增强型地热发电系统耐磨蚀高温潜水电泵研究

张成华 蒋文军

摘要：对于增强型地热发电系统，井下泵是整个热力循环过程中最为重要的动力设备，担负着将高温高压工质抽出生产井和将冷却后的工质回灌到注入井的职责，要求该泵在高温环境中能可靠地运送含沙石卤水。现从高效水力模型、泵内耐磨损、泵内耐腐蚀防结垢、耐高温电机等几个方面论述了增强型地热发电系统耐磨蚀高温潜水电泵的关键技术，设计了一种用于EGS地热发电的潜水电泵样机，该产品的研发具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。

关键词：增强型地热发电系统;潜水电泵;高温电机;耐磨蚀;新能源

0    引言

如今能源危机日益严重，传统石油煤炭资源日益枯竭且环保问题形势严峻，因此，在开发太阳能、风能、核能、海洋能等新能源的同时，人们把目光瞄向了庞大的地热资源，例如目前国际新能源开发前沿方向——干热岩发电技术。干热岩地热资源和其他形式的可再生资源相比，具有资源量巨大、地理分布广、零污染排放、不受外部环境影响、安全性高、资源利用率高等诸多优势。采用增强型地热发电系统（Enhanced Geothermal System，EGS）技术开发干热岩的热力资源已受到发达国家的高度关注。EGS地热发电具有比太阳能发电更低的成本，且资源存储量巨大，地理分布广泛，同时热源不受外部环境影响，发电持续性好，发电系统简单安全，维护费用低。

对于EGS系统，井下泵是整个热力循环过程中最为重要的动力设备，担负着将高温高压工质抽出生产井和将冷却后的工质回灌到注入井的职责。井下泵，特别是安放在生产井中的泵，长期处于高温高压的工作环境，而EGS循环工质是具有强烈磨损和腐蚀作用的含沙石卤水。一旦井下泵不能正常工作，将会导致循环工质断流，系统停止工作，严重时可能引发工质泄漏，污染环境、发生爆炸。同时，作为中低温发电系统，泵的效率也对EGS的经济性有重要影响，低效率的泵会导致系统能耗增加，大大提高系统的运营成本。因此，井下泵在设计、材料、工艺、可靠性等方面都存在一系列的技术难题。研发高效、高可靠性的高温井下泵是我国地热发电事业发展的重要一环，同时也给我国泵行业在这一领域赶超国际水平、抢占技术制高点提供了一个巨大的商机。

当前，国际上能制造专门用于EGS地热发电的泵的供应商还很少，大部分井下泵是采用长轴泵。但是鉴于长轴泵在实际工作中出现的问题，未来的EGS项目都将尝试采用潜水电泵来替代[1-4]。

1    关键技术研究

满足EGS系统要求的泵主要特点可概括为：泵自带耐高温电机，避免了从地表通过长轴传递动力;泵的水力部件具有较高的耐磨耐蚀性能，具有更长的工作寿命;具有先進的检测控制系统，能保证泵组高效可靠地运行。围绕这些核心要求，基于公司多年积累的潜水电泵研究基础，重点做了以下研究：

1.1    高效水力模型研究

井下潜水电泵需要24 h运行输送地热发电系统的循环工质，因此，潜水电泵的能耗直接影响到发电系统的成本。首先根据运行EGS系统所需要的工质流量和扬程，采用理论设计方法确定潜水电泵的泵型。然后采用计算流体动力学（CFD）模拟工质在泵水力部件内的流动特性，研究CFD中不同湍流模型和算法的适用性，模拟潜水电泵在各个工况下的内部定常和非定常流动，分析泵效率、泵内流速、压力、湍动能、雷诺应力的时空分布规律以及叶轮和导叶之间的动静干涉的影响;结合数值模拟和试验，重点研究主要几何参数（比如叶轮直径、进口宽度、出口宽度、叶轮叶片安放角和导叶安放角等）对其高效运行区域、内部流场以及性能曲线的影响。基于以上研究结果，建立潜水电泵内部结构和水力损失的关联性，提出潜水电泵多工况下水力设计和优化方法。

1.2    泵内耐磨损研究

EGS技术在人工建立热储层时采用水力压裂的方式建立和扩大干热岩中的裂隙，必然会产生大量的岩石颗粒。虽然潜水电泵在进口设置了过滤装置，但是从目前的示范性工程来看，生产井中抽出的工质中含有大量硬度很大的岩石颗粒。叶轮的高速旋转会加快泵内介质的流动速度，使介质中的固体颗粒不断冲击和刮擦泵体金属表面。我们采用数值模拟和试验研究相结合的方法，研究在各个工况下，不同大小的固体颗粒对泵叶轮、导叶和盖板的磨损情况;研究增加水力部件耐磨性的可行性方案，比如适当减小叶轮转速，增加叶片特定部位的厚度，采用表面涂层或激光强化技术;同时需要综合考虑几何尺寸的改变对泵水力性能的影响。

