某鐵路車站地熱井供熱問題的解決方法

李曉東

朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司肅寧分公司

0 引言

朔黃鐵路肅寧北站位于河北省肅寧縣城，地處華北平原中部，我國松遼、華北、蘇北和汾渭盆地等眾多城鎮(zhèn)地區(qū)有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源，低溫地熱是低焓熱能，用于采暖是用得其所[1]，使用地熱采暖環(huán)保無污染。朔黃鐵路公司積極響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，籌劃并組織實施了肅寧北地區(qū)地熱井供熱系統(tǒng)工程，但投入使用幾年來暴露出以下三個問題：

1）地熱井水位不斷下降，地熱水抽取難度逐年加大，資源利用逐漸變得難以持續(xù)；

2）四眼地熱井各自組成三套獨立的采暖系統(tǒng)，單眼井供暖可靠性差；

3）地熱井尾水采用40℃排放，低焓熱能未能充分利用。

1 地熱井供熱系統(tǒng)的基本情況

1.1 地熱井地質(zhì)概況

肅寧北站地熱井共四眼，位置分別位于為機輛分公司院內(nèi)（編號：1#）、路暢達汽修廠（編號：2#）、物業(yè)生活區(qū)人工湖（編號：3#）、站修所院內(nèi)（編號：4#），委托天津甘泉地熱勘察設(shè)計院進行設(shè)計，河北省地礦局水文地質(zhì)第四工程隊負責施工，2006年11月投入使用。地熱井概況詳見表1。

表1 地熱井概況

水質(zhì)化驗結(jié)果：經(jīng)檢驗，所測項目中氟、偏硅酸和溫度的含量分別為2.5mg/L、74.5mg/L、87℃，已達到《天然礦泉水地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB13727-92）規(guī)定的命名條件（氟≥2.0mg/L、偏硅酸≥50.0mg/L、溫度≥34℃），可命名為氟、偏硅酸型溫泉水。

所接露地層概況：①第四系平原組：底界深度303～410m，為黃灰色、灰黃色粘土夾白色砂層；②上第三系明化鎮(zhèn)組上段：底界埋深934～1225m，為灰黃色、淺棕色泥巖與灰白色粗砂巖互層，泥巖質(zhì)純，性軟，吸水膨脹，造漿性強，砂巖顆粒較粗，成巖性差，膠結(jié)物少，呈散沙狀；③上第三系明化鎮(zhèn)組下段：底界深度1724～1965m，為棕紅色、暗棕紅色、紫棕色泥巖與淺灰色粗砂巖、含礫砂巖呈不等厚互層，泥巖略比砂巖比例大，泥巖質(zhì)純，性軟，砂巖分選較差，泥質(zhì)膠結(jié)，疏松，巖屑呈散砂狀；④上第三系館陶組：底界埋深2200～2350m，為紫紅色泥巖夾淺灰色、灰白色粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖，底部為雜色礫巖，泥巖質(zhì)不純，性軟，成巖性差，礫巖、含礫砂巖、沙礫巖，粒度自上而下逐漸變粗，分選性較差，泥質(zhì)膠結(jié)，疏松，礫巖成分以石英、燧石為主，礫巖堅硬，顏色會雜，分選差，泥質(zhì)膠結(jié)，疏松。

1.2 供熱系統(tǒng)概況

四眼地熱井分別組成三套采暖系統(tǒng)，其中2#和3#地熱井組成一套系統(tǒng)，負擔肅寧北站生活區(qū)、公司行政辦公區(qū)域范圍內(nèi)的房屋建筑物采暖，采暖面積約13萬m2；1#地熱井單獨組成一套系統(tǒng)，負擔機輛分公司大院范圍內(nèi)的房屋建筑物采暖，采暖面積約4.5萬m2；4#地熱井單獨組成一套系統(tǒng)，負擔站修所、貨車分公司以及供電工隊大院范圍內(nèi)房屋建筑物采暖，采暖面積約3.3萬m2。地熱供熱站主要設(shè)備有耐熱潛水泵、除砂器、板式換熱器、曝氣塔、除鐵器、保溫水箱、定壓罐、加壓泵、反沖泵、采暖循環(huán)泵、補水泵、水源熱泵機組以及各類管道等。系統(tǒng)散熱設(shè)備主要有鋼串片散熱器、銅鋁復(fù)合散熱器、鑄鐵散熱器、風機盤管等，新建房屋多采用地板輻射采暖。

