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【原创论文五】| 浅谈地热能源在供热领域的梯级利用

日期: 2019-02-08
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崔悦1    安志鹏2    张伟2    龙艳平2

(1 唐山市热力总公司)

(2北京天时前程自动化工程技术有限公司)

摘要:地热作为一种清洁能源被广泛的利用在供热、发电、医疗洗浴等领域。但地热资源并非取之不尽、用之不竭,为保持地热资源的永续开发利用,本文结合实际工程,介绍了地热能源在供热领域的梯级利用方式。通过直燃型吸收式热泵机组回收地热尾水的热量作为供热的热源,将回灌温度降至32.8℃,增加了供热面积。

关键词:地热  清洁能源  梯级利用  燃气型吸收式热泵  地热尾水

Brief Discussion on Cascade Utilization of Geothermal Energy 

in the field of Heat Supply

CuiRui1    AnZhipeng2    ZhangWei2    LongYanping2

(1 Tangshan Heating Power Company)

(2 Beijing Tianshi Future Automation Engineering Technology Co.,Ltd.)

Abstract: Geothermal energy, as a clean energy, is widely used in heating, power generation, medical bathing and other fields. However, geothermal resources are not inexhaustible. In order to maintain the sustainable development and utilization of geothermal resources, this paper introduces the cascade utilization of geothermal energy in the field of heating combined with practical projects. Recycling heat from geothermal tail water by direct-fired absorption heat pump unit as heat source reduces the recharge temperature to 32.8℃, and increases the heating area.

Keywords: Geothermal Energy; Clean Energy; Cascade Utilization; Gas Absorption Heat Pump; Geothermal Tail Water

0 引言

当今社会,常规化石能源日渐短缺,而在总能耗中,民用采暖耗能比例逐年增长。地热作为一种无污染、可再生的清洁能源,与煤炭、石油和天然气等传统的化石能源相比,具备数量巨大、可再生、低碳、环保、就地取用等优势。同时地热资源的开发也符合国家的节能减排政策。2013年初,国家能源局、财政部、国土部和住建部联合发布的《关于促进地热能开发利用的指导意见》,更增大了对地热能这一新能源的开发利用的政策支持。

目前,地热供暖的一个重要问题在于尾水排放温度过高,多在40℃以上,造成资源的浪费。究其原因,是由地热采暖的利用方式落后造成的。1999年之前,地热采暖的利用方式只有一种,即直供直排方式(图1)。地热水从地下取出后,直接进入建筑物用户室内散热器,为保证供暖效果,即使在增加室内暖气片数量的基础上,地热尾水温度也不能低于40℃,地热水热能利用率极低。


【原创论文五】| 浅谈地热能源在供热领域的梯级利用

中石化石油工程设计有限公司闫丹丹【1】就几种地热供热方式进行了经济分析,得出地热换热+吸收式热泵的供热形式在地热供热中的经济效益最好,在驱动热源得以保障的情况下,应优先考虑采取此种供热形式。本文将结合天津市某项目的供热实际,简要探讨采用直燃型吸收式热泵技术梯级利用地热资源进行供热的探讨。

    1 吸收式热泵技术简介

直燃型溴化锂吸收式热泵机组是是一种以天然气、煤气、燃油为燃料,燃烧产生的热能为动力的制热设备。溴化锂水溶液作为循环工质,水为制冷剂。吸收式热泵是由吸收器、发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀、溶液泵、溶液阀、溶液热交换器这8大部件组成封闭环路,封闭环路内充以工质对。吸收式热泵中各组成部分的基本情况是这样的:

(1)工质对:一般是循环工质和吸收剂组成的二元非共沸混合物,其中循环工质(制冷剂)的沸点低,吸收剂的沸点高,而且这两种物质的沸点应该具有较大的差值。因为只有这样才能保证两组分能够分离。循环工质在吸收剂中应该具有较大的溶解度,相应地,工质对溶液对循环工质的吸收能力要比较强。

