基于肯尼亞Olkaria地區高溫地熱資源的地熱電站管材優選

李雪寧 蔡正敏 高冬梅 鄭 申 柴 武 李雷雷

中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程服務公司

基于肯尼亞Olkaria地區高溫地熱資源的地熱電站管材優選

李雪寧 蔡正敏 高冬梅 鄭 申 柴 武 李雷雷

中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程服務公司

李雪寧，中石油集團長城鉆探工程有限公司，工程師；蔡正敏，博士后，高級工程師，副總工程師，該項目為中國石油集團“可再生能源技術開發與應用研究”科研項目，課題名稱：“肯尼亞地熱開發技術研究與現場試驗”，項目號：2012A-4906。

本文給出了地熱電站設計中主要管線的選材基本原則。根據典型的肯尼亞Olkaria地區高溫地熱蒸汽參數，對該地區的地熱電站中管線材質進行了詳細的設計，為在該地區地熱電站設計和建設中管線材質的選擇提供了理論依據。

由于地熱電站的管材長期處在腐蝕和結垢的工作介質中，地下熱水往往含有大量的腐蝕性氣體，其中危害性最大的是硫化氫、二氧化碳、氧等，它們是導致腐蝕的主要因素，這些氣體進入汽輪機、附屬設備和管道，使其受到強烈的腐蝕。此外，地下熱水中含有結垢的成分，如硅、鈣、鎂、鐵等，以及對結垢有影響的氣體，如二氧化碳、氧和硫化氫等，管線的結垢經常以碳酸鈣、二氧化硅等化合物出現。因此在利用地下熱水發電中要充分注意解決腐蝕和結垢問題，所以地熱電站的熱力系統方案中對管線材質的選擇是非常重要的一個環節。地熱電站的選材不僅僅要考慮材料與工藝流體的相容性、可靠性同時也要考慮到選材的經濟性。這樣才能保證地熱電站的管線在腐蝕和結垢環境下能長期穩定運行。

工藝管線管材選擇

（1）選材范圍

地熱電站管線的工作介質主要為：地熱蒸汽、不凝結氣體、鹵水等，含有H2S、CO2、Cl-、SO42-等腐蝕性成分。

由于地熱汽輪機前后工況不同，選材按照地熱汽輪機前后兩段進行劃分，地熱汽輪機前段設備與管道主要包括汽水分離器、集輸管道、主蒸汽管道、疏水管道、回灌管道；地熱汽輪機后段管道主要包括循環水管道、疏水管道、抽真空管道。

（2）選材原則

地熱電站的選材原則主要考慮：材料與工藝流體的相容性（滿足介質特性、壓力、溫度等）、可靠性（耐蝕性、安全性）、經濟性（材料成本、制造成本）以及相互連接的管線選材同一性原則來進行考慮。

肯尼亞Olkaria地區地熱資源蒸汽參數分析

肯尼亞多為平均海拔1000m左右的熔巖高原，地處是世界上三大斷裂帶之一，由于沿著斷層帶的地殼較薄，在地震引起的地殼彎曲條件下形成了受地幔巖漿加熱的地下熱水和蒸汽儲層，因此擁有豐富的地熱資源，其地熱發電潛力估計為10000MW，目前發電容量約為255MW。本文對根據肯尼亞Olkaria地熱田完鉆的某蒸汽井蒸汽參數設計的地熱電站中的管線材料進行優選研究。

該地熱井下熱儲溫度維持在308℃左右，井口蒸汽溫度為160℃左右，壓力約6bar，干度在70%左右。

地熱電站管線的選擇

（1）地熱汽輪機前段設備與管道材質選材分析

從井口到地熱汽輪機前段工況條件為：設計壓力P=1.6MPa，工作溫度t=163.8℃，介質為地熱蒸汽、不凝性氣體、鹵水的混合物，介質組分見表1和表2。

表1　地熱蒸汽中不凝性氣體成分表

表2　地熱鹵水成分

通過表1和表2中介質成分可知，影響腐蝕的主要化學介質為H2S、CO2、Cl-以及一些氧化物。

按照NACE MR0175/ISO 15156計算，PH2S=PXH2S=1600KPa×0.0025%=0.04KPa；PCO2=PXCO2=1600 KPa×0.21%=3.36KPa。

（a）對于酸性環境的判別

按照NACE MR0176規定，介質中存在H2S，且PH2S≥0.35kPa，認定為酸性環境。在本工況環境下，PH2S＜0.35kPa，不屬于含H2S的酸性環境。

又依據NACE MR0175/ISO15156中對碳鋼和合金鋼硫化物應力開裂（SSC）環境嚴重程度的區域劃分原則，在此工況環境下，選擇碳鋼時，可以不考慮氣相中H2S的腐蝕影響。

