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为地热能应用寻找合适的泵阀

作者:   时间:2019-07-12 08:23   

地热部门使用的阀门需要尽可能地坚固。过去,许多水泵无法应付这种能源生产所处的恶劣环境,所费成本巨大。如今,这一领域正在转型,生产出了可以利用地热的系列型专用阀门。

所有迹象都表明,全球地热能源在以较为显著的速度增长。德国地热协会 Bundesverband Geothermie(BVG)预测, 许多国家将“利用地热能,其它国家将继续扩大这种能源形式的利用”。

全球增长

据“国别报告”显示,2015年,全球供暖比2010年增长了39%,达到约70.3 MWt(兆瓦热)。中国的装机容量甚至翻了一番,达到约17900兆瓦。印度同期增长272%,接近1000兆瓦;而美国增长 38%,约17415兆瓦;法国增长74%,约 2350兆瓦;德国增长14%,约2850兆瓦。 泰国增长最为强劲,达5060%,而发电量 “仅”为129兆瓦。

2010年至2015年,全球地热发电量增 长了16%,总装机容量达到12600兆瓦。 美国地热能增长了11%,达3450兆瓦; 墨西哥增长6%,略高于1000兆瓦;肯尼亚增长194%,约达600兆瓦;德国增长 280%,达27兆瓦;意大利增长9%,近920 兆瓦。如今,全球24个国家和地区都能找到地热发电厂利用热能发电。

持续的可用性

由于能源转型,德国对地热能的需求不断增长。地热能被认为可以增加太阳能和风能产生的可再生混合能源。德国已经走上了自己的道路,有30家工厂目前正在规划中,2家正在建设中,4家将作为研究项目。已经运行的33座工厂将得到扩建。按慕尼黑市公用事业公司(SWM) 所述,与其它形式的可再生能源相比,地热能有一个主要的优势,即“无论天气状况如何,无论白天还是一年中的任何时候,地热能都可以得到持续的使用”,

几年前,所有与地热能有关的部门共同意识到,改变的时机到了。过去,地热发电厂的运营商被迫使用石油和天然气行业用泵,而这些泵的设计并不能满足地热能源的需求。“与原油行业相比,用于地热能源的泵迄今为止效率都不高,而且在早期阶段即显示出磨损迹象,”由德国联邦经济部资助的德国FIZ卡尔斯鲁厄股份有限公司-莱布尼兹的信息基础设施研究院发布的BINE信息服务报告称,没有特别针对地热应用的泵。

容易发生故障的阀门

因此,地热泵极易发生故障,一些 泵在几个月后即已损坏。德国工程师协会 (VDI)的新闻机构VDI Nachrichten几年 前报道,在下兴哈地热发电厂,10台ESP 泵(潜电泵)已经“失效”。通常情况 下,变频器损坏、轴承损坏、轴承损坏或绕组发热都是原因。“这些故障真的代价 高昂”。每台泵的投资约需100万欧元。

不仅是技术,而且尺寸也使地热泵 成为非常昂贵的组件。弗赖厄姆地热发电 厂的新水泵长45米,总重量45吨,包括抽 油杆。需要一台重型起重机将其降到地面 以下600米处。在这里,泵会将90摄氏度 左右的热水从2500米深处输送到地表。

高温、腐蚀性气体

单凭生产深度就可以看出地热泵需要应对的工况,因此也就很容易理解,为 什么石油和天然气用泵并不是最合适的选择。高温、高进料速度、腐蚀性气体和结晶盐需要泵具备最佳的性能。

需要找到解决方案,为地热应用开发合适的特殊泵。许多制造商正在积极研究耐磨部件。贝克休斯就是其中之一。这家专用地热泵制造商在其公司现场建造了 一套高温试验管路,以便在实际条件下测试整个泵系统。

“现场试验进一步揭示了迄今为止所有使用的泵所存在的结构性弱点,”BINE在其2016年3月刊的Projektinfo 中报告。科学家们从德国地热发电厂回收了损坏的泵,将它们拆开并分析了缺陷原因。“在这些数据的基础上,开发了改进型原型产品,以保证显著提高效率,延长使用寿命”。

在这个研究项目中,科学家们将重点放在解决德国南部地热厂发现的问题——其热水温度介于120~140°C之间,并且高度钙化。据BINE报告,贝克休斯公司与德隆哈尔的奥伯汉、格伦瓦尔德的索埃拉以及下兴哈大多数地热发电厂进行了合作。

