肯尼亞地熱電站結(jié)垢問題的日常維護

蔡正敏　李剛　李源　李建申

【摘 要】隨著地熱資源的廣泛開發(fā)利用，地熱電站在世界地熱資源豐富的國家大規(guī)模修建，其電力輸出逐漸成為和火電和煤電一樣的基本負荷。本文對地熱電站的各系統(tǒng)及主要設備進行介紹，并對運行過程中的結(jié)垢問題進行了分析，并結(jié)合肯尼亞地熱電站運行過程中的結(jié)垢情況給出了幾種除垢方法，為提高電站的運行時間、保證地熱電站的穩(wěn)定輸出及運行提供了維護方案。

【關鍵詞】地熱電站；結(jié)垢

中圖分類號： X322；X773 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0041-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.018

【Abstract】In this paper， Scaling problems of geothermal power plant are analyzed. Taking geothermal power plants in Kenya as examples， this paper analyzes and lists several descaling ways. It provides a maintenance scheme for effectively ensuring the sustainable development of geothermal resources.

【Key words】Geothermal Power Plant； Scaling

0 引言

地熱能作為可再生能源的一種，與太陽能、風能等可再生能源相比，具有資源儲量巨大、能量品位高以及可利用系數(shù)大等優(yōu)點。由于地熱資源的穩(wěn)定性，不隨季節(jié)或時間的變化發(fā)生波動，具有相對較高的穩(wěn)定性，在很多國家地熱電站產(chǎn)生的電力被作為電網(wǎng)的基本負荷，因此保障電站的穩(wěn)定持續(xù)運行是十分重要的。

地熱電站的工作介質(zhì)是從地熱井中噴射出的熱流體（蒸汽、熱水及其混合物），熱流體中的蒸汽進入汽輪機組，推動汽輪機組發(fā)電。熱流體中的地熱蒸汽和地熱鹵水中通常溶解有多種成分的礦物質(zhì)，其中含量較高的有SiO2、Cl-、SO42-、F-、CO2、Na+、K+、Ca2+。在抽到地面做功的過程中，隨著電站熱力系統(tǒng)中工作介質(zhì)的壓力和溫度發(fā)生極大的變化，影響到各種礦物質(zhì)的溶解度，必然導致礦物質(zhì)從水中析出產(chǎn)生沉結(jié)垢。而分離出來的腐蝕性很強的氣體、離子或雜質(zhì)，使電廠設備發(fā)生腐蝕問題，直接影響設備的使用壽命，甚至造成事故，針對地熱電站中腐蝕結(jié)垢問題頻發(fā)的設備進行維護已成當務之急。

1 地熱電站結(jié)垢類型及危害[1-3]

地熱電站通常包括：主發(fā)電系統(tǒng)、井口汽水分離系統(tǒng)、熱交換器系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、冷熱回灌系統(tǒng)、化學品注入系統(tǒng)、自動控制和通訊系統(tǒng)、升壓站和廠用電系統(tǒng)等。

地熱電站中結(jié)垢主要類型主要為鈣垢、硅垢、金屬氧化垢及地熱流體中含有的微細顆粒物、污泥及微生物、硫化物等。其中鈣垢主要與壓力有關，通常發(fā)生在井筒內(nèi)壓力降低而導致的閃蒸點附近，閃蒸使得大量二氧化碳析出，鹵水酸性降低，碳酸鈣過飽和而形成鈣垢析出。地下熱儲中的高溫水與地殼中的SiO2等達到動態(tài)平衡，由于SiO2在水中的飽和溶解度隨溫度升高而增大。地熱鹵水在井筒內(nèi)上升流動過程中，由于溫度降低以及閃蒸造成的蒸發(fā)濃縮效應，使得SiO2達到過飽和狀態(tài)。SiO2以多種形式存在，其中以石英形式存在的SiO2飽和溶解度最小，無定形SiO2的飽和溶解度最大，由于不同形式的SiO2達到過飽和狀態(tài)后形成沉淀析出所需要的時間不同，因此通常在地熱電站的各個設備包括井筒、管道、機組及凝汽器、回注井中都有可能產(chǎn)生硅垢。無定形SiO2的飽和溶解度最大，其一旦達到過飽和狀態(tài)便迅速形成難以清除的沉淀，是地熱電站硅垢問題產(chǎn)生的關鍵。對于其他形式的SiO2，由于其達到過飽和狀態(tài)后需要幾個小時甚至幾天才能析出形成沉淀，因此，考慮到滯留時間，通常在其析出形成沉淀之前便被沖出機組，地熱電站硅垢的防治主要在于防止無定形SiO2的析出結(jié)垢。

