地热采暖三大问题的解决方法.doc

地热采暖三大问题的解决方法地热采暖三大问题的解决方法摘要： 我国有较丰富的90以下的低温地热资源，有稳定的采暖市场需求。使用地热采暖能做到无污染、可持续，还有综合利用发展地方经济的可能；同时低温地热是低焓热能，用于采暖是用得其所。抓住机会发展地热供热对我国许多城镇地区提高人民生活质量有重大作用。用地热供热有三大问题必须解决，一是资源能实现可持续利用，不破坏环境。二是要采用能抗腐蚀的地热间接采暖系统。三是所需要的资金能筹措经营能获利，才能与常规采暖竞争。 关键词： 地热资源 地热腐蚀 地热井 地热经济我国松辽、华北、苏北和汾渭盆地等众多城镇地区有较丰富的90以下的低温地热资源，有稳定的采暖市场需求。使用地热采暖能做到无污染、可持续，还有综合利用发展地方经济的可能；同时低温地热是低焓热能，用于采暖是用得其所。抓住机会发展地热供热对我国许多城镇地区提高人民生活质量有重大作用。用地热供热有三大问题必须解决，一是资源能实现可持续利用，不破坏环境。二是要采用能抗腐蚀的地热间接采暖系统。三是所需要的资金能筹措经营能获利，才能与常规采暖竞争。1 地热资源可持续利用条件1.1 地热资源的可再生性近年我国地热采暖增长的速率和增长的绝对值在世界各国中是最快的，主要是经营利润推动的，如果管理控制不当，将对已开发地区资源可再生和环境造成近期难以恢复的恶果。在北京、天津、西安和大庆林甸地区都已出现地热供热能否实现可持续问题，有的甚至相当严重。天津地区10多年前开采基岩雾迷山地层热水井大多有自喷能力，目前静水位已降至地表面以下60米左右，并每年大致平均下降6米左右在继续。西安和大庆林甸都发生了有的地热井地热水接近衰竭导致地下和地面工程几近报废的情况。人们怀疑地热是否属于可再生能源？专家们是有过争议的，2000年在日本召开的世界地热大会上，大多数专家认为地热能仍然可看成为可再生能源。地热的可再生是基于地球内部有巨大的热量，但在人类活动地区并可被利用的仅只是很小的一部分。世界各地许多天然温泉多少世纪以来没有衰减，说明了它的可再生性。这种状况显然是地表排放与地下深处热补充之间有平衡关系存在。只要利用的地热量不超过天然可补充的，就能完全看成是可再生的，它的再生补充能力是由地壳构造所控制，不同的地点和开采方式其差异性是非常大的。从地热井的热储层开采流体和热量，导致热储层的流量和热量都会逐步减少，开采停止后受天然作用驱动，开始压力、温度梯度的再生过程，压力恢复最快，跟着是温度重新上升，恢复能力随着时间延长而减小，理论上要无限长时间才能全部恢复再生，再生显示是渐近线特性，再生力初始很强而后放慢。然而实际补充再生恢复到95所需时间要短的多。地热资源不需像矿物燃料如煤、油、天燃气所需的地质年代才能生成，因此地热的再生从总体所需时间看可以被认为是可再生的。可再生与可持续发展有关系但又是两个不同的概念，可再生是说明资源的一个性质，而可持续是说明资源利用方式。可持续发展必须有可再生作为基础，可持续开采仅只能在可再生能源中获得，没有再生能力是不可能持续发展的。这可以用开发海洋渔业作比方，海洋的渔业资源是有再生能力的，但长期捕捞过量超过再生能力，渔业资源将被破坏而衰竭，没有了持续发展，要永续利用就不能超出再生能力，地热能的再生与它有相似之处。按资源补充状态分类有对流型和导热型的，地热井热源如有来自地下较深处对流热水补充的，可再生能力强；而我国北方各大盆地是沉积盆地热水，仅靠导热补充热的能力差也可看成“有限制的可再生能源”。1.2 低温地热供热的可持续发展只要开采的地热量不超过天然补充的就是可持续的，它的再生补充能力是由地壳构造所控制，由于资源状态差异性大，再加利用方式有很大区别，所以要做到可持续开发是一个非常复杂的问题。