚程按下式計算。

式中：H 為循環水泵揚程，m；H1為供熱站內部阻力損失，m；H2為二次網最不利環路阻力損失，m。

按照上述計算方法，本項目二次網循環泵計算參數如表5所示。

表5 二次網循環泵計算參數（單一供熱）

6）補水泵和軟化水裝置。供熱系統運行中存在循環水的漏失，需要向系統補軟化水定壓，以保障系統正常供熱需求。

某熱儲一單一供熱和某熱儲二單一供熱模式下，供熱站各設全自動軟化水裝置1 套，補水泵2臺。補水泵變頻運行，自動控制，防止系統倒空，保障系統安全穩定運行。

全自動軟化水裝置和補水泵的補水能力按照循環水量的1%～2%選取。軟化水裝置出水硬度≤0.6 mmol/L。

補水泵的揚程按下式計算。

式中：Hb為系統最高點與補水點高差，m；Ht為泵的吸水管路的阻力，m；Hy為泵的出水管路的阻力，m；h 為補給水箱最低水位高出系統補水點所產生的靜壓，m。

按照上述計算方法，一次網補水泵參數如表6所示。

表6 補水泵參數

1.4 收入和成本分析

1.4.1 收入

收入分為兩部分：一是配套費，按照50 元/m2進行計算，二是采暖費，按照21 元/m2進行計算。某熱儲一、某熱儲二單一供熱的收入如表7所示。

表7 收入明細

1.4.2 成本

1）地熱水消耗。地熱水開采量根據供熱量確定，供熱量采用溫頻法計算，即按照圍護結構負荷與室內外溫差呈線性關系，計算出不同溫度下的負荷并乘以該溫度段出現的小時數，得出該溫度下的熱耗量，采暖季按2 880h 統計供熱量。水資源稅按照0.2元/t計算。結果如表8所示。

表8 地熱水開采量計算

2）電耗。單一供熱模式耗電量主要由三部分組成，即地熱井采水耗電量、輔機耗電量和熱泵耗電量。電價按照峰谷段用電量各占50%計算，取平均電價為0.56元/度。耗電量計算見表9。

表9 耗電量計算

3）補水消耗。補水消耗按照單位面積月耗水指標：0.003 m3/月，每年供熱4 個月，水費3.5 元/t進行計算，見表10。

表10 耗水量計算

2 供熱供冷模式分析

2.1 某熱儲一供熱供冷模式

2.1.1 工藝流程

冬季供熱工藝系統同本文1.1.1 節所述。夏季供冷工藝系統為地熱水首先通過旋流除砂器進行除砂，經處理后，88 ℃地熱水為吸收式熱泵機組的發生器提供高溫驅動熱水，產生的冷量滿足用戶夏季供冷需求，同時設置離心式熱泵機組作為備用冷源，用戶冷水設計溫度7/12 ℃。某熱儲一供熱供冷流程見圖3。

圖3 某熱儲一供熱供冷流程

2.1.2 工藝計算

地熱水系統供冷負荷可按下列公式計算。

式中：Qc為制冷量，kW；Qg為吸熱量，kW；COP為吸收式熱泵制冷系數，℃；Tg為驅動熱源溫度，℃；Ta為高溫環境溫度，℃，取34.4；Tc為低溫熱源，℃；η為循環效率，取0.8。

經計算，在供熱時，按照熱泵負荷占比20.5%，地熱水最大可供熱負荷8 600 kW，供熱指標按35 W/m2進行計算，則可供熱面積24.5 ×104m2。

在供冷時，地熱水溫度從88 ℃利用至60 ℃，此時吸收式熱泵的吸熱量為3 910 kW，制冷量為2 238 kW，供冷指標按95 W/m2進行計算，則可供冷面積2.36 × 104m2，冬季供熱的工藝參數如表1所示，夏季供冷的工藝參數如表11所示。

表11 某熱儲一夏季供冷工藝參數

2.2 某熱儲二供熱供冷模式

2.2.1 工藝流程

冬季供熱工藝系統同本文1.2.1 節所述。夏季供冷工藝系統為地熱水首先通過旋流除砂器進行除砂，經處理后，120 ℃地熱水為吸收式熱泵機組的發生器提供高溫驅動熱水，產生的冷量滿足用戶夏季供冷需求，同時設置離心式熱泵機組作為備用冷源，用戶冷水設計溫度7/12 ℃。某熱儲二供熱供冷流程見圖4。

