肯尼亚地热电站结垢问题的日常维护

蔡正敏　李刚　李源　李建申

【摘 要】随着地热资源的广泛开发利用，地热电站在世界地热资源丰富的国家大规模修建，其电力输出逐渐成为和火电和煤电一样的基本负荷。本文对地热电站的各系统及主要设备进行介绍，并对运行过程中的结垢问题进行了分析，并结合肯尼亚地热电站运行过程中的结垢情况给出了几种除垢方法，为提高电站的运行时间、保证地热电站的稳定输出及运行提供了维护方案。

【关键词】地热电站；结垢

中图分类号： X322；X773 文献标识码： A 文章编号： 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

地热能作为可再生能源的一种，与太阳能、风能等可再生能源相比，具有资源储量巨大、能量品位高以及可利用系数大等优点。由于地热资源的稳定性，不随季节或时间的变化发生波动，具有相对较高的稳定性，在很多国家地热电站产生的电力被作为电网的基本负荷，因此保障电站的稳定持续运行是十分重要的。

地热电站的工作介质是从地热井中喷射出的热流体（蒸汽、热水及其混合物），热流体中的蒸汽进入汽轮机组，推动汽轮机组发电。热流体中的地热蒸汽和地热卤水中通常溶解有多种成分的矿物质，其中含量较高的有SiO2、Cl-、SO42-、F-、CO2、Na+、K+、Ca2+。在抽到地面做功的过程中，随着电站热力系统中工作介质的压力和温度发生极大的变化，影响到各种矿物质的溶解度，必然导致矿物质从水中析出产生沉结垢。而分离出来的腐蚀性很强的气体、离子或杂质，使电厂设备发生腐蚀问题，直接影响设备的使用寿命，甚至造成事故，针对地热电站中腐蚀结垢问题频发的设备进行维护已成当务之急。

1 地热电站结垢类型及危害[1-3]

地热电站通常包括：主发电系统、井口汽水分离系统、热交换器系统、循环水冷却系统、冷热回灌系统、化学品注入系统、自动控制和通讯系统、升压站和厂用电系统等。

地热电站中结垢主要类型主要为钙垢、硅垢、金属氧化垢及地热流体中含有的微细颗粒物、污泥及微生物、硫化物等。其中钙垢主要与压力有关，通常发生在井筒内压力降低而导致的闪蒸点附近，闪蒸使得大量二氧化碳析出，卤水酸性降低，碳酸钙过饱和而形成钙垢析出。地下热储中的高温水与地壳中的SiO2等达到动态平衡，由于SiO2在水中的饱和溶解度随温度升高而增大。地热卤水在井筒内上升流动过程中，由于温度降低以及闪蒸造成的蒸发浓缩效应，使得SiO2达到过饱和状态。SiO2以多种形式存在，其中以石英形式存在的SiO2饱和溶解度最小，无定形SiO2的饱和溶解度最大，由于不同形式的SiO2达到过饱和状态后形成沉淀析出所需要的时间不同，因此通常在地热电站的各个设备包括井筒、管道、机组及凝汽器、回注井中都有可能产生硅垢。无定形SiO2的饱和溶解度最大，其一旦达到过饱和状态便迅速形成难以清除的沉淀，是地热电站硅垢问题产生的关键。对于其他形式的SiO2，由于其达到过饱和状态后需要几个小时甚至几天才能析出形成沉淀，因此，考虑到滞留时间，通常在其析出形成沉淀之前便被冲出机组，地热电站硅垢的防治主要在于防止无定形SiO2的析出结垢。

此外，地热蒸汽中携带H2S，对于H2S气体，在干燥大气条件下，通常被氧化成SO2，并且大气气溶胶条件下的H2S被氧化成SO2速度非常缓慢；在湿润条件及溶液中，H2S被氧化成单质硫沉淀。

最后地热电站系统中随着金属管路中铁的氧化物的含量增加和局部热负荷提高的关系，会造成金属管路、分离器等设备产生铁锈既金属氧化垢形成，另外水中的微生物等还会生成生物污泥。金属氧化垢、生物污泥、颗粒物等长期积沉、粘连在传输管路中，如不定期维护清理，严重时将堵塞管路，影响电站正常运行。

随着各个系统中工作介质的压力和温度变化，系统中不同设备中伴随不同的垢产生，地热电站主要系统结垢情况如下（结垢类型及常见位置见图1）：

（1）主发电系统，包括汽轮机、发電机及冷凝器及蒸汽排放设备等。其中汽轮机通常遇到的主要问题是叶片、流量控制阀和定子喷嘴的结垢，主要是进入汽轮机组的蒸汽携带的液滴形成硅垢，结垢会使足量的蒸汽无法按设计进入汽轮机，从而导致发电能力大幅下降。从一定意义上讲，进入汽轮机组的蒸汽干度越高，SiO2的携带量越少，产生硅垢的可能性越小，由此可见井口汽水分离系统的重要性，因此提高汽轮机组前段液气分离器的分离效率和正确的操作维保，减少SiO2的携带量对汽轮机的运作起到至关重要的作用。

随着结垢的积累，汽轮机的流量控制阀和定子喷嘴之间的蒸汽压力逐渐升高，该处的结垢状况较易发现。因此在电站设计时，通过对闪蒸罐及液气分离器的合理设计，再配合高效除雾器的使用可有效的降低主发电系统的结垢风险。

（2）热交换器系统，该装置主要在中低温的地热发电中使用，一般应用于双工质发电工艺或者在地热资源整体利用的混合发电工艺中，通常采用板式换热器或管壳式热交换器。如在低温双工质发电工艺中，热交换器常被用作地热流体和工作介质进行热交换的场所，因此热交换器结垢现场是非常普遍的，需要进行定期清理和化学处理。