温度和压力波动

由于几乎没有任何润滑性能,并且含有溶解的石灰,热水可能对部件造成严重的影响。石灰石会“沉积在所有部件上,特别是更热的轴承上。这些沉积物阻止轴承的润滑和冷却,从而导致泵轴过热、损坏,” BINE解释道。更糟的 是,一层水垢会起到保温作用,阻止电机散热。

“当设备处于静止状态或以在低产量状态下运行时,发生绝对高的水温和循环温度、压力波动是泵轴承、密封件和电机绝缘的应力来源。“热水还含有溶解气体。随着时间延长,这些物质会扩散到充满了电机的润滑油中。当压力下降时,气体体积增加并将润滑油挤出电机”。

重新设计的轴承结构

一般来说,地热发电厂的泵送率会有所不同,具体取决于发电厂和供热网当前对供热的需求。BINE解释:“因此, 经常需要启动和关闭水泵,或经过产量削减的阶段。”在这种情况下,扭矩、电机温度和压力的变化会导致额外的应力。为了监测地表深处的水泵并尽早开始维护, 需要能够承受高温,并且可以较高的数据传输速率传输大量变量的测量传感器。

最后所取得的结果是积极的。电机 的轴承结构经过了彻底的重新设计,没有出现更多的故障。该新闻机构称:“带有优化轴承的泵已经在德国南部的一家工厂运行了8个多月,没有发生任何故障。迄今为止在保温材料中发现的弱点也得到了纠正。”

15级挠性泵

BINE报告了进一步的改进:减压阀为新的波纹管式密封提供保护,以确保安全的压力补偿。机械轴密封也得到了改 进。还必须开发一种新的高温测量传感 器。如果电机短路,需要保护传感器电子 设备不超过8千伏。开发过程产生了一个 新设计的15级挠性泵。它首次应用于奥伯汉钦地热发电厂。该泵可以有效地处理不 同的泵流量,效率水平达到80%。

此外,BINE补充道,对新型中压变频器进行了进一步的改进,以提高工作电压;改进了工作参数的设计,并针 对预防性维护和维修工作提出了预测概 念。2017年,核心部件开发继续实现了 系列化生产。

回注泵、凝结泵、冷却水泵

凯仕比还将地热发电视为“几乎无 限潜力”的能源。不用说,这也给泵带来了巨大的潜力。据该公司报道,地热发电厂使用了各种类型的泵阀,因为地热水的 温度可达250℃。另外还包括“将冷却后的地热水返回地下”的回注泵、“由能够承受富含矿物质的地热水的材料制成”的冷凝泵,以及“已证明了其在许多传统发电厂的价值”的冷却水泵。

对于水温高达180°C的二元地热发电厂,还需要各种泵。这些发电厂将热量传递到第二个循环,

即所谓的有机朗肯循环(ORC)或卡利纳循环。按照泵制造商的解释,热电厂使用的介质可以产生蒸汽并驱动涡轮机。

双循环地热发电厂用泵

据凯仕比公司介绍,“特殊的给水泵用于循环液体,如异丁烷、异戊烯或 水-氨混合物”。循环泵可以利用余热进行区域供暖,而回注泵则将冷却后的热水送回地下。如果换热器直接将热量泵入区域供热网或用于工业过程,则不需要二次 循环。

这类泵对于能源在热能市场实现转换也是必不可少的。慕尼黑市公用事业公 司(SWM)积极参与了供热市场,并正在制定出地区供热的未来计划:“到2040 年,慕尼黑将成为德国第一座100%利用可再生能源进行地区供热的主要城市。地热可对生态热作出很大贡献,”SWM强调指出。

慕尼黑需要热能

SWM计划长期转向利用可再生能源 进行地区供热。这家公用事业公司的目标是“进一步实质性地改善已经取得优异成绩的地区供热环境和资源”。由于慕尼黑的地理位置和该地区的独特性,地热能将在这一背景下发挥关键作用,即‘德国拥 有几乎所有其它地区都不具备的有利地质条件’”。

这个南德大都会的最佳条件是: “慕尼黑位于这一巨大天然能源库的正上方”。深度介于2000~3000米,水温达80°C~100°C。这些地热水源的热量是供暖的理想选择。为了从这个源头获益,热水被泵送到地面,并通过从热水中提取热量的热交换器进行管道输送。冷却后的水随后被送回地下水库。 “因此,地热发电循环不会影响生态系统,”SWM指出。