1.3 供熱系統(tǒng)工藝流程

三套供熱系統(tǒng)均承擔本轄區(qū)內(nèi)采暖和洗浴兩項功能，現(xiàn)以2#和3#地熱井組成的系統(tǒng)為例說明工藝流程。

1）采暖部分。耐熱潛水泵從2000多米地下抽取80℃地熱水，經(jīng)過除砂器進入板式換熱器，在除砂器中地熱水中的砂質(zhì)雜物沉積過濾掉，地熱水在板式換熱器中與采暖系統(tǒng)循環(huán)水充分熱交換，采暖系統(tǒng)循環(huán)水被采暖循環(huán)泵輸送到各取暖用戶使用，部分尾水通過熱泵機組（預(yù)留），水溫提升后供新建房屋采暖[2]；

2）洗浴部分。從板式換熱器中流出的經(jīng)過充分熱交換的尾水或者地熱井直接抽取熱水經(jīng)過除砂器后，進入曝氣塔和除鐵器，在曝氣塔中將地熱水中的二價鐵離子氧化成不溶于水的三價鐵離子，三價鐵離子呈膠體狀懸浮于地熱水中，再經(jīng)過除鐵器過濾，徹底清除地熱水中鐵離子，滿足生活熱水洗浴的需要。其中，每隔72h采用反沖泵反洗除鐵罐，去除沉淀下的鐵，處理后的地熱水進入保溫水箱暫時儲存，再通過熱水供水泵送到高層公寓使用。詳見工藝流程圖（圖1）。

圖1 地熱供熱工藝流程圖

2 問題分析

2.1 地熱水過度開采

由于受到利益的驅(qū)動，近幾年地熱井開鑿急劇增多，肅寧縣城區(qū)范圍內(nèi)（不足8平方公里）有地熱井30多眼，僅肅寧北站狹長區(qū)域內(nèi)就有地熱井7眼之多，無序的開采以及過度使用，對已開發(fā)地區(qū)資源可再生和環(huán)境造成近期難以恢復(fù)的惡果，地熱井水位不斷下降，會造成地熱井熱水枯竭，地下和地面工程報廢的情況發(fā)生。表2是自2011年11月到2012年4月供熱期間地熱井動水位變化情況記錄，測量動水位時井泵電壓380V、頻率設(shè)定在40Hz（正常工作頻率）。

表2 地熱井水位測量記錄

由表2數(shù)據(jù)分析可知水位下降十分明顯，采暖期內(nèi)水位變化幅度大，水位先降后緩慢回升，說明地熱井自身具有恢復(fù)能力，長期來看水位是持續(xù)不斷下降，地熱井成井時均自噴，目前水位已降到井口以下180多米。人們甚至懷疑地熱是否屬于可再生能源？專家們對此爭論不休，大部分專家認為地熱能仍然可看成為可再生能源。地熱的可再生是基于地球內(nèi)部有巨大的熱量，但在人類活動地區(qū)可被利用的僅是很小的一部分。世界各地許多天然溫泉數(shù)世紀以來沒有衰減，說明了它的可再生性。這種狀況顯然是地表排放與地下深處熱補充之間有平衡關(guān)系存在。只要利用的地熱量不超過天然可補充的，就能完全看成是可再生的。

從地熱井的熱儲層開采流體和熱量，造成熱儲層的流量和熱量逐漸減少，開采停止后受天然作用驅(qū)動，開始壓力、溫度梯度的再生，壓力恢復(fù)最快，隨后是溫度重新上升，恢復(fù)能力隨著時間延長而減小，理論上需要無限長時間才能全部恢復(fù)，再生顯示為漸近線特性，再生力初始很強而后放慢。然而實際上補充再生恢復(fù)到95%所需時間較短。地熱資源不需像礦物燃料如煤、油、天燃氣所需的地質(zhì)年代才能生成，因此地熱再生從總體所需時間看可以被認為是可再生的[3]。

可再生與可持續(xù)發(fā)展有關(guān)系但不是相同的概念，可再生是說明資源的一個性質(zhì)，而可持續(xù)是說明資源利用方式。可持續(xù)發(fā)展必須有可再生作為基礎(chǔ)，可持續(xù)開采僅只能在可再生能源中獲得，沒有再生能力是不可能持續(xù)發(fā)展的。譬如海洋漁業(yè)開發(fā)，海洋的漁業(yè)資源是有再生能力的，但長期捕撈過量超過再生能力，漁業(yè)資源將被破壞而衰竭，沒有了持續(xù)發(fā)展。要持續(xù)利用就不能超出再生能力，地熱能的再生也是如此。