地热开采在地下热储层形成了水力和热力漏斗导致重新建立压力和温度梯度状态，热温差加大会引起相应热储层导热再生能力增强出现“增量”，而后达到一个新的稳定状态，经过一定时间后产生一个相对稳定的水温，产量进一步持续下去，只要科学适度的利用好这“增量” 就能是可持续的。当占有资料、技术能力和经验条件不太充分时，应当只能从小规模少量起步，拟订相应水位的开采限量指标，不能超采。1.3 利用对井回灌技术增加地热开发强度。完全依靠自然补给常常不能满足使用和经营的要求，要增加产量又要保持可持续性，可以和应当利用对井回灌技术合理地增加地热开发强度，国内外的实践经验表明利用对井回灌技术合理地增加地热开发强度是可行的。抽取深层地热水通过换热器把热送到区域供热管网，被冷却的地热水通过在地下有足够距离的另一口井回灌到地下。由于地热循环热流体逐渐不断被回灌的冷水置换，导致热量下降，回灌井范围向生产井扩展。一直到回灌水温度波影响到生产井使生产井水温开始下降形成热突破时，这段时间间隔取决于生产井的开采量、井间距和热储层的物理、几何特性。回灌除了可获得较多的热量以外，还有几个重要的好处，据水文地质专家测算，我国塘沽沉积盆地可采热水资源量平均为积存资源量的1.1，即只能取出地下热储层中1左右的热量，采取回灌后就可能多得到几倍到20倍的热量。多处试验和实际工程观测证明，回灌将使热储层压力有较快的回升，能减小由开采地热可能引起的地面沉降。有了回灌避免了地热水用后地面排放，由于地热水较高的矿化度和高于环境的排放温度将造成的对环境的污染。天津为了缓解基岩地热水过快的下降趋势，截至2002年采用同层回灌、异层回灌和两抽一回灌三种方式已建成对井11组，取得了一定的经验。为了确定回灌井位置，要在生产井打成后进行非稳定流抽水实验，利用压降曲线的形状来判定边界条件，再结合地质构造分析选定回灌井位，避免在将来回灌时在生产井和回灌井之间出现管道流。为了防止地下水被污染、防止较快的被结垢堵塞，对不同的热储层回灌水质都有不同的的要求。经验表明通常孔隙热水储层回灌问题较多；基岩裂隙岩溶型热储层当地压下降后自流回灌大多是可行的。上一世纪70年代的世界石油危机促使在法国巴黎地区提出采用深层地热水供热方案，由于深层地热水含盐量高达每升30克，地热用后热后无法排放，想到了回灌。到2001年巴黎地区有33对地热井在运行，井深范围从1165米到1980米，井口平均水温大约是70度，采暖利用后水温大约在3540。据地热研究部门用热储模型计算分析推测，生产井和回灌井间距1000m，回灌冷水温度波传播影响生产井水温30年下降1度。我国目前多数是只开采无回灌，南方不采暖地区目的就是为了取热水，用后大多无冷水可回灌；北方地热采暖后用不了的地热水，因为没有回灌井谈不上回灌。这些地区只能依靠严格限量开采才能可持续。否则除了资源天然补给能力远大于抽取的水量和热量的罕见情况外，地热储水层的压力只会出现迅速下降，我国有的地方地热井出现过平均年水位下降10m左右甚至更多的状况，长期利用难以为继是掠夺破坏性开采。2. 防腐问题地热对金属腐蚀是普遍存在的而且往往很严重。地热水中最常出现起主要作用的腐蚀成分是氯(cl)和溶解氧(O2)。氯离子半径小，穿透能力强，因此容易穿过金属表面已有的保护层造成对碳钢、不锈钢及其他合金强烈的缝隙腐蚀、孔蚀与应力腐蚀等。氯离子对金属的腐蚀作用还与温度有关，60的地热水氯离子含量仅只200mg/l时，也会使不锈钢产生局部腐蚀，温度越高腐蚀作用越强。在地下深层地热水自然状态下通常不含氧，流出地面后空气中的氧会溶入地热水，溶解氧也是地热水中最常见最重要的腐蚀性物质。为了防腐应当采用带有换热器的间接采暖系统，从下面的地热间接供暖系统示意图可见，地热腐蚀将局限在井口和换热器部分。如果不用换热器将出现：1. 系统被腐蚀，2. 采暖系统是开口的要不停的向外排水，系统的某些立管容易出现排空缺水造成采暖中断，系统水力稳定性不好，3. 