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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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地熱采暖三大問題的解決方法(一)

點擊:1419 日期:[ 2014-04-26 22:45:00 ]
作者:王萬達 摘要: 我國有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源,有穩定的采暖市場需求。使用地熱采暖能做到無污染、可持續,還有綜合利用發展地方經濟的可能;同時低溫地熱是低焓熱能,用于采暖是用得其所。抓住機會發展地熱供熱對我國許多城鎮地區提高人民生活質量有重大作用。用地熱供熱有三大問題必須解決,一是資源能實現可持續利用,不破壞環境。二是要采用能抗腐蝕的地熱間接采暖系統。三是所需要的資金能籌措經營能獲利,才能與常規采暖競爭 關鍵詞: 地熱資源 地熱腐蝕 地熱井 地熱經濟 我國松遼、華北、蘇北和汾渭盆地等眾多城鎮地區有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源,有穩定的采暖市場需求。使用地熱采暖能做到無污染、可持續,還有綜合利用發展地方經濟的可能;同時低溫地熱是低焓熱能,用于采暖是用得其所。抓住機會發展地熱供熱對我國許多城鎮地區提高人民生活質量有重大作用。用地熱供熱有三大問題必須解決,一是資源能實現可持續利用,不破壞環境。二是要采用能抗腐蝕的地熱間接采暖系統。三是所需要的資金能籌措經營能獲利,才能與常規采暖競爭。 1 地熱資源可持續利用條件 1.1 地熱資源的可再生性   近年我國地熱采暖增長的速率和增長的絕對值在世界各國中是最快的,主要是經營利潤推動的,如果管理控制不當,將對已開發地區資源可再生和環境造成近期難以恢復的惡果。在北京、天津、西安和大慶林甸地區都已出現地熱供熱能否實現可持續問題,有的甚至相當嚴重。天津地區10多年前開采基巖霧迷山地層熱水井大多有自噴能力,目前靜水位已降至地表面以下60米左右,并每年大致平均下降6米左右在繼續。西安和大慶林甸都發生了有的地熱井地熱水接近衰竭導致地下和地面工程幾近報廢的情況。人們懷疑地熱是否屬于可再生能源?專家們是有過爭議的,2000年在日本召開的世界地熱大會上,大多數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部有巨大的熱量,但在人類活動地區并可被利用的僅只是很小的一部分。世界各地許多天然溫泉多少世紀以來沒有衰減,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,它的再生補充能力是由地殼構造所控制,不同的地點和開采方式其差異性是非常大的。   從地熱井的熱儲層開采流體和熱量,導致熱儲層的流量和熱量都會逐步減少,開采停止后受天然作用驅動,開始壓力、溫度梯度的再生過程,壓力恢復最快,跟著是溫度重新上升,恢復能力隨著時間延長而減小,理論上要無限長時間才能全部恢復再生,再生顯示是漸近線特性,再生力初始很強而后放慢。然而實際補充再生恢復到95%所需時間要短的多。地熱資源不需像礦物燃料如煤、油、天燃氣所需的地質年代才能生成,因此地熱的再生從總體所需時間看可以被認為是可再生的。   可再生與可持續發展有關系但又是兩個不同的概念,可再生是說明資源的一個性質,而可持續是說明資源利用方式。可持續發展必須有可再生作為基礎,可持續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發展的。這可以用開發海洋漁業作比方,海洋的漁業資源是有再生能力的,但長期捕撈過量超過再生能力,漁業資源將被破壞而衰竭,沒有了持續發展,要永續利用就不能超出再生能力,地熱能的再生與它有相似之處。   按資源補充狀態分類有對流型和導熱型的,地熱井熱源如有來自地下較深處對流熱水補充的,可再生能力強;而我國北方各大盆地是沉積盆地熱水,僅靠導熱補充熱的能力差也可看成“有限制的可再生能源”。 1.2 低溫地熱供熱的可持續發展   只要開采的地熱量不超過天然補充的就是可持續的,它的再生補充能力是由地殼構造所控制,由于資源狀態差異性大,再加利用方式有很大區別,所以要做到可持續開發是一個非常復雜的問題。地熱開采在地下熱儲層形成了水力和熱力漏斗導致重新建立壓力和溫度梯度狀態,熱溫差加大會引起相應熱儲層導熱再生能力增強出現“增量”,而后達到一個新的穩定狀態,經過一定時間后產生一個相對穩定的水溫,產量進一步持續下去,只要科學適度的利用好這“增量” 就能是可持續的。當占有資料、技術能力和經驗條件不太充分時,應當只能從小規模少量起步,擬訂相應水位的開采限量指標,不能超采。 1.3 利用對井回灌技術增加地熱開發強度。   完全依靠自然補給常常不能滿足使用和經營的要求,要增加產量又要保持可持續性,可以和應當利用對井回灌技術合理地增加地熱開發強度,國內外的實踐經驗表明利用對井回灌技術合理地增加地熱開發強度是可行的。   抽取深層地熱水通過換熱器把熱送到區域供熱管網,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。