(2)发生器:利用热水、蒸汽或燃料火焰加热发生器里的工质对溶液,使其中的低沸点循环工质变为蒸汽,而高沸点吸收剂仍然保持为液态。

(3)吸收器:利用工质对溶液对循环工质较强的吸收能力,把蒸发器中产生的循环工质抽吸到吸收器里。

(4)冷凝器:由发生器进来的循环工质蒸汽在冷凝器中冷凝为液体,同时放出热量。

(5)节流阀:阀前压力、温度较高的循环工质液体经节流阀后变为压力、温度较低的循环工质饱和气、饱和液混合物,也就是湿蒸汽。

(6)蒸发器:低压、低温循环工质湿蒸汽在蒸发器中吸收低温热源的热量,变为饱和气。

(7)溶液泵:它不断地将吸收器中的工质对稀溶液送入发生器,保持吸收器、发生器中的溶液量。

(8)溶液阀:它的作用是调节由发生器中流入吸收器的溶液量。

(9)溶液热交换器:它是流出吸收器的稀溶液与流出发生器的浓溶液进行热交换的部件,使进入吸收器中的稀溶液温度降低,提高吸收器中溶液的吸收能力;使进入发生器的稀溶液温度升高,节省发生器中的高温热能消耗。

吸收式热泵的工作原理:高温热能加热发生器中的工质对溶液,产生高温高压的循环工质蒸气,进入冷凝器;在冷凝器中循环工质凝结放热变为高温高压的循环工质液体,进入节流阀;经节流阀后变为低温低压的循环工质饱和气与饱和液的混合物,进入蒸发器;在蒸发器中循环工质吸收低温热源的热量变为蒸气,进入吸收器;在吸收器中循环工质蒸气被工质对溶液吸收,吸收了循环工质蒸气的工质对稀溶液经热交换器升温后被不断“泵送”到发生器,同时产生了循环工质蒸气的发生器中的浓溶液经热交换器降温后被不断放入吸收器,维持发生器和吸收器中的液位、浓度和温度的稳定,实现吸收式热泵的连续运转。

图2所示的吸收式热泵虚线框内的部分与压缩式热泵的压缩机的功能相当,即发生器、吸收器、溶液泵、溶液阀、溶液热交换器的组合体起到了压缩机的作用,但它是由热能驱动,因此有时也把这个组合体称为热压缩机。它们都实现了对工质的升压和升温的过程。

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图2 吸收式热泵的基本构成

1—吸收器;2—溶液泵;3—溶液阀;4—溶液热交换器;

5—发生器;6—冷凝器;7—节流阀;8—蒸发器


2 工程概况

某职教中心位于天津市,该项目总供热面积为20×104m2,供热负荷为10000kW。其供热方式是利用新开采地热水代替常规热源进行供热,对利用后地热水进行回灌。设有地热井1眼,出水温度为80℃,出水量为250m3/h;回灌井1眼,回灌温度46℃。末端供热设备为风机盘管,二次网供、回水温度为50/40℃。地热井供热原理图见图3。

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图3 地热井供热原理图

    现在职教中心附近,新建15×104m2的住宅小区,末端供热形式为散热器,设计热指标为50W/m2,热负荷为7500kw,二次网供、回水温度为70/50℃。由于住宅小区位于集中供热未覆盖区域,所以考虑通过直燃型吸收式热泵机组对地热尾水进行梯级利用,以实现新建住宅小区的供热。

2.1 热源分配

方案一:职教中心的原系统维持不变,新建住宅小区采用地热井剩余尾水通过吸收式热泵供热;

方案二:新建住宅小区采用地热井间接供热,其换热设备利用原有职教中心的换热机组,将职教中心供热方式调整为地热井剩余尾水通过吸收式热泵供热;

对比以上两种方案主要由以下不同点:

1、地热水利用率不同。由于职教中心和住宅小区建筑用途不同,供热时间也不相同。职教中心作为公共建筑其供热时间主要集中的白天,夜间保证其值班采暖即可;而住宅小区需要全天24小时进行供热;所以,方案二的地热水利用率要比方案一高。

2、吸收式热泵COP的不同。华北电力科学研究院舒斌【2】就参数变化对LiBr吸收式热泵性能影响进行了分析,得出当冷却水进口温度升高时,热力系数COP下降;当冷却水出水温度升高时,热力系数COP快速下降的结论。职教中心末端供热设备为风机盘管,供回水温度为55/45℃;新建住宅小区末端供热设备为散热器,供回水温度为70/50℃。由此可知,在吸收式热泵机组的配置上,方案二的COP值要高于方案一。