此外，地熱蒸汽中攜帶H2S，對于H2S氣體，在干燥大氣條件下，通常被氧化成SO2，并且大氣氣溶膠條件下的H2S被氧化成SO2速度非常緩慢；在濕潤條件及溶液中，H2S被氧化成單質(zhì)硫沉淀。

最后地熱電站系統(tǒng)中隨著金屬管路中鐵的氧化物的含量增加和局部熱負荷提高的關系，會造成金屬管路、分離器等設備產(chǎn)生鐵銹既金屬氧化垢形成，另外水中的微生物等還會生成生物污泥。金屬氧化垢、生物污泥、顆粒物等長期積沉、粘連在傳輸管路中，如不定期維護清理，嚴重時將堵塞管路，影響電站正常運行。

隨著各個系統(tǒng)中工作介質(zhì)的壓力和溫度變化，系統(tǒng)中不同設備中伴隨不同的垢產(chǎn)生，地熱電站主要系統(tǒng)結(jié)垢情況如下（結(jié)垢類型及常見位置見圖1）：

（1）主發(fā)電系統(tǒng)，包括汽輪機、發(fā)電機及冷凝器及蒸汽排放設備等。其中汽輪機通常遇到的主要問題是葉片、流量控制閥和定子噴嘴的結(jié)垢，主要是進入汽輪機組的蒸汽攜帶的液滴形成硅垢，結(jié)垢會使足量的蒸汽無法按設計進入汽輪機，從而導致發(fā)電能力大幅下降。從一定意義上講，進入汽輪機組的蒸汽干度越高，SiO2的攜帶量越少，產(chǎn)生硅垢的可能性越小，由此可見井口汽水分離系統(tǒng)的重要性，因此提高汽輪機組前段液氣分離器的分離效率和正確的操作維保，減少SiO2的攜帶量對汽輪機的運作起到至關重要的作用。

隨著結(jié)垢的積累，汽輪機的流量控制閥和定子噴嘴之間的蒸汽壓力逐漸升高，該處的結(jié)垢狀況較易發(fā)現(xiàn)。因此在電站設計時，通過對閃蒸罐及液氣分離器的合理設計，再配合高效除霧器的使用可有效的降低主發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)垢風險。

（2）熱交換器系統(tǒng)，該裝置主要在中低溫的地熱發(fā)電中使用，一般應用于雙工質(zhì)發(fā)電工藝或者在地熱資源整體利用的混合發(fā)電工藝中，通常采用板式換熱器或管殼式熱交換器。如在低溫雙工質(zhì)發(fā)電工藝中，熱交換器常被用作地熱流體和工作介質(zhì)進行熱交換的場所，因此熱交換器結(jié)垢現(xiàn)場是非常普遍的，需要進行定期清理和化學處理。

（3）循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，包括冷卻水泵、冷凝泵、冷卻水循環(huán)設備、冷卻塔及管路等。由于大多數(shù)高溫地熱資源多分布在遠離淡水資源的偏遠地區(qū)，如非洲的肯尼亞地區(qū)，這類地熱電站的冷凝器的冷凝方式多采用空氣式冷卻塔和強制通風的方法進行冷卻，而像冰島、印尼、新西蘭等國家由于擁有較好的淡水和海水資源，通常采用水冷式冷卻工藝。為了避免硅垢的結(jié)構(gòu)和腐蝕，多通過添加化學藥劑調(diào)節(jié)pH值來抑制系統(tǒng)中垢的生成。

（4）冷熱回灌系統(tǒng)，包括儲液池、回注泵、回注管路、控制系統(tǒng)等。由于地熱鹵水中含有大量的SiO2、Cl-、SO42-、F-、CO2、Na+、K+、Ca2+等物質(zhì)，直接排放有可能對人類和周邊生態(tài)環(huán)境造成危害，如不進行處理直接回注，由于結(jié)垢嚴重，會造成回注管線、回注井及周圍地層發(fā)生結(jié)垢堵塞，通常在冷熱回灌系統(tǒng)中增加一套化學品注入系統(tǒng)，通過添加化學藥劑來調(diào)節(jié)pH值抑制垢的生成（見圖2）。

