ABSTRACT

This paper analyzed the scaling problems in geothermal power plants and summarized the main components of scaling. Based on the steam parameters at Olkaria in Kenya, the scaling problems in geothermal power plants have been elaborated in detail. This paper provided a theoretical basis for the design of geothermal power plants at Olkaria area in Kenya.

Keywords:Geothermal Power Plant, Geothermal Steam, Steam Parameter, Scaling

肯尼亚Olkaria地热资源的井口地热电站热力系统的结垢分析

蔡正敏¹，王玉旭²，郑申^1*，曾双¹，孙法胜¹，成伟¹

¹中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司，北京

²中国石油集团长城钻探工程有限公司生产协调处，北京

Email: ^*shen_zheng_gw@163.com

收稿日期：2015年2月1日；录用日期：2015年2月15日；发布日期：2015年2月26日

摘 要

本文对地热电站的热力系统的结垢问题进行了分析，总结了地热电站结垢的重点部位。文章对以肯尼亚Olkaria地区地热蒸汽参数为设计参数的地热电站中热力系统中的结垢问题进行了详细的论述，为该地区的地热电站的设计提供了理论依据。

关键词 :地热电站，地热蒸汽，蒸汽参数，结垢

1. 引言

地热电站的设计包括：热力系统、循环冷却水系统、井口汽水分离系统、冷热回灌系统；管线防腐与保温设计；升压及厂用电系统等。其中地热电站的热力系统设计是整个设计中一个重要环节，地热电站热力系统主要由地热蒸汽集输及放空系统、主蒸汽系统、循环冷却水系统、疏水系统、回灌水系统、轴封系统、抽真空系统、调节保安润滑油系统八大部分组成[1] 。

由于地热电站中的工作介质地热蒸汽和地热卤水中通常溶解有多种成分，其中含量较高的有SiO₂、Cl⁻、、F⁻、CO₂、Na⁺、K⁺、Ca²⁺。由于压力和温度的变化，其中的二氧化硅和溶解碳酸钙有可能在地热电站热力系统中的汽水分离器、放空和疏水管线、汽轮机前段、凝汽器及抽气管线、热回灌系统中产生结垢问题，会直接影响地热电站的正常运行[2] 。

2. 地热电站的热力系统

在地热电站设计中，地热井的井口压力高于汽轮机的额定工作压力，而且产出的蒸汽含有大量的卤水产生的蒸汽经过汽水分离器后，进入主蒸汽管道，因此在井口设置手动节流阀和自动调压阀，将地热流体压力调压然后进入汽水分离器，分离卤水和蒸汽。分离出的卤水通过回灌泵回灌至同一口热回灌井，分离出的蒸汽通过管线输送至汽机棚并汇合。

地热蒸汽管道的沿线设置经常疏水装置，以防止水击的发生。同时在调压阀后的管线上设置爆破片，防止管线超压。爆破片排汽口和汽水分离器蒸汽出口紧急放空旁路均接至放空系统，放空系统由放空管线和消声器组成。

3. 热力系统结垢情况分析

本文以肯尼亚奥卡瑞地热田完钻的某蒸汽井地热蒸汽设计的地热电站中的管线材料进行优选研究[3] 。对于该地热井的地下热储温度维持在308℃左右，井口蒸汽温度为160℃左右，压力在6 bar，干度在70%左右。

1) 从井口到汽轮机前段工况条件为：设计压力P = 1.6 MPa，工作温度t = 163.8 ℃ ，介质为地热蒸汽、不凝性气体、卤水的混合物。按可能存在的最苛刻工况条件考虑，介质组分如表1和表2所示。

2) 地热汽轮机后段工况条件为：设计压力P = 1.6 MPa，设计温度t = 45.8 ℃ ，介质主要为地热汽轮机乏汽和真空泵抽气，主要包括不凝性气体、液相介质，介质组分如表3和表4所示。