由于地熱循環熱流體逐漸不斷被回灌的冷水置換,導致熱量下降,回灌井范圍向生產井擴展。一直到回灌水溫度波影響到生產井使生產井水溫開始下降形成熱突破時,這段時間間隔取決于生產井的開采量、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,據水文地質專家測算,我國塘沽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,由于地熱水較高的礦化度和高于環境的排放溫度將造成的對環境的污染。   天津為了緩解基巖地熱水過快的下降趨勢,截至2002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,取得了一定的經驗。為了確定回灌井位置,要在生產井打成后進行非穩定流抽水實驗,利用壓降曲線的形狀來判定邊界條件,再結合地質構造分析選定回灌井位,避免在將來回灌時在生產井和回灌井之間出現管道流。為了防止地下水被污染、防止較快的被結垢堵塞,對不同的熱儲層回灌水質都有不同的的要求。經驗表明通常孔隙熱水儲層回灌問題較多;基巖裂隙巖溶型熱儲層當地壓下降后自流回灌大多是可行的。   上一世紀70年代的世界石油危機促使在法國巴黎地區提出采用深層地熱水供熱方案,由于深層地熱水含鹽量高達每升30克,地熱用后熱后無法排放,想到了回灌。到2001年巴黎地區有33對地熱井在運行,井深范圍從1165米到1980米,井口平均水溫大約是70度,采暖利用后水溫大約在35~40℃。據地熱研究部門用熱儲模型計算分析推測,生產井和回灌井間距1000m,回灌冷水溫度波傳播影響生產井水溫30年下降1度。   我國目前多數是只開采無回灌,南方不采暖地區目的就是為了取熱水,用后大多無冷水可回灌;北方地熱采暖后用不了的地熱水,因為沒有回灌井談不上回灌。這些地區只能依靠嚴格限量開采才能可持續。否則除了資源天然補給能力遠大于抽取的水量和熱量的罕見情況外,地熱儲水層的壓力只會出現迅速下降,我國有的地方地熱井出現過平均年水位下降10m左右甚至更多的狀況,長期利用難以為繼是掠奪破壞性開采。 2. 防腐問題   地熱對金屬腐蝕是普遍存在的而且往往很嚴重。地熱水中最常出現起主要作用的腐蝕成分是氯(cl)和溶解氧(O2)。氯離子半徑小,穿透能力強,因此容易穿過金屬表面已有的保護層造成對碳鋼、不銹鋼及其他合金強烈的縫隙腐蝕、孔蝕與應力腐蝕等。氯離子對金屬的腐蝕作用還與溫度有關,60℃的地熱水氯離子含量僅只200mg/l時,也會使不銹鋼產生局部腐蝕,溫度越高腐蝕作用越強。在地下深層地熱水自然狀態下通常不含氧,流出地面后空氣中的氧會溶入地熱水,溶解氧也是地熱水中最常見最重要的腐蝕性物質。 為了防腐應當采用帶有換熱器的間接采暖系統,從下面的地熱間接供暖系統示意圖可見,地熱腐蝕將局限在井口和換熱器部分。如果不用換熱器將出現: 1.系統被腐蝕. 2.采暖系統是開口的要不停的向外排水,系統的某些立管容易出現排空缺水造成采暖中斷,系統水力穩定性不好. 3.地熱水流經暖氣后被污染水質變差影響后續利用也不宜再回灌. 4. 地熱水流量、溫度常常不符合采暖系統水量與溫降的要求。 不用換熱器的好處是: 1.沒有傳熱溫差損失. 2. 節省了換熱器的投資。地熱直接采暖是將地熱水直接送入采暖用戶終端散熱器,初看有系統初投資少,地熱水熱量利用較充分等優點;但腐蝕嚴重增加了系統的維修工作,甚至設備、管道被破壞。有些地熱直接采暖用戶,由于地熱水的腐蝕,系統使用不到兩三年即被破壞,而不得不重新更換,造成較大的經濟損失。我們幾次遇到原直接采暖系統由于腐蝕、系統水力平衡調節困難,用了一兩年后不得不加裝換熱器重新改裝為間接采暖,改建設計困難投資損失也很大。   有的人想依靠隔絕氧的溶入就可避免氯離子的腐蝕,因為氯離子的強烈腐蝕作用只是當地熱水存在溶解氧時才表現出來,然而實際的情況是只要有微量溶解氧的存在都要引起腐蝕,要求一個實用的采暖系統全面與氧隔絕幾乎是做不到的。有的人也用過加藥措施,往地熱水中加亞硫酸鈉(Na2SO3)除氧;另一種是加磷酸鹽類藥物在整個系統內表面做成保護膜,運行時要計量加藥量和對金屬做腐蝕監測。地熱直接采暖是非循環用水長期排放加藥后的地熱水對環境要產生累積影響。依靠加藥的方法要有加藥設備初投資和加藥運行費的投入,大多由于運行困難或經濟不合理而告終。   換熱器的選擇和價格。選型:由于地熱水溫不高與常規熱力站用換熱器相比溫差常要小許多,板式換熱器傳熱系數比管殼式大,另外便于打開觀察腐蝕情況、清洗結垢,通常只能用板式換熱器。選材:可參照生產廠家提供的資料決定用不銹鋼的或鈦板的,用不銹鋼的價格大約是鈦材的1/2,但深井地熱水能用不銹鋼抗腐蝕的,在我們過去完成的大約百項地熱采暖工程中只能占到5%,因此絕大多數只能選用鈦板的換熱器。價格:鈦板換熱器的初投資分攤到住宅采暖每平方米上為2~8元,地熱水溫越高分攤的費用越低。傳熱溫差損失大約在5%~15% 地熱水溫越高百分比損失越少。   通過換熱器用間接采暖盡管增加了換熱器投資和傳熱溫差損失,但為了防止系統過快被腐蝕,國內外經驗告訴我們用間接采暖幾乎是唯一正常合理的方法,否則很可能是得不償失。  
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