張成華 蔣文軍

摘要：對(duì)于增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，井下泵是整個(gè)熱力循環(huán)過(guò)程中最為重要的動(dòng)力設(shè)備，擔(dān)負(fù)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(yùn)送含沙石鹵水?，F(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(jī)等幾個(gè)方面論述了增強(qiáng)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(jì)了一種用于EGS地?zé)岚l(fā)電的潛水電泵樣機(jī)，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(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng);潛水電泵;高溫電機(jī);耐磨蝕;新能源

0? ? 引言

如今能源危機(jī)日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)石油煤炭資源日益枯竭且環(huán)保問(wèn)題形勢(shì)嚴(yán)峻，因此，在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、海洋能等新能源的同時(shí)，人們把目光瞄向了龐大的地?zé)豳Y源，例如目前國(guó)際新能源開(kāi)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(shì)。采用增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）技術(shù)開(kāi)發(fā)干熱巖的熱力資源已受到發(fā)達(dá)國(guó)家的高度關(guān)注。EGS地?zé)岚l(fā)電具有比太陽(yáng)能發(fā)電更低的成本，且資源存儲(chǔ)量巨大，地理分布廣泛，同時(shí)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(jiǎn)單安全，維護(hù)費(fèi)用低。

對(duì)于EGS系統(tǒng)，井下泵是整個(gè)熱力循環(huán)過(guò)程中最為重要的動(dòng)力設(shè)備，擔(dān)負(fù)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(zhǎng)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(qiáng)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(huì)導(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)斷流，系統(tǒng)停止工作，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)工質(zhì)泄漏，污染環(huán)境、發(fā)生爆炸。同時(shí)，作為中低溫發(fā)電系統(tǒng)，泵的效率也對(duì)EGS的經(jīng)濟(jì)性有重要影響，低效率的泵會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，大大提高系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。因此，井下泵在設(shè)計(jì)、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(guó)地?zé)岚l(fā)電事業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)，同時(shí)也給我國(guó)泵行業(yè)在這一領(lǐng)域趕超國(guó)際水平、搶占技術(shù)制高點(diǎn)提供了一個(gè)巨大的商機(jī)。

當(dāng)前，國(guó)際上能制造專門(mén)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(zhǎng)軸泵。但是鑒于長(zhǎng)軸泵在實(shí)際工作中出現(xiàn)的問(wèn)題，未來(lái)的EGS項(xiàng)目都將嘗試采用潛水電泵來(lái)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(diǎn)可概括為：泵自帶耐高溫電機(jī)，避免了從地表通過(guò)長(zhǎng)軸傳遞動(dòng)力;泵的水力部件具有較高的耐磨耐蝕性能，具有更長(zhǎng)的工作壽命;具有先進(jìn)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，能保證泵組高效可靠地運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)行EGS系統(tǒng)所需要的工質(zhì)流量和揚(yáng)程，采用理論設(shè)計(jì)方法確定潛水電泵的泵型。然后采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬工質(zhì)在泵水力部件內(nèi)的流動(dòng)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(gè)工況下的內(nèi)部定常和非定常流動(dòng)，分析泵效率、泵內(nèi)流速、壓力、湍動(dòng)能、雷諾應(yīng)力的時(shí)空分布規(guī)律以及葉輪和導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉的影響;結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)，重點(diǎn)研究主要幾何參數(shù)（比如葉輪直徑、進(jìn)口寬度、出口寬度、葉輪葉片安放角和導(dǎo)葉安放角等）對(duì)其高效運(yùn)行區(qū)域、內(nèi)部流場(chǎng)以及性能曲線的影響?；谝陨涎芯拷Y(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(jì)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(chǔ)層時(shí)采用水力壓裂的方式建立和擴(kuò)大干熱巖中的裂隙，必然會(huì)產(chǎn)生大量的巖石顆粒。雖然潛水電泵在進(jìn)口設(shè)置了過(guò)濾裝置，但是從目前的示范性工程來(lái)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(huì)加快泵內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)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(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究在各個(gè)工況下，不同大小的固體顆粒對(duì)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(qiáng)化技術(shù);同時(shí)需要綜合考慮幾何尺寸的改變對(duì)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(duì)泵的水力部件腐蝕嚴(yán)重，并且部件表面存在大量結(jié)垢，造成水力部件變形，嚴(yán)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(duì)象，模擬井下鹵水的化學(xué)成分，對(duì)這些金屬在不同溫度和壓力下的腐蝕性做系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。同時(shí)，研究在不同工況下金屬表面結(jié)垢機(jī)理，通過(guò)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?chē)u水水力現(xiàn)象的關(guān)系，結(jié)合泵水力部分CFD和試驗(yàn)結(jié)果，揭示水力特性對(duì)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(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。

1.4? ? 耐高溫電機(jī)研究

目前，限制潛水電泵在EGS系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)重要因素是工作電機(jī)的溫度極限。地下工質(zhì)的溫度超過(guò)125 ℃或抽取的工質(zhì)流量不足都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部溫升過(guò)大，長(zhǎng)時(shí)間工作后線圈絕緣層會(huì)燒壞造成短路，使電機(jī)停止工作。本研究將首先建立電機(jī)的數(shù)值模型，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，將電機(jī)內(nèi)部溫度分布通過(guò)一定數(shù)目的離散的溫度節(jié)點(diǎn)來(lái)表示;并研究各個(gè)工況下外部環(huán)境的邊界條件和電機(jī)各部件參數(shù)對(duì)電機(jī)整體傳熱效率的影響，掌握電機(jī)在不同負(fù)載下散熱機(jī)理，找到電機(jī)高溫區(qū)域，采用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)模擬優(yōu)化方案，制作模型電機(jī)，在高溫試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量新設(shè)計(jì)的電機(jī)在不同溫度和不同流量工況下的冷卻效果，建立電機(jī)負(fù)載、工質(zhì)參數(shù)與電機(jī)內(nèi)部溫升之間的關(guān)系。

2? ? 本研究重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

（1）解決潛水電泵水力部件易腐易蝕問(wèn)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(jì)，驗(yàn)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(jī)散熱性能，建立電機(jī)內(nèi)部溫度與外部環(huán)境和泵負(fù)載之間的關(guān)聯(lián)性，保證電機(jī)安全工作。

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

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

（5）確立整機(jī)的設(shè)計(jì)、選材和制造加工工藝，建立樣機(jī)生產(chǎn)的工藝流程。

3? ? 樣機(jī)簡(jiǎn)介

基于以上研究成果，兼顧可能的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和研發(fā)制造成本，設(shè)計(jì)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(jī)（圖1）。產(chǎn)品采用了優(yōu)化的水力模型，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)布置，采用了新一代潛水型高效永磁變頻電機(jī)，內(nèi)置了多重自動(dòng)控制保護(hù)傳感器，過(guò)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(jī)達(dá)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(jí)揚(yáng)程15 m;電機(jī)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(jì)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(jì)泵和電機(jī)中間的密封裝置，需要根據(jù)設(shè)計(jì)目的、井下工況和加工條件確定合適的密封裝置設(shè)計(jì);然后是高溫電機(jī)的制作和安裝;最后是設(shè)計(jì)安裝監(jiān)控傳感器，以檢測(cè)泵進(jìn)出口的溫度、壓力、振動(dòng)以及電機(jī)線圈溫度等。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

井下潛水電泵是EGS地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中核心的動(dòng)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(jì)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

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收稿日期：2019-12-25

作者簡(jiǎn)介：張成華（1976—），男，江蘇泰興人，高級(jí)工程師，主要從事潛水電泵及環(huán)保設(shè)備研制工作。