3.1. 电站中二氧化硅结垢分析

SiO₂在水中的饱和溶解度随温度降低而降低，故系统中的冷却表面会成为SiO₂结垢的部位；另外系

表1. 地热蒸汽中不凝性气体成分表

表2. 地热卤水成分

表3. 地热蒸汽中不凝性气体成分

表4. 地热卤水成分

统中卤水发生闪蒸的位置，会使SiO₂浓度增大而达到饱和造成结垢。

a) 汽水分离器内SiO₂结垢情况

井口汽水分离器前调压阀的存在，会造成地热流体的闪蒸和降温，蒸发浓缩效应使SiO₂浓度升高，温度降低使SiO₂的饱和溶解度减小，可能造成SiO₂析出结垢，使距离调压阀出口很近的汽水分离器成为可能积聚SiO₂的部位。如果能够保证在汽水分离器工作压力下，分离出的卤水中SiO₂的浓度仍低于相应温度下的饱和浓度，则可排除汽水分离器内产生SiO₂结垢的可能，判断依据见表5。

由表5中数据可见，工作压力压力处于汽水分离器正常工作压力范围下，地热卤水中SiO₂浓度低于相应温度下的SiO₂饱和溶解度，因此汽水分离器内不会产生SiO₂结垢。

b) 放空及疏水管线SiO₂结垢情况

放空管线和疏水管线内的卤水在排至大气压环境下时，由于压力降低而发生闪蒸，同时温度降低导致SiO₂溶解度降低，可能产生SiO₂结垢[4] ，判断依据见表6。

由表6可见，放空和疏水管线中的卤水发生闪蒸后其含有的SiO₂浓度高于相应温度下的饱和溶解度，会产生SiO₂结垢。但由于放空点位于汽水分离器后，放空蒸汽的干度可达99.9%，携带的卤水极少；主蒸汽疏水管线的疏水量也只有约7 kg/h，故该管线的结垢速率缓慢，预期使用寿命不会低于汽轮机的大修周期5年。

c) 汽轮机内SiO₂结垢情况

汽轮机进汽喷嘴处蒸汽增速降压，液滴蒸发浓缩导致SiO₂浓度增大，超过其饱和溶解度时，便会形成硅垢，因此在汽轮机中，硅垢通常产生在进汽喷嘴及前级叶片处；蒸汽通过喷嘴进入汽轮机以后，由于膨胀做功，干度不断减小，SiO₂浓度相应减小，因此末级叶片产生硅垢的概率与喷嘴和前级叶片相比要小得多。硅垢产生的根本原因是汽水分离器分离出的蒸汽携带液滴，因此提高汽水分离器的分离效率，可以大大减缓汽轮机的结垢。

根据羊八井地热电站的运行经验，在进入汽轮机的主蒸汽干度为99.5%的情况下，经过四年的运行，汽轮机的前三级静叶片产生了结垢，垢层最厚处约5~6 mm，但机组仍能正常运行并达到额定出力。此次设计采纳了冰岛地热工程咨询公司的建议，汽水分离器出口蒸汽干度设计为99.9%，预期在汽轮机5年大修周期内，叶片结垢不会影响机组的正常运行。

d) 凝汽器及抽气管线SiO₂结垢情况

为了避免凝汽器结垢，该地热电站采用了混合式凝汽器，但由于冷却水不可能充满混合式凝汽器内部的各个角落，不能保证所有位置都受到冷却水的冲刷，特别是凝汽器进汽接口和抽气接口附近，仍可

表5. 汽水分离器SiO₂结垢情况判据

表6. 放空管线和疏水管线SiO₂结垢情况判据

能成为SiO₂结垢的位置。如果在冷却水最低温度27℃下，汽轮机排汽携带卤水中SiO₂浓度仍未达到饱和溶解度，则可以排除凝汽器及抽气管线产生SiO₂结垢的可能，判断依据见表7。