地热水流经暖气后被污染水质变差影响后续利用也不宜再回灌，4. 地热水流量、温度常常不符合采暖系统水量与温降的要求。地热采暖系统示意图1. 生产井 2. 潜水电泵 3. 钛板换热器 4. 调峰锅炉5.终端散热设备 6. 采暖循环泵 7. 地面排放 8. 回灌井不用换热器的好处是1. 没有传热温差损失，2. 节省了换热器的投资。地热直接采暖是将地热水直接送入采暖用户终端散热器，初看有系统初投资少，地热水热量利用较充分等优点；但腐蚀严重增加了系统的维修工作，甚至设备、管道被破坏。有些地热直接采暖用户，由于地热水的腐蚀，系统使用不到两三年即被破坏，而不得不重新更换，造成较大的经济损失。我们几次遇到原直接采暖系统由于腐蚀、系统水力平衡调节困难，用了一两年后不得不加装换热器重新改装为间接采暖，改建设计困难投资损失也很大。有的人想依靠隔绝氧的溶入就可避免氯离子的腐蚀，因为氯离子的强烈腐蚀作用只是当地热水存在溶解氧时才表现出来，然而实际的情况是只要有微量溶解氧的存在都要引起腐蚀，要求一个实用的采暖系统全面与氧隔绝几乎是做不到的。有的人也用过加药措施，往地热水中加亚硫酸钠（Na2SO3）除氧；另一种是加磷酸盐类药物在整个系统内表面做成保护膜，运行时要计量加药量和对金属做腐蚀监测。地热直接采暖是非循环用水长期排放加药后的地热水对环境要产生累积影响。依靠加药的方法要有加药设备初投资和加药运行费的投入，大多由于运行困难或经济不合理而告终。换热器的选择和价格。选型：由于地热水温不高与常规热力站用换热器相比温差常要小许多，板式换热器传热系数比管壳式大，另外便于打开观察腐蚀情况、清洗结垢，通常只能用板式换热器。选材：可参照生产厂家提供的资料决定用不锈钢的或钛板的，用不锈钢的价格大约是钛材的1/2，但深井地热水能用不锈钢抗腐蚀的，在我们过去完成的大约百项地热采暖工程中只能占到5%，因此绝大多数只能选用钛板的换热器。价格：钛板换热器的初投资分摊到住宅采暖每平方米上为28元，地热水温越高分摊的费用越低。传热温差损失大约在5%15% 地热水温越高百分比损失越少。通过换热器用间接采暖尽管增加了换热器投资和传热温差损失，但为了防止系统过快被腐蚀，国内外经验告诉我们用间接采暖几乎是唯一正常合理的方法，否则很可能是得不偿失。3. 开发效益和可持续发展3.1 地热采暖的成本下面列出只有生产井没有回灌井和另一种有回灌井的投资和经营成本状况。初投资地热井初投资：地热生产井和回灌井按平均井深2000米和3500米两种、每米1300元计。地热站：包括潜水电泵、井口变频器、钛板换热器和循环泵及土建等费用。采暖建筑面积：按生产井出水量每小时100立方米 、地热井口水温T170、放热后排放水温T245利用温降25、供暖系统循环水温T362, T442。采暖度日值大约2000度日左右地区，住宅采暖设计负荷每平方米40W，每口井供采暖面积72,000平方米。生产成本：包括地热水资源费水费电费工资及福利费折旧费修理费其他生产费用。资源费地热水每立方米1元、水费每立方米1元、电费每kWh 0.5元、折旧费按固定资产初投资的95除20年计算、维修费按固定资产的1.5计算。管理费用：包括排污费、工会和职工教育费、营销费和税金等。排污费按每立方米0.3元，工会和职工教育费按工资3.5%,其他管理费按销售额的4，税金按销售额的5。总生产成本费用C生产成本管理费用财务费用营业费用。经营总费用C：实际热价中除成本费用外，还应当包括营销费用和各种税金，现统一计入管理费用，总和后构成年经营总费用C。式中：I全部投资，C年经营总成本，Sv计算期末固定资产余值，W计算期末回收的流动资金，(P/F,i,t)折现系数，n计算期，i 利率，（A/P,i,n）资本回收系数。实际在地热工程项目中，计算期末固定资产余值Sv和计算期末回收的流动资金W，占的份额甚小，如果忽略（SvW）则ACI（A/P,i,n）C。