圖4 某熱儲二供熱供冷流程

2.2.2 工藝計算

按照本文1.1.2 節地熱水系統供熱供冷負荷計算公式，某熱儲二供熱供冷模式，在冬季供熱時，按照熱泵負荷占比20.4%，地熱水最大可供熱負荷14 300 kW，供熱指標按35 W/m2進行計算，則可供熱面積40.8 × 104m2；在供冷時，地熱水從120 ℃利用至77.5 ℃，此時吸收式熱泵的吸熱量為6 168 kW，制冷量為4 794 kW，供冷指標按95 W/m2進行計算，則可供冷面積5.05×104m2，冬季供熱的工藝參數見表2，夏季供冷的工藝參數見表12所示。

表12 某熱儲二夏季供冷工藝參數

2.3 主要設備選型

供冷供熱模式下，某熱儲一和某熱儲二地熱井供熱所需設備同1.3 節所述，供冷模式下還需增加溴化鋰吸收式熱泵。

某熱儲一供冷，設一臺吸收式溴化鋰熱泵機組，夏季利用88 ℃低溫地熱水作為驅動熱源，最大限度地承擔夏季冷負荷，設置制冷量為2 238 kW 的吸收式熱泵機組，供冷設計溫度為7/12 ℃。

某熱儲二供冷，設一臺吸收式溴化鋰熱泵機組，夏季利用120 ℃中溫地熱水作為驅動熱源，最大限度地承擔夏季冷負荷，設置制冷量為4 794 kW的吸收式熱泵機組，供冷設計溫度為7/12 ℃。

2.4 收入和成本分析

2.4.1 收入

收入分為兩部分：一是配套費，二是采暖費和供冷費。

供熱模式下第一年配套費按照50 元/m2，采暖費按照21 元/m2進行計算；供冷模式下第一年配套費按照50 元/m2，供冷費按照30 元/m2進行計算。某熱儲一供冷供熱和某熱儲二供冷供熱的收入如表13所示。

表13 收入明細

2.4.2 成本

1）地熱水消耗。采暖季和供冷季均按2 880 h統計，水資源稅按照0.2 元/t 計算。地熱水消耗如表14所示。

表14 地熱水開采量計算

2）電耗。供熱供冷模式耗電量主要由三部分組成，即地熱井采水耗電量、輔機耗電量和熱泵耗電量。電價按照峰谷段用電量各占50%計算，取平均電價為0.56 元/度，則耗電量計算結果見表15。

表15 耗電量計算

3）補水消耗。補水消耗按照單位面積月耗水指標0.003 m3/月、每年供熱供冷合計8 個月、水費3.5 元/t 進行計算，數據為本研究統計的中低溫地熱利用項目的綜合平均值，見表16。

表16 耗水量計算

3 經濟對比

3.1 投資對比

分別以開發利用某熱儲一地熱井1 采1 灌，某熱儲二地熱井1 采1 灌為例，對不同利用模式下的投資進行了估算，見表17。

表17 不同利用模式下投資對比

3.2 收益對比

按照本文1.4節、2.4節確定的不同利用模式下的收入和成本情況，分別以開發利用某熱儲一地熱井1 采1 灌、某熱儲二地熱井1 采1 灌為例，按假設入住率85%，對不同利用模式下的收益情況進行了測算，結果如表18所示。

表18 不同利用模式下財務內部收益率對比

4 結論

針對熱儲一地熱資源與某熱儲二地熱資源兩種不同的中低溫地熱資源情況，結合單一供熱與供熱供冷兩種應用模式，參考實際工程數據及經驗，分別計算了不同情景下的投資成本以及財務內部收益率，得出如下結論。

1）中低溫地熱資源的綜合利用應結合市場需求以及資源情況，采用合適的地熱綜合利用模式，可以充分提高中低溫地熱資源利用效率，提升經濟效益與社會效益。

2）在單一供熱與供熱供冷兩種模式中，供熱供冷模式經濟性最佳，且對于某熱儲二地熱資源（120 ℃）而言，在1 采1 灌的地熱井配比下，稅后財務內部收益率可達14.13%。實際工程應用中，應結合下游市場進行判定，當具備開展供熱供冷條件時，宜優先采用供熱供冷模式。