以上两种方案技术对比详见表1。


表1  两种方案技术比表

项目

方案一

方案二

总供热负荷(MW)

17.5

17.5

供热

形式

职教中心

板式换热器

板换+热泵

新建住宅小区

热泵

板式换热器

吸收式热泵

热负荷(MW)

7.5

6.8

热侧供回水温度(℃)

70/50

49.3/40

地热尾水供排温度(℃)

45.6/35.3

43.2/32.8

COP

1.7

1.8

供热季用燃气量(Nm3

964024

544033

从对比表中可以看出,不论从吸收式热泵的COP,还是从供热季天然气的用量,方案二都明显优于方案一,所以热源分配的方案采用方案二。

2.2系统流程

地热水利用系统流程见图4。新建住宅小区系统:地热水经除砂器后进入换热器,换热器一级侧进、出水温度为80/54.2℃,二级侧进、出水温度为50/70℃。职教中心系统:职教中心换热器的一级侧进、出水温度为54.2/43.2℃,二级侧进、出水温度为40/52℃。吸收式热泵热侧进出水温度为40/49.3℃。地热水回灌温度为32.8℃。

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图4 地热水利用系统流程图

2.3 设备选型

本着设备利旧的原则,对原有板式换热器和水泵的参数依据现有系统进行了核算,其参数可以满足现有系统的运行条件,可以继续使用。设备选型见表2。

表2  设备选型表

设备名称

参数

单位

数量

备注

1

新建住宅小区板式换热器

Q=4MW

2

原有

2

职教中心板式换热器

Q=4MW

1


3

直燃型吸收式热泵机组

Q=3.4MW

2


4

地热水提升泵

L=250t/h  H=100m 

N=110kw

2

1用1备

(原有)

5

地热水循环泵

L=150t/h  H=50m

N=37kw

3

2用1备

6

新建住宅小区供暖循环泵

L=180t/h  H=30m

N=22kw

3

2用1备

7

职教中心供暖循环泵

L=240t/h  H=30m

N=30kw

3

2用1备

地热站内主要设备以自动控制为主,循环泵、潜水泵采用变频控制。根据工艺要求,热控信号采用数字显示仪表进行集中监控。

3 工程造价及运行费用

3.1 工程造价

工程造价主要包括地热站主要设备、电气设备、管网造价等(见表3)。工程总造价为2086.92×104元。

表3  工程造价表

序号

项目

造价(万元)

1

主要设备造价

278

2

电气、自控设备造价

40

3

管网造价

150


合计

468

3.2 运行费用

系统年运行成本主要包括天然气费、电费、地热水费、人工费、维修管理费、折旧费等(见表4)。冬季供暖时间按照121d、每日运行24h计算。由于水泵采用变频调节,设备运行负荷可根据室外温度变化逐时调节,因此系统满负荷运行时间按1936h计算。天然气价为2.26元/m3,电价为0.71元/(kW·h),采用回灌工艺的地热资源费为0.6元/t。人员工资按照每人每月3000元计算,工作人员为6人。系统年运行成本为274.56万元,单位供热面积的运行成本约7.85元/m2。

表4 本项目年运行费用

项  目

年运行费用

(万元)

1

天然气费

123

2

电费

39.6

3

地热资源费

43.56

4

人工费

21.6

5

设备折旧费

46.8


合计

274.56

    4环保性分析

地热资源的开发采取了循环利用集约化供热工艺,可有效减少常规燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量,降低了城市污染的治理费用,有效地保护了生态环境,有明显的环境效益。

5 结束语

地热是宝贵的自然资源,必须珍惜利用。如何最大限度地利用已有地热资源、提高地热资源利用率、保护水资源是地热供暖设计的关键。本案例采用直燃型吸收式热泵机组回收地热尾水的热量,使地热水的利用率比直供方式提高19%,达到节约资源、节省能耗、保护环境的目的。


参考文献:

(1)闫丹丹.地热供热经济性分析[J].中国高新技术企业,2016(15):83-85

(2)舒斌,戚永义. 参数变化对LiBr吸收式热泵性能的影响.节能,2012(7):22-27


原论文发表在《区域供热》2018.6期 P69-P74,文章题为《浅谈地热能源在供热领域的梯级利用》


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