向攀
西南电力设计院有限公司，成都，610021）
摘 要：目前国内地热井均存在结垢问题，影响到地热发电站安全稳定运行，本文结合西藏地区地热电站以及国外地热电站井口阻垢运行案例，分析各除垢、阻垢措施在地热电站中的适用性，提出地热井口阻垢解决方案，为后续地热项目开发建设提供参考。
关键词：地热；加药；除垢；阻垢
0 引言
地热流体温度较高，且呈饱和状态，流体中含有大量的结垢成分，如钙、硅、镁、铁等，气体中则含有二氧化碳、氧和硫化氢等，当流体在提升过程中，地热流体压力逐步降低，当低于地热流体温度的饱和压力时，则会在地热井口、井管内、井壁等地方形成碳酸钙、硅酸钙、二氧化硅、方解石和重晶石等各种盐垢，且去除困难，更严重的是如不将这些盐垢清除干净，盐垢会逐渐硬化，进而减小地热井通流面积，逐步降低生产井的生产能力，直至堵塞生产井和井管，该问题已成为影响地热发电厂安全、稳定运行的重要因素。本文就西藏地区地热发电厂以及国外地热发电厂地热井口阻垢、除垢工艺应用案例进行分析，提出地热井口阻垢解决方案，为后续的地热项目建设提供参考。
1 地热井阻垢技术介绍
地热井阻垢工艺包括机械通井除垢、加药阻垢、电磁阻垢、钻井除垢[1]等。
（1）电磁阻垢
电磁阻垢装置利用电磁场原理阻垢，设备通过电能产生磁场，当流体通过磁场时，磁场会改变流体中钙、镁离子的电化学特性和物理特性，降低成垢离子之间的吸附能力，阻止离子结合成垢。该工艺具有节能、环保、成本低、不使用化学药剂等优点，缺点则是该阻垢方法为暂时阻垢，且设备具有非常严苛的安装使用条件，比如无法安装于地面200m以下。因此，对于钻探较深的地热井，电磁阻垢设备不具备安装和使用条件。某公司曾在地热井中采用该方法进行过地热井阻垢实验试，结果无法起到阻垢效果。目前在地热电厂中没有实际运行案例。
（2）钻井除垢
钻井除垢法必须在生产井附近设有钻井设施才适用，当地热井口结垢相当严重之时，使用通井装置达不到清除效果时，可通过人工操作钻井设施去除井口盐垢，但会产生大量的工作量，且费用高[2]，该方法只能去除井口部分盐垢，无法清除管壁和井壁的盐垢，清理效果非常有限，在除垢过程中还有可能发生卡钻现象，该方法在80年代的地热电厂中有过应用，目前已无运行案例。
（3）机械通井除垢
机械通井除垢技术为物理除垢，整套设备主要由通井锤和卷扬机组成，通井锤设置于地热井管中间，通过卷扬机提升其高度，再通过通井锤的自由落体以去除井管壁的盐垢，达到通井的目的。通井锤可现场制作，实际运行中根据管道内壁的结垢情况决定通井锤的使用次数。该除垢办法具有成本低、运行费用低的优点，但占地较大，除垢不够彻底。
（4）加药阻垢
地热井口加药主要通过对地热井投加阻垢剂以控制水汽系统化学工况，减缓系统结垢和腐蚀。地热井加药条件具有特殊性，包括化学药品需加入地热井闪蒸液面下；地热流体的高温、高压条件；地热流体矿物质含量高的水质条件等，这些特殊条件对地热井加药装置设计以及药剂的研制都提出了更高的要求。
地热井加药阻垢装置主要分为地上设备以及地下设备两部分，地上部分主要由搅拌溶液箱、控制柜、仪表、药液输送泵、计量泵和管线装置等组成。地下部分主要由加药管和喷射装置等组成。搅拌溶液箱和计量泵均可采用不锈钢材质，加药管采用不锈钢软管。运行时将阻垢剂定量输送至搅拌溶液箱，再由计量泵将药液输送至地热流体闪蒸液面下。
加药管需从地热井管顶部进入，从管道内部一直延伸至液面以下 [3]，加药量根据现场实际运行情况调节。该装置具有占地小，投资成本低、维护方便，阻垢效果好的优点，该阻垢技术在国外地热发电厂中应用广泛。
