增強型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)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?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，井下泵是整個熱力循環(huán)過程中最為重要的動力設(shè)備，擔(dān)負著將高溫高壓工質(zhì)抽出生產(chǎn)井和將冷卻后的工質(zhì)回灌到注入井的職責(zé)，要求該泵在高溫環(huán)境中能可靠地運送含沙石鹵水。現(xiàn)從高效水力模型、泵內(nèi)耐磨損、泵內(nèi)耐腐蝕防結(jié)垢、耐高溫電機等幾個方面論述了增強型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)耐磨蝕高溫潛水電泵的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種用于EGS地?zé)岚l(fā)電的潛水電泵樣機，該產(chǎn)品的研發(fā)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：增強型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng);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(tǒng)石油煤炭資源日益枯竭且環(huán)保問題形勢嚴峻，因此，在開發(fā)太陽能、風(fēng)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?zé)豳Y源，例如目前國際新能源開發(fā)前沿方向——干熱巖發(fā)電技術(shù)。干熱巖地?zé)豳Y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(huán)境影響、安全性高、資源利用率高等諸多優(yōu)勢。采用增強型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）技術(shù)開發(fā)干熱巖的熱力資源已受到發(fā)達國家的高度關(guān)注。EGS地?zé)岚l(fā)電具有比太陽能發(fā)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(huán)境影響，發(fā)電持續(xù)性好，發(fā)電系統(tǒng)簡單安全，維護費用低。

對于EGS系統(tǒng)，井下泵是整個熱力循環(huán)過程中最為重要的動力設(shè)備，擔(dān)負著將高溫高壓工質(zhì)抽出生產(chǎn)井和將冷卻后的工質(zhì)回灌到注入井的職責(zé)。井下泵，特別是安放在生產(chǎn)井中的泵，長期處于高溫高壓的工作環(huán)境，而EGS循環(huán)工質(zhì)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(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)斷流，系統(tǒng)停止工作，嚴重時可能引發(fā)工質(zhì)泄漏，污染環(huán)境、發(fā)生爆炸。同時，作為中低溫發(fā)電系統(tǒng)，泵的效率也對EGS的經(jīng)濟性有重要影響，低效率的泵會導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，大大提高系統(tǒng)的運營成本。因此，井下泵在設(shè)計、材料、工藝、可靠性等方面都存在一系列的技術(shù)難題。研發(fā)高效、高可靠性的高溫井下泵是我國地?zé)岚l(fā)電事業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)，同時也給我國泵行業(yè)在這一領(lǐng)域趕超國際水平、搶占技術(shù)制高點提供了一個巨大的商機。

當(dāng)前，國際上能制造專門用于EGS地?zé)岚l(fā)電的泵的供應(yīng)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(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)研究

滿足EGS系統(tǒng)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(tǒng)，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(chǔ)，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?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)，因此，潛水電泵的能耗直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的成本。首先根據(jù)運行EGS系統(tǒng)所需要的工質(zhì)流量和揚程，采用理論設(shè)計方法確定潛水電泵的泵型。然后采用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬工質(zhì)在泵水力部件內(nèi)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(nèi)部定常和非定常流動，分析泵效率、泵內(nèi)流速、壓力、湍動能、雷諾應(yīng)力的時空分布規(guī)律以及葉輪和導(dǎo)葉之間的動靜干涉的影響;結(jié)合數(shù)值模擬和試驗，重點研究主要幾何參數(shù)（比如葉輪直徑、進口寬度、出口寬度、葉輪葉片安放角和導(dǎo)葉安放角等）對其高效運行區(qū)域、內(nèi)部流場以及性能曲線的影響。基于以上研究結(jié)果，建立潛水電泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水力損失的關(guān)聯(lián)性，提出潛水電泵多工況下水力設(shè)計和優(yōu)化方法。