表2中給出的鹵水中含有H2S最大量為0.7ppm，遠小于NACE MR0103規定引起SSC的含H2S的最小含量50ppm。因此，在本工況環境下，氣相與液相中含有的H2S含量對選材影響可以忽略。

（b）CO2對碳鋼材料腐蝕速率的影響

規范IPS-E-TP-740規定，在較低溫度下（＜60℃），材料表面不形成保護性腐蝕產物膜，隨著CO2分壓的增大，腐蝕速率增加，主要以均勻腐蝕為主；在中溫區（60-100℃），CO2分壓對腐蝕速率的影響類似于低溫區，即隨CO2分壓增大，腐蝕速率加快，且在80-90℃，易于發生點蝕；在高溫區（＞149℃），較高的CO2分壓有利于保護膜的形成，因此隨著CO2分壓的增大，腐蝕速率反而降低，可以忽略CO2的腐蝕。

據SY/T0076-2008規定，根據CO2分壓判斷CO2對碳鋼的腐蝕程度，當PCO2＜0.021MPa時，不發生CO2腐蝕；當0.021MPa≤PCO2≤0.21MPa時，發生中等腐蝕；當PCO2＞0.21MPa時，發生嚴重的腐蝕。

API Spec 12J附錄B中指出，在天然鹽水中，CO2含量低于600ppm時無腐蝕性，600-1200ppm的CO2需考慮腐蝕性，CO2含量超過1200ppm時具有腐蝕性。

由于該工況下的工作溫度為168.3℃，溫度高于149℃；PCO2為3.36KPa，小于0.021MPa；鹵水中CO2含量為138.2ppm，小于600ppm，介質氣相與液相中的CO2對碳鋼材料腐蝕在選材時均可忽略。

（c）氯離子的影響

氯離子對碳鋼的腐蝕主要是點蝕、局部和均勻腐蝕。根據NACE MRO175-3規定，由于蒸汽溫度高于149℃時，因此在氯離子環境中奧氏體不銹鋼不可選用。

（d）H2的影響

介質中H2的存在會對碳鋼在低于65℃時產生氫致開裂，據IPS-E-TP-740中規定，在溫度高于65℃時，H2對碳鋼的影響可以忽略。由于蒸汽溫度為168.3℃，高于65℃，在選材為碳鋼時，可以忽略H2的影響。

通過上述分析，在本工況條件下，考慮到材料的耐蝕可靠性與經濟性，汽水分離器設備材質推薦碳鋼SA516 Gr.65，開口接管為碳鋼無縫管SA106 Gr.B；管道材質為碳鋼無縫管SA106 Gr.B。

（2）地熱汽輪機后段管道材質選材分析

考慮本工況最苛刻條件，地熱汽輪機后段工況條件為：設計壓力P=1.6MPa，設計溫度t=45.8℃，介質主要為地熱汽輪機乏汽和真空泵抽氣，主要包括不凝性氣體、液相介質，介質組分如表3和表4所示。

表3　不凝性氣體成分表

表4　液相介質成分

（a）通過表3計算出H2S分壓PH2S=PXH2S=1.6MPa×0.5%=0.008MPa，CO2分壓為PCO2=PXCO2=1.6MPa×53.03%=0.8MPa，CO2分壓大于0.21MPa，會對碳鋼產生嚴重腐蝕，此條件下的管道材質均不適合采用碳鋼。由于316L不銹鋼中鉬元素的存在，從性價比與耐蝕可靠性方面分析最為合適。

據NACE MR0175-3，在溫度60℃以下，316L不銹鋼可適用于對硫化氫分壓在100KPa以下，氯離子濃度1000ppm以下，疏水管道和抽真空管道材質推薦選用SA312-TPS316L不銹鋼無縫鋼管。

（b）對于循環水管道，由于輸送介質為天然的水，不含腐蝕性氣相介質，考慮其經濟性，因此循環水管道材質推薦選用碳鋼焊接管。

結語

本文對以肯尼亞Olkaria地區的地熱蒸汽參數設計的地熱電站中管線材料進行了優選，在考慮選材的耐蝕可靠性、材質與介質的相容性及選材經濟性的情況下，設計中的地熱汽輪機前段部分汽水分離器設備材質為碳鋼SA516 Gr.65，主蒸汽管道、集輸管道、疏水管道、回灌管道材質均為SA106 Gr.B，地熱汽輪機后段疏水管道、抽真空管道材質為SA312-TPS316L不銹鋼無縫管，循環水管道材質為碳鋼焊接管。同時給出了地熱電站中管線材料優選的流程，為地熱電站中管線材質的選擇提供了理論基礎。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.039