按資源補充狀態(tài)分為對流型和導(dǎo)熱型兩類，如果地熱井熱源來自地下較深處對流熱水補充的，其可再生能力強；我國北方各大盆地是沉積盆地熱水，僅靠導(dǎo)熱補充的能力差也可看成“有限制的可再生能源”，但是只要開采的地熱量不超過天然補充的就是可持續(xù)的。它的再生補充能力是由地殼構(gòu)造所控制，由于資源狀態(tài)差異性大，利用方式也有很大區(qū)別，所以要做到可持續(xù)開發(fā)是一個非常復(fù)雜的問題。地熱開采在地下熱儲層形成了水力和熱力漏斗導(dǎo)致重新建立壓力和溫度梯度狀態(tài)，熱溫差加大會引起相應(yīng)熱儲層導(dǎo)熱再生能力增強出現(xiàn)“增量”，而后達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一定時間后產(chǎn)生一個相對穩(wěn)定的水溫，產(chǎn)量進一步持續(xù)下去，只要科學(xué)適度地利用好這“增量”就能是可持續(xù)的。

2.2 單眼地熱井形成的采暖系統(tǒng)供熱可靠性差

肅寧站修所4#和機輛分公司院1#地熱井均為單眼井供暖，一旦地熱井出現(xiàn)故障，將面臨所承擔的整個采暖系統(tǒng)的癱瘓，地熱井恢復(fù)供熱最快也要7天，如果故障發(fā)生在1月份，室外氣溫在零下十幾度，停暖的房屋在一天后室溫將變得和室外溫度一樣，房屋內(nèi)的散熱器將凍裂，生產(chǎn)車間內(nèi)機車和車輛維修生產(chǎn)將會變得十分困難，嚴重影響人們的工作和生活。

2.3 地熱尾水梯度開發(fā)利用程度不高

目前，地熱井熱水僅用于采暖和部分洗浴，仍然排放了大量含有低焓熱能的尾水（尾水排放溫度40℃左右），這部分熱能白白流失，地熱尾水梯度開發(fā)利用程度不高。

3 問題的解決方法

3.1 加強回灌

利用對井回灌技術(shù)加強回灌，減少熱水抽取，破解水位下降困局。抽取深層地熱水通過換熱器把熱送到區(qū)域供熱管網(wǎng)，被冷卻的地熱水通過在地下有足夠距離的另一口井回灌到地下。由于地熱循環(huán)熱流體逐漸不斷被回灌的冷水置換，導(dǎo)致熱量下降，回灌井范圍向生產(chǎn)井擴展。一直到回灌水溫度波影響到生產(chǎn)井使生產(chǎn)井水溫開始下降形成熱突破時，這段時間間隔取決于生產(chǎn)井的開采量、井間距和熱儲層的物理、幾何特性。回灌除了可獲得較多的熱量以外，還有幾個重要的好處，據(jù)水文地質(zhì)專家測算，我國沉積盆地可采熱水資源量平均為積存資源量的1.1%，即只能取出地下熱儲層中1%左右的熱量，采取回灌后就可能多得到幾倍到20倍的熱量。多處試驗和實際工程觀測證明，回灌將使熱儲層壓力有較快的回升，能減小由開采地熱可能引起的地面沉降。有了回灌避免了地熱水用后地面排放，減少地熱水較高的礦化度和高于環(huán)境的排放溫度對環(huán)境造成的污染[5]。

天津為了緩解基巖地熱水過快的下降趨勢，截至2009年采用同層回灌、異層回灌和兩抽一回灌三種方式已建成對井11組，取得了一定的經(jīng)驗。為了確定回灌井位置，要在生產(chǎn)井打成后進行非穩(wěn)定流抽水實驗，利用壓降曲線的形狀來判定邊界條件，再結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析選定回灌井位，避免在將來回灌時在生產(chǎn)井和回灌井之間出現(xiàn)管道流。為了防止地下水被污染、防止結(jié)垢堵塞，對不同的熱儲層回灌水質(zhì)都有不同的要求。經(jīng)驗表明通常孔隙型熱儲層回灌問題較多，可采用壓力回灌；基巖裂隙巖溶型熱儲層當?shù)貕合陆岛笞粤骰毓啻蠖嗍强尚械摹?/p>

采取必要的技術(shù)措施對地熱井進行回灌，達到地熱水開采量、回灌量大致平衡，保證地熱資源的水載體具有可持續(xù)性，才能確保地熱系統(tǒng)的可再生和可持續(xù)，延長地熱井的使用壽命，保證水位不再下降。