由表7的计算结果可见，汽轮机排汽携带卤水中SiO₂的浓度远小于凝汽器内最低温度处SiO₂的饱和溶解度，因此凝汽器及抽气管道不会出现SiO₂结垢情况。

e) 热回灌系统SiO₂结垢情况

热回灌水为汽水分离器分离出的卤水，卤水出汽水分离器时温度为162℃，所含SiO₂浓度为410 ppm，低于162℃对应的SiO₂饱和浓度692 ppm。如果后续工艺过程使卤水温度降至110℃以下，才会出现SiO₂沉淀，故此次设计没有对卤水进行二次闪蒸利用，而是直接回灌。另外此次设计采用了冷、热回灌水单独输送、单独回灌的方案，这样可以有效避免回灌井和回灌管线产生SiO₂结垢。

3.2. 碳酸钙结垢情况分析

影响CaCO₃溶解度的因素主要有两个，一是溶液的温度，CaCO₃的溶解度随温度降低而升高，为逆向溶解度；二是溶液气相中的CO₂分压，CO₂分压越高，其溶解度越大。整个地热电站工质沿流向呈温度降低趋势，温度降低会使CaCO₃的溶解度增大，因此不会因为温度变化而导致钙垢。但系统中压力降低发生卤水闪蒸的位置，仍然可能由于浓缩效应和CO₂析出而产生钙垢，如汽水分离器、放空和疏水管线、汽轮机前段。

a) 汽水分离器内CaCO₃结垢情况

地热流体经调压阀后进入汽水分离器，一方面由于闪蒸浓缩效应，另一方面由于压力降低使气相中CO₂分压降低，CaCO₃的饱和溶解度降低，可能导致CaCO₃沉淀沉积于汽水分离器中，判断依据见表8。

由表8可见，在汽水分离器正常工作压力下，卤水中的CaCO₃浓度低于相应温度和CO₂分压下的CaCO₃饱和溶解度，不会产生CaCO₃结垢。

b) 放空管线及疏水管线CaCO₃结垢情况

放空管线和疏水管线的CaCO₃结垢情况判断除考虑闪蒸造成的浓缩作用外，还要考虑CO₂分压降低对CaCO₃溶解度的影响[5] ，判断依据见表9。

由表9的计算结果可见，放空管线和疏水管线中的溶解CaCO₃浓度均低于相应温度和压力下CaCO₃的饱和溶解度，不会产生CaCO₃结垢。

c) 汽轮机内CaCO₃结垢情况

汽轮机内可能产生CaCO₃结垢的原因与SiO₂相同，但CaCO₃垢的质地不像SiO₂垢那样紧密坚硬，即使产生沉淀，在高速气流的冲刷下绝大部分会被冲出机组，不是汽轮机产生结垢的主要原因。

表7. 凝汽器及抽气管线SiO₂结垢情况判据

表8. 汽水分离器CaCO₃结垢情况判据

表9. 放空管线和疏水管线CaCO₃结垢情况判据

4. 结论

本文首先对地热电站的热力系统的运行进行分析，然后以以肯尼亚Olkaria地区地热蒸汽参数为设计参数的地热电站中热力系统中的结垢问题进行了详细的论述，分析了地热电站结垢的重点部位和结垢的特性，由于肯尼亚Olkaria地区地热卤水中Ca²⁺的含量只有SiO₂含量的1.5%，可以预见CaCO₃在汽轮机垢层中只占极小的比例，汽轮机结垢的预防和结垢后处理措施的主要考虑对象应是SiO₂，为该地热电站的设计中防止结垢提供了理论依据。

基金项目

该项目为中国石油集团“可再生能源技术开发与应用研究”科研项目，课题名称：“肯尼亚地热开发技术研究与现场试验”，项目号：2012A-4906。

文章引用

蔡正敏,郑 申,曾 双,孙法胜,成 伟, (2015) 肯尼亚Olkaria地热资源的井口地热电站热力系统的结垢分析
Analysis of Scaling Characteristics of Wellhead Geothermal Power Plant Based on Geothermal Resources at Olkaria in Kenya. 电力与能源进展,01,27-32. doi: 10.12677/AEPE.2015.31005

参考文献 (References)