地熱電站的結(jié)垢會造成很多問題：

（1）生產(chǎn)井和回灌井中泥沙沉積、水中的有機物和無機鹽化學反應膠結(jié)成垢會造成含水層堵塞，造成金屬井管銹蝕結(jié)垢，嚴重造成管路堵塞，直接影響蒸汽品質(zhì)和產(chǎn)量。

（2）管路結(jié)垢嚴重影響地熱流體傳輸系統(tǒng)的效率，由于井筒產(chǎn)出和回注效率的下降，導致發(fā)電量的大幅度下降。

（3）汽輪機葉片、流量控制閥、定子噴嘴和熱交換器上的積垢會導致機器效率下降，更糟糕的是可能會導致發(fā)電機故障。

2 肯尼亞地熱電站的常用除垢方法[4-6]

肯尼亞是東非經(jīng)濟發(fā)展最具活力的國家之一，近幾年來電力需求量以年均6.4%的速度遞增。肯尼亞電力主要來源于三種能源：水力發(fā)電、火力發(fā)電和地熱發(fā)電。

肯尼亞的地熱資源十分豐富，位于四大環(huán)球性的地熱帶中的紅海-亞丁灣-東非裂谷地熱帶，多為平均海拔1000米左右的熔巖高原，位于東非大裂谷縱貫南北，是世界上三大斷裂帶之一，沿著斷層帶的地殼較薄，熱質(zhì)接近地表。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，這些因素使肯尼亞擁有豐富的地熱資源。

肯尼亞擁有14個高溫地熱區(qū)，地熱發(fā)電潛力估計為10000MW，全國現(xiàn)有地熱總裝機功率約670MW，約占全國發(fā)電量的50%，屬于基本負荷。目前肯尼亞的地熱電站主要集中建在位于首都內(nèi)羅畢西北約125km 的Olkaria地熱田，該區(qū)域是目前肯尼亞政府唯一商業(yè)化發(fā)電利用的地熱田資源，發(fā)電模式分為采用單級閃蒸凝氣式汽輪發(fā)電機組和采用雙工質(zhì)空冷式發(fā)電機組的發(fā)電工藝。

肯尼亞地熱電站常見的除垢方法分為物理和化學兩大類：

（1）物理除垢法：對于軟、硬性質(zhì)不同的垢，采用不用的方法處理：

對于相對軟的垢，采用高壓水噴射器噴射的機械方法去除。高壓水噴射除垢是利用柱塞泵產(chǎn)生的高壓水經(jīng)過特殊噴嘴噴向垢層，具有除垢徹底，效率高的特點。但裝機容量大，耗水多，用水回收處理等問題，因此該方法使用條件有限，對管路封閉系統(tǒng)不適用。在肯尼亞地熱電站中主要采用該方式對汽輪機的第一級噴嘴上的積垢進行清除。

對于相對硬的垢，利用水流壓力推動清管工具通過管路刮除積垢，或者用循環(huán)刮刀推入管子并來回運動刮除積垢。這類移動式除垢機具效率較高，質(zhì)量好，主要應用與可以打開的管道內(nèi)的除垢。

（2）化學藥劑沖洗法：根據(jù)垢層的化學成分，選用合適的化學藥劑進行溶解，對現(xiàn)有生成的垢進行清除。該方法在管道上廣泛應用，但化學除垢工藝復雜，化學費用比較高，污染環(huán)境，主要適合于小口徑的輔助管線。

（3）化學藥劑調(diào)節(jié)法：通過酸化PH值法抑制管線中的地熱水結(jié)垢沉降，防止垢的進一步生產(chǎn)，主要目的是阻垢。在較低的pH值下，膠體物質(zhì)形成速率降低，地熱水中的硅酸聚合過程會被抑制，從而緩解無定形和金屬基硅酸鹽垢的生成。當pH值控制到4.5～5.0時，聚合反應逐漸停止，既可起到阻止二氧化硅聚合結(jié)垢，又可確保對管路系統(tǒng)腐蝕問題控制在可接受范圍。

3 總結(jié)

本文對地熱電站整個系統(tǒng)的結(jié)垢問題進行了分析，識別了地熱電站結(jié)垢的重點部位和結(jié)垢的特性，以肯尼亞Olkaria地區(qū)地熱電站為例給出了相應的處理措施，為地熱電站運行中除垢工作提供了一定的指導依據(jù)。

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