（3）循环水冷却系统，包括冷却水泵、冷凝泵、冷却水循环设备、冷却塔及管路等。由于大多数高温地热资源多分布在远离淡水资源的偏远地区，如非洲的肯尼亚地区，这类地热电站的冷凝器的冷凝方式多采用空气式冷却塔和强制通风的方法进行冷却，而像冰岛、印尼、新西兰等国家由于拥有较好的淡水和海水资源，通常采用水冷式冷却工艺。为了避免硅垢的结构和腐蚀，多通过添加化学药剂调节pH值来抑制系统中垢的生成。

（4）冷热回灌系统，包括储液池、回注泵、回注管路、控制系统等。由于地热卤水中含有大量的SiO2、Cl-、SO42-、F-、CO2、Na+、K+、Ca2+等物质，直接排放有可能对人类和周边生态环境造成危害，如不进行处理直接回注，由于结垢严重，会造成回注管线、回注井及周围地层发生结垢堵塞，通常在冷热回灌系统中增加一套化学品注入系统，通過添加化学药剂来调节pH值抑制垢的生成（见图2）。

地热电站的结垢会造成很多问题：

（1）生产井和回灌井中泥沙沉积、水中的有机物和无机盐化学反应胶结成垢会造成含水层堵塞，造成金属井管锈蚀结垢，严重造成管路堵塞，直接影响蒸汽品质和产量。

（2）管路结垢严重影响地热流体传输系统的效率，由于井筒产出和回注效率的下降，导致发电量的大幅度下降。

（3）汽轮机叶片、流量控制阀、定子喷嘴和热交换器上的积垢会导致机器效率下降，更糟糕的是可能会导致发电机故障。

2 肯尼亚地热电站的常用除垢方法[4-6]

肯尼亚是东非经济发展最具活力的国家之一，近几年来电力需求量以年均6.4%的速度递增。肯尼亚电力主要来源于三种能源：水力发电、火力发电和地热发电。

肯尼亚的地热资源十分丰富，位于四大环球性的地热带中的红海-亚丁湾-东非裂谷地热带，多为平均海拔1000米左右的熔岩高原，位于东非大裂谷纵贯南北，是世界上三大断裂带之一，沿着断层带的地壳较薄，热质接近地表。在地震引起的地壳弯曲条件下形成了受地幔岩浆加热的地下热水和蒸汽储层，这些因素使肯尼亚拥有丰富的地热资源。

肯尼亚拥有14个高温地热区，地热发电潜力估计为10000MW，全国现有地热总装机功率约670MW，约占全国发电量的50%，属于基本负荷。目前肯尼亚的地热电站主要集中建在位于首都内罗毕西北约125km 的Olkaria地热田，该区域是目前肯尼亚政府唯一商业化发电利用的地热田资源，发电模式分为采用单级闪蒸凝气式汽轮发电机组和采用双工质空冷式发电机组的发电工艺。

肯尼亚地热电站常见的除垢方法分为物理和化学两大类：

（1）物理除垢法：对于软、硬性质不同的垢，采用不用的方法处理：

对于相对软的垢，采用高压水喷射器喷射的机械方法去除。高压水喷射除垢是利用柱塞泵产生的高压水经过特殊喷嘴喷向垢层，具有除垢彻底，效率高的特点。但装机容量大，耗水多，用水回收处理等问题，因此该方法使用条件有限，对管路封闭系统不适用。在肯尼亚地热电站中主要采用该方式对汽轮机的第一级喷嘴上的积垢进行清除。

对于相对硬的垢，利用水流压力推动清管工具通过管路刮除积垢，或者用循环刮刀推入管子并来回运动刮除积垢。这类移动式除垢机具效率较高，质量好，主要应用与可以打开的管道内的除垢。

（2）化学药剂冲洗法：根据垢层的化学成分，选用合适的化学药剂进行溶解，对现有生成的垢进行清除。该方法在管道上广泛应用，但化学除垢工艺复杂，化学费用比较高，污染环境，主要适合于小口径的辅助管线。

（3）化学药剂调节法：通过酸化PH值法抑制管线中的地热水结垢沉降，防止垢的进一步生产，主要目的是阻垢。在较低的pH值下，胶体物质形成速率降低，地热水中的硅酸聚合过程会被抑制，从而缓解无定形和金属基硅酸盐垢的生成。当pH值控制到4.5～5.0时，聚合反应逐渐停止，既可起到阻止二氧化硅聚合结垢，又可确保对管路系统腐蚀问题控制在可接受范围。

3 总结

本文对地热电站整个系统的结垢问题进行了分析，识别了地热电站结垢的重点部位和结垢的特性，以肯尼亚Olkaria地区地热电站为例给出了相应的处理措施，为地热电站运行中除垢工作提供了一定的指导依据。

【参考文献】

[1]蔡正敏等.肯尼亚Olkaria地热资源的井口地热电站热力系统的结垢分析.电力与能源进展.2015，3（1）：27-32.

[2]蔡正敏等.地热电站表面式和混合式凝汽器的比较分析.煤气与热力.2015，35（2）：40-42.

[3]（美）迪皮珀.地热发电厂.北京：中国石化出版社，2016.

[4]蔡正敏等.浅谈分布式井口地热电站在肯尼亚Olkaria地区的应用.可持续性能源.2014，4：57-62.

[5]王兵等.管道结垢原因分析及常用除垢方法.油气储运.2008，27（2）：59-61.

[6]王延欣等.甘孜地热井结垢分析及防垢对策.新能源进展.2015.6（3）：202-206.