AC是按计算期内考虑复利后平均每年应偿还的金额，即年费用AC初投资资本回收因数年总生产成本。这里i=5% ,n=20年，(A/P,i,n)0.080243；另一种按n=10年，(A/P,i,n)0.129505。每平方米年费用年费用/供暖面积。井深2000米井深3500米只有生产井有生产、回灌井只有生产井有生产、回灌井生产井 元2,600,0002,600,0004,550,0004,550,000地热站 元750,000800,000750,000800,000回灌井 元2,600,0004,550,000初投资总和 I 元3,350,0006,000,0005,300,0009,000,000生 产 经 营 成 本 元资源费214,560214,560214,560214,560水电费188,810238,810188,810238,810工资福利费68,40068,40068,40068,400折旧费159,125285,000251,750427,500维修及其他生产费60,492102,74760,492102,747排污费64,36864,368管理、财务及营业费46,76046,76046,76046,760税金44,66044,66044,66044,660生产和管理费总和 C847,1751,000,937939,8001,143,437采暖面积 A m272,00072,00072,00072,000无初投资偿还每平方米采暖年费用ac20=C/A847,175/72,000=11.7713.90i=5% ,20年偿还初投资(A/P,i,n)200.0802430.0802430.0802430.080243I(A/P,i,n)20268,814481,458425,288722,188年费用C=I(A/P,i,n)+C1,115,9891,482,3951,365,0881,865,625每平方米年费用 ac2015.5020.5918.9625.91i=5% ,10年偿还初投资(A/P,i,n)100.1295050.1295050.1295050.129505I(A/P,i,n)10433,842777,030686,3761,165,545年费用C=I(A/P,i,n)+C1,281,0171,777,9671,626,1762,308,982每平方米年费用 ac1017.7924.6922.5932.073.2 经济效益对可持续利用的影响采用2000米深的对井系统20年偿还初投资，每平方米采暖年费用为20.59元/m2难与燃煤采暖竞争，但还是可以与燃气、热泵采暖竞争的，因此有条件的地区要求规划和储备有回灌井投资是合理可行的。如要求10年偿还初投资，每平方米采暖年费用为24.69元/m2要与常规能源采暖竞争将会困难些。把回灌井的初投资分摊到每平方米建筑因为数额不高是能做到的。对井的井深增加到3500米要求10年到20偿还初投资，相应每平方米采暖年费用为32.07到25.91元/m2，与常规能源采暖竞争会更困难。即使不设回灌井它的相应每平方米采暖年费用也要达到22.59到18.96元/m2。一口2000米的生产井不设回灌井、没有初投资偿还时每平方米每年采暖费用为11.77元，因为没有回灌还能卖热水，供应热水通常是全年负荷。粗略估算每平方米每年采暖售价如为16元，假设热水能售出1/4热水价每立方米为4元，则这一口井大约年可获利110万元，这显然是暴利，如果再没有成本中正常的折旧费提取那将是高暴利，这也就是各地出现不顾破坏环境冒资源衰竭的危险竟相开发地热的原因。按理除了公益事业国家有投资补贴以外，市场运做没有初投资偿还的项目是不可能的。投资那里来的呢？因为它已被消化在住宅的售楼价中，有的再加用温泉花园住宅商业抄作利润更高；而地热售热和售热水的价格是以常规能源价格做为背景价格，