增強型地熱發電系統耐磨蝕高溫潛水電泵研究

張成華 蔣文軍

摘要：對于增強型地熱發電系統，井下泵是整個熱力循環過程中最為重要的動力設備，擔負著將高溫高壓工質抽出生產井和將冷卻后的工質回灌到注入井的職責，要求該泵在高溫環境中能可靠地運送含沙石鹵水。現從高效水力模型、泵內耐磨損、泵內耐腐蝕防結垢、耐高溫電機等幾個方面論述了增強型地熱發電系統耐磨蝕高溫潛水電泵的關鍵技術，設計了一種用于EGS地熱發電的潛水電泵樣機，該產品的研發具有廣闊的應用前景和巨大的經濟價值。

關鍵詞：增強型地熱發電系統;潛水電泵;高溫電機;耐磨蝕;新能源

0? ? 引言

如今能源危機日益嚴重，傳統石油煤炭資源日益枯竭且環保問題形勢嚴峻，因此，在開發太陽能、風能、核能、海洋能等新能源的同時，人們把目光瞄向了龐大的地熱資源，例如目前國際新能源開發前沿方向——干熱巖發電技術。干熱巖地熱資源和其他形式的可再生資源相比，具有資源量巨大、地理分布廣、零污染排放、不受外部環境影響、安全性高、資源利用率高等諸多優勢。采用增強型地熱發電系統（Enhanced Geothermal System，EGS）技術開發干熱巖的熱力資源已受到發達國家的高度關注。EGS地熱發電具有比太陽能發電更低的成本，且資源存儲量巨大，地理分布廣泛，同時熱源不受外部環境影響，發電持續性好，發電系統簡單安全，維護費用低。

對于EGS系統，井下泵是整個熱力循環過程中最為重要的動力設備，擔負著將高溫高壓工質抽出生產井和將冷卻后的工質回灌到注入井的職責。井下泵，特別是安放在生產井中的泵，長期處于高溫高壓的工作環境，而EGS循環工質是具有強烈磨損和腐蝕作用的含沙石鹵水。一旦井下泵不能正常工作，將會導致循環工質斷流，系統停止工作，嚴重時可能引發工質泄漏，污染環境、發生爆炸。同時，作為中低溫發電系統，泵的效率也對EGS的經濟性有重要影響，低效率的泵會導致系統能耗增加，大大提高系統的運營成本。因此，井下泵在設計、材料、工藝、可靠性等方面都存在一系列的技術難題。研發高效、高可靠性的高溫井下泵是我國地熱發電事業發展的重要一環，同時也給我國泵行業在這一領域趕超國際水平、搶占技術制高點提供了一個巨大的商機。

當前，國際上能制造專門用于EGS地熱發電的泵的供應商還很少，大部分井下泵是采用長軸泵。但是鑒于長軸泵在實際工作中出現的問題，未來的EGS項目都將嘗試采用潛水電泵來替代[1-4]。

1? ? 關鍵技術研究

滿足EGS系統要求的泵主要特點可概括為：泵自帶耐高溫電機，避免了從地表通過長軸傳遞動力;泵的水力部件具有較高的耐磨耐蝕性能，具有更長的工作壽命;具有先進的檢測控制系統，能保證泵組高效可靠地運行。圍繞這些核心要求，基于公司多年積累的潛水電泵研究基礎，重點做了以下研究：

1.1? ? 高效水力模型研究

井下潛水電泵需要24 h運行輸送地熱發電系統的循環工質，因此，潛水電泵的能耗直接影響到發電系統的成本。首先根據運行EGS系統所需要的工質流量和揚程，采用理論設計方法確定潛水電泵的泵型。然后采用計算流體動力學（CFD）模擬工質在泵水力部件內的流動特性，研究CFD中不同湍流模型和算法的適用性，模擬潛水電泵在各個工況下的內部定常和非定常流動，分析泵效率、泵內流速、壓力、湍動能、雷諾應力的時空分布規律以及葉輪和導葉之間的動靜干涉的影響;結合數值模擬和試驗，重點研究主要幾何參數（比如葉輪直徑、進口寬度、出口寬度、葉輪葉片安放角和導葉安放角等）對其高效運行區域、內部流場以及性能曲線的影響。基于以上研究結果，建立潛水電泵內部結構和水力損失的關聯性，提出潛水電泵多工況下水力設計和優化方法。

1.2? ? 泵內耐磨損研究

EGS技術在人工建立熱儲層時采用水力壓裂的方式建立和擴大干熱巖中的裂隙，必然會產生大量的巖石顆粒。雖然潛水電泵在進口設置了過濾裝置，但是從目前的示范性工程來看，生產井中抽出的工質中含有大量硬度很大的巖石顆粒。葉輪的高速旋轉會加快泵內介質的流動速度，使介質中的固體顆粒不斷沖擊和刮擦泵體金屬表面。我們采用數值模擬和試驗研究相結合的方法，研究在各個工況下，不同大小的固體顆粒對泵葉輪、導葉和蓋板的磨損情況;研究增加水力部件耐磨性的可行性方案，比如適當減小葉輪轉速，增加葉片特定部位的厚度，采用表面涂層或激光強化技術;同時需要綜合考慮幾何尺寸的改變對泵水力性能的影響。

