本文介绍一处天津市地热供热与“煤改燃”供暖相结合的示范工程，该工程通过地热梯级利用将热量直接并入燃气供暖的二次网，年供热量为81,415.21GJ，相当于年节省燃气耗量248.71×104Nm3，年代替燃煤的量4,629.93t，经济、环境效益显著，达到了节能减排的目的，缓解了燃气供应不足的压力，可作为后续供热改造项目得样板工程。
一、前言
天津市南开区金谷园供热工程所在地位于天津市南开区金谷园小区南部，毗邻南翠屏公园；紧靠红旗南路、外环西路及明川路（图1）。
图1 交通位置图
该工程建于2004 年，是天津市热力有限公司所属较大型热源基地之一，供热面积为320×104m2，为近3 万户居民提供供热服务，2004~2015 采用燃煤作为供暖热源，共有3 台58MW 燃煤锅炉，33 座换热站投入生产运行。
为响应“美丽天津建设”和“节能减排”的相关要求，2015 年底完成煤改燃改造工程采暖季实现了以天然气作为一次能源的对外供热。共设置4 台58MW 燃气热水锅炉，满足周边地区热负荷的要求。2016 年初，为了优化了能源结构，结合工程周围地热地质条件，天津热力有限公司开凿了一对雾迷山组地热井，采用梯级利用工艺，将提取热量直接并入供热二次网，降低能耗和运行费用。
二、地热地质条件
本项目所在区域构造位置属于Ⅲ级构造单元沧县隆起的次一级构造单元双窑凸起内。区域内新近系馆陶组~青白口系有不同程度的缺失，新生界新近系下伏发育古生界~中新元古界，基岩顶板埋深为980~1,200m，区域主要发育有鞍山道断裂和李七庄断裂（图2）。
图2 区域基岩地质图
区域已揭露的地层自上而下有：新生界的第四系和新近系，古生界的奥陶系和寒武系，中新元古界青白口系和蓟县系雾迷山组。
从上到下分布有两类热储，即上部以砂岩、砂砾岩为主的孔隙型热储（新近系明化镇组和馆陶组）和下部以碳酸盐岩为主的岩溶裂隙型热储（包括奥陶系和蓟县系雾迷山组热储层）。
四、 地热对井介绍
天津地热开发有限公司在金谷园换热站投资开凿了二眼蓟县系雾迷山组地热井，编号分别为NK-27B、NK-27，成井深度分别为3,220m 和3,120m。开采井为NK-27B、回灌井为NK-27，主要用于居民住宅供暖。各井具体情况见表1。
五、工艺流程及供热能力分析
1．工艺流程
本项目采用一采一灌模式运行，NK-27B 为开采井，出水温度71℃，流量为100.4m³/h。工艺流程简图见图3。地热井出水进入设备前都需要先经由旁通管路绕过各个主要设备，当除砂器排出的水质清澈后方可关闭旁通管路进入各个主要设备中。
一次侧（红色）：地热井出水，经过除砂器过滤后按顺序依次流经三级板式换热器，一级板式换热器与二次管网直接进行换热；二级、三级板式换热器则与中间侧循环水进行换热。依次流经三级板换后地热水温度降低至11.4℃，由回灌井回灌至地下。
中间侧（紫色）：循环水是封闭式循环，中间侧使热泵蒸发器中的介质蒸发，介质通过压缩机及冷凝器对二次侧循环水进行加热。
二次侧（绿色、蓝色）：二次侧循环水通过一级板换和两级热泵机组的加热后汇总，并入供热站二次网。
补水（黑色）：负责保持中间侧循环的水压与流量。
图3 工艺流程简图
2．供热能力分析
本工程通过换热系统及热泵机组对地热资源进行三级利用。下面对NK-27B 开采井供热能力进行计算，出水温度为71℃，出水量取100m3/h，回灌温度取11.4℃。
地热流体一级尾水温度最低可降到52℃，根据式（1）计算地热一级供热负荷Qd1 为：
Qd1 =G·C(tg-th1）/3.6 （1）
式中：Qd1—一级地热供热负荷，kW；
G—用于供暖的地热流体水量（参考成井时出水量，取100m3/h）；
C—地热流体比热容，4.1868 J/（kg·℃）；
tg—地热井出水温度，71℃；
th1—地热流体一级利用后的尾水温度，52℃。
由式1 计算可得一级地热供热负荷2209.7kW，为总供热负荷的28%。
根据式2 可分别计算地热二级和三级供热负荷。
Qd2=[G·C(th1-th2）/3.6]·COP/(COP-1） （2）
式中：Qd2—二级地热供热负荷，kW；
G—用于供暖的地热流体水量，100m3/h；
C—地热流体比热容，4.1868 J/（kg·℃）；
th1—地热流体一级利用后的尾水温度，52℃；
th2—地热流体二级利用后的尾水温度，30.8℃；
COP—热泵制热系数。
地热流体二级利用后的尾水温度为30.8℃，二级热泵制热系数（COP）为9.4，通过公式2 计算，二级供热负荷Qd2为2,759.08kW。
地热流体三级利用后的尾水温度为11.4℃，三级热泵制热系数（COP）为5.01，通过公式2 计算，三级供热负荷Qd3 为2,818.87kW。
综上所述，地热对井供热能力总计为7,787.65kW，按照采暖季121d 共计2,904h 计算， 年最大供热量81,415.21GJ。
六、效益评价
该工程建成两年以来运行稳定，对其年运行经济、环境效益进行评价：
1．经济效益
地热对井三级换热的热量若采用燃气锅炉供热，燃气热值按照8,500kal/Nm3，锅炉热效率为92%测算，每年仅燃气耗量为248.71×104Nm3。按照市场燃气价格3.25 元/Nm3 计算，年燃气消耗成本为808.32 万元，相同热量地热流体节约539.74 万元。
2．环境效益
金谷园地热供热系统的开发利用，其热量相当于每年代替燃煤的量为4,629.93t，其资源价值可达324.1 万元，每年减少向大气中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及悬浮质粉尘等大气污染物1.12×104t、固体废物煤灰渣462.99t，不计煤灰渣运输费，每年可节省环境治理费用128.76 万元，经济和环境效益显著。
七、结论
金谷园换热站采用地热资源梯级利用联合水源热泵的方式为二次网提供热量，地热尾水温度可降至11.4℃，供热后的尾水全部回灌，地热资源利用率、回灌率均达到100%。本项目的实施对天津市改燃的锅炉房补建地热供热系统具有示范意义。