齐俊启

（河北省煤田地质局水文地质队，河北 邯郸 056000）

华北地区中深层地热能主要以中-低温地热田的形式赋存。以献县为例，中深层地热资源具有面积广、储量大、开采条件较好、温度高、水质优等特点，但由于缺乏集约化的管理模式和先进的取能工艺，地热资源的开发利用尚处在自发、分散和粗放的低级利用阶段，中-低温地热资源浪费严重。

1 地热地质背景

根据以往地热地质成果，献县发育热储为新近系孔隙热储（明化镇组和馆陶组）和基岩岩溶裂隙热储（中元古界长城系白云岩、中元古界蓟县系白云岩、古生界寒武-奥陶系灰岩），目前县域内主要利用热储为明化镇组孔隙型热储与蓟县系岩溶裂隙热储[1-4]。

2 利用现状和存在的问题

献县共有地热井57眼，地热流体年总开采量为1 098.11×104m3，占地热流体可开采总量的14.74%。地热井发利用方式以供暖为主，占比约为97%，其余利用方式为洗浴、发电及农业，分占1.5%、1.1%、0.17%。供暖用地热流体开采温度为82～103℃，是良好的中-低温地热资源。然而，因为缺乏集约化的管理模式和中-低温地热资源梯级利用工艺，地热流体仅进行一次换热供暖，不加循环就直接回灌或排放，回灌温度介于38～57℃。高温回灌不仅造成了地热资源的严重浪费，还增加了回灌的难度和费用，难以回灌的高矿化度地热尾水的外排更是产生了地下水的热污染和化学污染。

3 优化原则

对地热水水系统的优化，应遵循减少地热水开采量和扩大地热能可利用温差的原则。所以，人们应控制地热井开采总量，控制地热尾水回灌温度，控制调整换热器低温侧出口温度。

4 系统优化方案

以献县凯荣小区地热井为例，其利用热储为蓟县系雾迷山组热储，供暖面积为13.5×104m2。调查数据显示，该供热系统采水井出水温度为92℃，回灌温度为46℃，年开采量为44.85×104m3，年回灌量为29.36×104m3，总体回灌率为65.48%。

经过调研和分析，该地热供暖系统存在下问题：地热尾水排放温度过高，仍有较大的可利用温度区间；地热尾水未经处理直接排放，易造成严重的环境污染和水资源浪费；该地热供暖系统换热器老旧，换热效率低下。

针对以上情况，笔者提出以下供热系统优化方案。

4.1 增强取热能力

目前，该供热系统使用的换热器为换热效率低下的波节管式换热器，详情如图1所示。

图1 区地热井换热站内管式换热器

可使用板式换热器替代，相比管式换热器，其优点在于换热效率高，可在较低雷诺数Re（—般在50～200即可）下产生奈流，传热系数可比管壳式换热器高出3～5倍；热损失小，板式换热器只有换热板的外壳直接接触大气，散热损失的热量可以忽略不计，详情如图2所示[5]。

图2 板式换热泵站

4.2 减少地热水开采量

水位统计数据显示，2000-2018年，该供热系统采水井基岩静水位年平均下降速率为4.97 m/a，详情如图3所示。

图3 平均静水位埋深和累计水位降深

该井热储水位处于超采范围内，应适当降低该井开采总量，以避免出现水位下降速率过快而导致地热供暖系统运行后期“有热无水”的问题。其优化方案可通过增大地热流体采灌温差实现，当前回灌温度为47℃，在换热站中加增板式换热器和热泵机组。通过板式换热器一次交换，地热流体温度降至36℃；经过热泵机组提能至60℃后二次取能，尾水温度降至20℃，热泵梯级利用工艺详情如图4所示。

图4 热系统改造工艺流程

其间，优化设计可以参考以下热负荷公式：

式中，F为供热系统热负荷，m2，为13.5×104m2；En为地热流体产能，W；Qf为居室采暖热指标，W/m2，取值40 W/m2；Q为地热流体流量，m3/d；t1为地热流体采水温度，℃，取值92℃；t2为地热尾水回灌水温度，℃，取值25℃。

通过优化设计，该供热系统可在热负荷不变的情况下压缩采水量14.51×104m3/a，整体压缩供热系统对于地热流体的耗损，优化年开采量下降32.35%。

高温地热流体温度高，密度较小，因此进入储层后扩散阻力大，回灌难度相对低温地热流体较大。目前，凯荣小区回灌方式为加压回灌，回灌压力为0.93 MPa，且回灌率仅为65.48%，长期加压回灌将大幅缩减回灌管网和回灌设备的使用寿命，详情如图5所示。

在优化缩减开采井开采总量的同时，人们可以利用热泵机组对地热流体进行梯级利用，降低地热流体回灌温度（≤20℃），在回灌总量和回灌尾水温度上减小回灌系统压力，提升回灌率。

图5 热井加压回灌系统

4.3 增加地热尾水处理系统

在弃水端增加地热尾水处理系统，其处理工艺为地热水尾水先经过曝气装置，将二价铁离子氧化变为三价铁离子后进入除铁罐和除硫化氢净化罐，除去水中过量的铁、硫化氢及其他杂质异色，降低色度和浑浊度，再进入软化水系统进行软化，经过软化后的地热水达标后可排入城市排污管网。

5 结论

在减少地热水开采量和扩大地热能可利用温差的系统改造原则上，本文探讨了献县城区典型的中低温地热供热系统的改造设计方法。通过改进换热装置，加增热泵机组和尾水过滤装置，对中低温地热供热系统进行改造，可有效改善供暖系统换热效率低下、地热尾水排放温度过高、地热资源浪费、热储压力下降过快等问题，进而实现中低温地热资源的梯级、循环、高效利用。