1.3    泵内耐腐蚀防结垢研究

井下循环工质中富含大量化学物质，工质对泵的水力部件腐蚀严重，并且部件表面存在大量结垢，造成水力部件变形，严重影响泵的水力性能，甚至会导致部件表面发生穿孔现象。本课题以几种常用金属材料为研究对象，模拟井下卤水的化学成分，对这些金属在不同温度和压力下的腐蚀性做系统的试验研究。同时，研究在不同工况下金属表面结垢机理，通过扫描电镜/能谱仪鉴别结垢物质的属性，建立几种金属腐蚀与结垢之间的关联性，研究金属腐蚀结垢现象与周围卤水水力现象的关系，结合泵水力部分CFD和试验结果，揭示水力特性对壁面金属腐蚀性能的影响，建立完整的腐蚀热力学和腐蚀动力学之间的关系。

1.4    耐高温电机研究

目前，限制潜水电泵在EGS系统中应用的一个重要因素是工作电机的温度极限。地下工质的温度超过125 ℃或抽取的工质流量不足都会导致电机内部温升过大，长时间工作后线圈绝缘层会烧坏造成短路，使电机停止工作。本研究将首先建立电机的数值模型，采用热阻网络模型，将电机内部温度分布通过一定数目的离散的温度节点来表示;并研究各个工况下外部环境的边界条件和电机各部件参数对电机整体传热效率的影响，掌握电机在不同负载下散热机理，找到电机高温区域，采用遗传算法进行参数优化设计并得到最优设计方案，根据模拟优化方案，制作模型电机，在高温试验台上进行试验测试，测量新设计的电机在不同温度和不同流量工况下的冷却效果，建立电机负载、工质参数与电机内部温升之间的关系。

2    本研究重点解决的关键技术问题

（1）解决潜水电泵水力部件易腐易蚀问题，系统地考虑泵的水力效率与耐磨耐蚀之间的优化设计，验证增加水力部件耐磨耐蚀性的材料和加工工艺。

（2）优化潜水电泵内部电机散热性能，建立电机内部温度与外部环境和泵负载之间的关联性，保证电机安全工作。

（3）重点分析泵内轴承和密封装置的机械和热应力应变，提高泵的可靠性。

（4）设计能在高温强腐蚀环境下使用的电缆，综合考虑压降、绝缘、保护套和接口设计。

（5）确立整机的设计、选材和制造加工工艺，建立样机生产的工艺流程。

3    样机简介

基于以上研究成果，兼顾可能的实际应用场景和研发制造成本，设计制造了一种耐高温、耐腐蚀、防砂、能安全使用的用于EGS地热发电的潜水电泵样机（图1）。产品采用了优化的水力模型，对整体结构进行了改进布置，采用了新一代潜水型高效永磁变频电机，内置了多重自动控制保护传感器，过流部位采用了耐磨耐腐蚀性能好的双相不锈钢材质（图2），确保了整机达到EGS系统需求。其主要技术指标如下：流量90 m3/h;工作流量区间50%～120%;单级扬程15 m;电机功率15 kW;泵效率70%;转速n=2 900 r/min;工作温度125 ℃;工作介质为含砂石卤水。

设计中首先确定泵体、轴承系统、叶轮、导叶的材料和表面处理技术，确定轴承类型和安装位置;再设计泵和电机中间的密封装置，需要根据设计目的、井下工况和加工条件确定合适的密封装置设计;然后是高温电机的制作和安装;最后是设计安装监控传感器，以检测泵进出口的温度、压力、振动以及电机线圈温度等。

4    结语

井下潜水电泵是EGS地热发电系统中核心的动力设备，是将井下工作介质上抽，提高井内工质流量的主要部件，直接影响到EGS系统的发电效率和可靠性。前瞻性地研发出可用于此类极端工况的井下高温耐磨蚀潜水电泵，可为目前全球方兴未艾的EGS发电系统建设提供关键环节的保障，因而具有巨大的经济价值和广阔的市场前景。

[参考文献]

[1] 庞忠和.世界地热能发展概况[J].地热能，2009（5）：15-25.

[2] 许天福，张延军，曾昭发，等.增强型地热系统（干热岩）开发技术进展[J].科技导报，2012，30（32）：42-45.

[3] 蘇正，吴能友，曾玉超，等.增强型地热系统研究开发：以美国新墨西哥州芬登山为例[J].地球物理学进展，2012，27（2）：771-779.

[4] 张建英.增强型地热系统（EGS）资源开发利用研究[J].中国能源，2011，33（1）：29-32.

收稿日期：2019-12-25

作者简介：张成华（1976—），男，江苏泰兴人，高级工程师，主要从事潜水电泵及环保设备研制工作。