1.2? ? 泵內(nèi)耐磨損研究

EGS技術(shù)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(chǎn)生大量的巖石顆粒。雖然潛水電泵在進口設(shè)置了過濾裝置，但是從目前的示范性工程來看，生產(chǎn)井中抽出的工質(zhì)中含有大量硬度很大的巖石顆粒。葉輪的高速旋轉(zhuǎn)會加快泵內(nèi)介質(zhì)的流動速度，使介質(zhì)中的固體顆粒不斷沖擊和刮擦泵體金屬表面。我們采用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)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(dǎo)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(dāng)減小葉輪轉(zhuǎn)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(shù);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(nèi)耐腐蝕防結(jié)垢研究

井下循環(huán)工質(zhì)中富含大量化學(xué)物質(zhì)，工質(zhì)對泵的水力部件腐蝕嚴重，并且部件表面存在大量結(jié)垢，造成水力部件變形，嚴重影響泵的水力性能，甚至?xí)?dǎo)致部件表面發(fā)生穿孔現(xiàn)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(xué)成分，對這些金屬在不同溫度和壓力下的腐蝕性做系統(tǒng)的試驗研究。同時，研究在不同工況下金屬表面結(jié)垢機理，通過掃描電鏡/能譜儀鑒別結(jié)垢物質(zhì)的屬性，建立幾種金屬腐蝕與結(jié)垢之間的關(guān)聯(lián)性，研究金屬腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象與周圍鹵水水力現(xiàn)象的關(guān)系，結(jié)合泵水力部分CFD和試驗結(jié)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(xué)和腐蝕動力學(xué)之間的關(guān)系。

1.4? ? 耐高溫電機研究

目前，限制潛水電泵在EGS系統(tǒng)中應(yīng)用的一個重要因素是工作電機的溫度極限。地下工質(zhì)的溫度超過125 ℃或抽取的工質(zhì)流量不足都會導(dǎo)致電機內(nèi)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(shù)值模型，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，將電機內(nèi)部溫度分布通過一定數(shù)目的離散的溫度節(jié)點來表示;并研究各個工況下外部環(huán)境的邊界條件和電機各部件參數(shù)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(qū)域，采用遺傳算法進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計并得到最優(yōu)設(shè)計方案，根據(jù)模擬優(yōu)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(shè)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(zhì)參數(shù)與電機內(nèi)部溫升之間的關(guān)系。

2? ? 本研究重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

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

（2）優(yōu)化潛水電泵內(nèi)部電機散熱性能，建立電機內(nèi)部溫度與外部環(huán)境和泵負載之間的關(guān)聯(lián)性，保證電機安全工作。

（3）重點分析泵內(nèi)軸承和密封裝置的機械和熱應(yīng)力應(yīng)變，提高泵的可靠性。

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

（5）確立整機的設(shè)計、選材和制造加工工藝，建立樣機生產(chǎn)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(yīng)用場景和研發(fā)制造成本，設(shè)計制造了一種耐高溫、耐腐蝕、防砂、能安全使用的用于EGS地?zé)岚l(fā)電的潛水電泵樣機（圖1）。產(chǎn)品采用了優(yōu)化的水力模型，對整體結(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhì)（圖2），確保了整機達到EGS系統(tǒng)需求。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：流量90 m3/h;工作流量區(qū)間50%～120%;單級揚程15 m;電機功率15 kW;泵效率70%;轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min;工作溫度125 ℃;工作介質(zhì)為含砂石鹵水。

設(shè)計中首先確定泵體、軸承系統(tǒng)、葉輪、導(dǎo)葉的材料和表面處理技術(shù)，確定軸承類型和安裝位置;再設(shè)計泵和電機中間的密封裝置，需要根據(jù)設(shè)計目的、井下工況和加工條件確定合適的密封裝置設(shè)計;然后是高溫電機的制作和安裝;最后是設(shè)計安裝監(jiān)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(jié)語

井下潛水電泵是EGS地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中核心的動力設(shè)備，是將井下工作介質(zhì)上抽，提高井內(nèi)工質(zhì)流量的主要部件，直接影響到EGS系統(tǒng)的發(fā)電效率和可靠性。前瞻性地研發(fā)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(fā)電系統(tǒng)建設(shè)提供關(guān)鍵環(huán)節(jié)的保障，因而具有巨大的經(jīng)濟價值和廣闊的市場前景。

[參考文獻]

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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(huán)保設(shè)備研制工作。