此外，改造既有建筑的末端采暖方式有效減少地熱井熱水抽取，現(xiàn)有末端采暖方式多為散熱器形式，采暖熱指標為60W/m2，逐步改造成地板輻射采暖，采暖熱指標降為30W/m2，地板輻射采暖熱指標僅為散熱器的一半。采暖面積不變的情況下，使用地板輻射采暖后，地熱井可以減少一半的抽水量，可節(jié)約大量運行成本。

3.2 供熱不可靠的解決方法

解決單眼地熱井供熱不可靠的問題可采取三種方法加以解決。

1）機輛分公司院內(nèi)1#、汽修廠2#、生活區(qū)3#、站修所4#地熱井用管道溝通，一旦某眼井發(fā)生故障，其他三眼可保證基本供暖；

2）國家大力建設(shè)的西氣東輸管道已經(jīng)引到肅寧縣城，可以在機輛分公司和站修所院內(nèi)新建天然氣鍋爐房做為調(diào)峰使用或者備用，天然氣鍋爐不產(chǎn)生二氧化硫等酸性氣體，不用儲煤場和渣場，具有啟動迅速和無污染的特點；

3）在1#和4#地熱井附近再開鑿一眼地熱井。

采用第二種方法是最有效、成本最低，應(yīng)該優(yōu)先考慮。

3.3 提高地熱尾水梯度開發(fā)利用程度

除用于采暖和洗浴外，積極探索新的利用方式，充分挖掘利用地熱井尾水的低焓熱能。根據(jù)肅寧北站周圍環(huán)境情況，可有以下幾方面的應(yīng)用：

1）用于農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖：地熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用范圍十分廣闊，鐵路北側(cè)有大量農(nóng)田，可租來建成溫室大棚，地熱井尾水可用來提高大棚土壤溫度，冷卻后的水可灌溉蔬菜、育秧、種菜和養(yǎng)花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產(chǎn)量等；開挖魚塘，利用地熱水養(yǎng)魚，在28℃水溫下可加速魚的育肥，提高魚的出產(chǎn)率，還可養(yǎng)殖非洲鯽魚、鰻魚、羅非魚、羅氏沼蝦等[4]。

2）增加水處理凈化設(shè)施，收集地熱尾水進行處理，用作除飲用之外的水源使用，如用作公司辦公區(qū)景觀用水、洗車、洗衣等，減少給水所地下水抽取量。

3）利用地熱井尾水用于冬季道岔融雪和廠區(qū)內(nèi)道路融雪除冰，利用采暖設(shè)備進行道路融雪除冰已經(jīng)在國內(nèi)多處進行了有益的嘗試，取得了一定的經(jīng)驗，使用效果不錯，有效解決了冬季道路人工清掃費工費時和撒鹽造成環(huán)境污染的問題，實施過程中結(jié)合道路規(guī)劃合理布局采暖管道走向，利用采暖管道散熱形成的溫度場提高路面溫度，達到融雪除冰的目的；利用地熱井靠近線路的特點，將地熱尾水引到鋼軌岔區(qū)，為鋼軌道岔加熱，可有效解決冬季道岔除雪問題，此外冬季還可利用地熱尾水加熱鋼軌，提高軌溫，將從根本上解決鋼軌拉斷問題，減少工務(wù)部門線路維護工作量，壓縮設(shè)備故障延時。

4 結(jié)論

地熱能是可再生能源，但開采量要有嚴格的限制，利用對井回灌技術(shù)可保證地熱井水位不再下降，加大房屋節(jié)能改造，降低房屋采暖熱指標，可減少熱水抽取量，地熱資源可持續(xù)利用；增加天然氣鍋爐備用，提高單眼地熱井供熱可靠性；梯度開發(fā)利用地熱井尾水，提高資源利用率，讓有限的資源發(fā)揮最大的效益，從而改善肅寧北站鐵路職工的人居環(huán)境，為公司運輸生產(chǎn)提供保障。

[1]陸亞俊.暖通空調(diào)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002

[2]田彥法.地熱能在某小區(qū)中的應(yīng)用分析[A].見:山東省暖通空調(diào)制冷2007年學(xué)術(shù)年會論文集[C].2007

[3]劉聯(lián)波.油田地熱資源綜合利用技術(shù)研究[D].北京:中國石油大學(xué),2010

[4]王宏偉,李亞峰,林豹,等.地熱能在我國的應(yīng)用[J].可再生能源,2002,(5):45-47

[5]莊斌舵,陳興華,劉光遠.地熱水回灌井內(nèi)換熱新技術(shù)[J].能源研究與利用,2000,(6):36-39