1.3? ? 泵內耐腐蝕防結垢研究

井下循環工質中富含大量化學物質，工質對泵的水力部件腐蝕嚴重，并且部件表面存在大量結垢，造成水力部件變形，嚴重影響泵的水力性能，甚至會導致部件表面發生穿孔現象。本課題以幾種常用金屬材料為研究對象，模擬井下鹵水的化學成分，對這些金屬在不同溫度和壓力下的腐蝕性做系統的試驗研究。同時，研究在不同工況下金屬表面結垢機理，通過掃描電鏡/能譜儀鑒別結垢物質的屬性，建立幾種金屬腐蝕與結垢之間的關聯性，研究金屬腐蝕結垢現象與周圍鹵水水力現象的關系，結合泵水力部分CFD和試驗結果，揭示水力特性對壁面金屬腐蝕性能的影響，建立完整的腐蝕熱力學和腐蝕動力學之間的關系。

1.4? ? 耐高溫電機研究

目前，限制潛水電泵在EGS系統中應用的一個重要因素是工作電機的溫度極限。地下工質的溫度超過125 ℃或抽取的工質流量不足都會導致電機內部溫升過大，長時間工作后線圈絕緣層會燒壞造成短路，使電機停止工作。本研究將首先建立電機的數值模型，采用熱阻網絡模型，將電機內部溫度分布通過一定數目的離散的溫度節點來表示;并研究各個工況下外部環境的邊界條件和電機各部件參數對電機整體傳熱效率的影響，掌握電機在不同負載下散熱機理，找到電機高溫區域，采用遺傳算法進行參數優化設計并得到最優設計方案，根據模擬優化方案，制作模型電機，在高溫試驗臺上進行試驗測試，測量新設計的電機在不同溫度和不同流量工況下的冷卻效果，建立電機負載、工質參數與電機內部溫升之間的關系。

2? ? 本研究重點解決的關鍵技術問題

（1）解決潛水電泵水力部件易腐易蝕問題，系統地考慮泵的水力效率與耐磨耐蝕之間的優化設計，驗證增加水力部件耐磨耐蝕性的材料和加工工藝。

（2）優化潛水電泵內部電機散熱性能，建立電機內部溫度與外部環境和泵負載之間的關聯性，保證電機安全工作。

（3）重點分析泵內軸承和密封裝置的機械和熱應力應變，提高泵的可靠性。

（4）設計能在高溫強腐蝕環境下使用的電纜，綜合考慮壓降、絕緣、保護套和接口設計。

（5）確立整機的設計、選材和制造加工工藝，建立樣機生產的工藝流程。

3? ? 樣機簡介

基于以上研究成果，兼顧可能的實際應用場景和研發制造成本，設計制造了一種耐高溫、耐腐蝕、防砂、能安全使用的用于EGS地熱發電的潛水電泵樣機（圖1）。產品采用了優化的水力模型，對整體結構進行了改進布置，采用了新一代潛水型高效永磁變頻電機，內置了多重自動控制保護傳感器，過流部位采用了耐磨耐腐蝕性能好的雙相不銹鋼材質（圖2），確保了整機達到EGS系統需求。其主要技術指標如下：流量90 m3/h;工作流量區間50%～120%;單級揚程15 m;電機功率15 kW;泵效率70%;轉速n=2 900 r/min;工作溫度125 ℃;工作介質為含砂石鹵水。

設計中首先確定泵體、軸承系統、葉輪、導葉的材料和表面處理技術，確定軸承類型和安裝位置;再設計泵和電機中間的密封裝置，需要根據設計目的、井下工況和加工條件確定合適的密封裝置設計;然后是高溫電機的制作和安裝;最后是設計安裝監控傳感器，以檢測泵進出口的溫度、壓力、振動以及電機線圈溫度等。

4? ? 結語

井下潛水電泵是EGS地熱發電系統中核心的動力設備，是將井下工作介質上抽，提高井內工質流量的主要部件，直接影響到EGS系統的發電效率和可靠性。前瞻性地研發出可用于此類極端工況的井下高溫耐磨蝕潛水電泵，可為目前全球方興未艾的EGS發電系統建設提供關鍵環節的保障，因而具有巨大的經濟價值和廣闊的市場前景。

[參考文獻]

[1] 龐忠和.世界地熱能發展概況[J].地熱能，2009（5）：15-25.

[2] 許天福，張延軍，曾昭發，等.增強型地熱系統（干熱巖）開發技術進展[J].科技導報，2012，30（32）：42-45.

[3] 蘇正，吳能友，曾玉超，等.增強型地熱系統研究開發：以美國新墨西哥州芬登山為例[J].地球物理學進展，2012，27（2）：771-779.

[4] 張建英.增強型地熱系統（EGS）資源開發利用研究[J].中國能源，2011，33（1）：29-32.

收稿日期：2019-12-25

作者簡介：張成華（1976—），男，江蘇泰興人，高級工程師，主要從事潛水電泵及環保設備研制工作。