2 地热井阻垢技术应用案例
（1）机械通井除垢
目前仅有国内西藏羊八井地热电厂采用此除垢技术，该地热电厂1977年开始运行，根据当时的地热井放喷实验，放喷时管道内壁结垢约3公分/天，发电厂运行初期通井锤重量约200~300kg，每天使用2次，运行了一段时间之后，改为每天使用1次。2015年，该厂热力系统结垢腐蚀问题严重，对系统提出改造，当时的现场勘察情况如下：热水输送管道、阀门、汽水分离器、扩容器、蒸汽管道系统、喷嘴、汽轮机缸体、挡板、叶片等均存在比较严重的结垢和腐蚀问题。
（2）加药阻垢
国外采用该阻垢方式的地热发电厂较多，根据2009年从地热能利用比较发达的日本、新西兰、澳大利亚和菲律宾等几个国家收集到的数据：除部分地热井水汽品质较好，地热井口无产生盐垢的地热电厂井口未设阻垢措施，其余有盐垢产生趋势的地热电厂如2008年下半年投运的日本滝上发电厂、1996年投运的新西兰Ngawha地热电厂和1998年投运的菲律宾能源发展公司Leyte地热田地热发电厂等均在地热井口设置了加药阻垢装置，国内则只有2018年投运的西藏羊易地热发电厂设置了加药阻垢装置。这几个地热电厂地热井产生的盐垢均为钙盐，投加的药剂为聚丙烯酸盐，电厂均运行良好。
3 地热井阻垢技术分析
根据以上应用案例：采用机械通井装置除垢的西藏羊八井地热发电厂在缺少水、汽品质监督的情况下，热力系统出现严重的腐蚀和结垢问题，采用加药阻垢的运行超过了10年的日本滝上发电站以及新西兰Ngawha地热电站和菲律宾能源发展公司Leyte地热田地热发电站，包括国内2018年投运的西藏羊易地热电站，汽、水系统运行良好，原因分析如下：
机械通井除垢本质上为物理法除垢，只能去除已生成的盐垢，是一种临时补救措施，这种处理盐垢的方法具有暂时性和滞后性，所以不能取得较好的阻垢效果。物理法不能从根本上改变流体的化学特性，流体中有结垢性和腐蚀性的离子特性未被改变或去除，当地热流体进入热力系统后，流体中的结垢矿物质便会析出并沉淀、附着在设备和管道内，增加对管道和设备的局部腐蚀，不仅使设备和管道的热传导面的热交换率下降，还可使管道流量缩减至完全堵塞，长期运行则直接导致设备损坏、管道穿孔。
加药阻垢则通过阻垢剂改变地热流体的化学特性，分散地流热体中盐垢离子的结合，从而起到阻垢的效果。该阻垢技术的处理效果完全依赖药剂本身的性能，药剂分散的效果越好，阻垢效果越好，药剂的性能是该技术的核心。地热井加药环境特殊，对阻垢剂要求较高，虽然国内目前已有药品供应商可生产该类阻垢剂，但经现场实验，阻垢效果不够理想，如用于电厂运行，随着时间的推移，同样会逐步在井口产生盐垢，积少成多，威胁到电厂安全。
和阻垢剂性能同样重要的是阻垢剂的选择，以陶氏地热井阻垢剂为例，其主要成分为聚合类聚丙烯酸脂，产品包含多种型号，其中Accent 1126型阻垢剂和Accent 1131型阻垢剂在地热电厂中应用较多，Accent 1126型阻垢剂主要针对CaCO3、BaSO4和CaSO4有优越的阻垢性能，Accent 1131型阻垢剂则主要针对的是二氧化硅、硅酸盐（镁、铝离子）等硅盐，西藏羊易地热发电厂盐垢主要成分为CaCO3，故可选用Accent 1126型阻垢剂。
4 结论及问题
电磁阻垢装置受地热井条件限制，不具备应用条件；钻井除垢同样受条件限制，工作量大，除垢不彻底；机械通井除垢可临时去除已存在的盐垢，但不能改变流体结垢趋势的特性，不能有效防止热力系统的设备及管道结垢；加药阻垢通过改变地热流体的化学特性以达到阻垢的效果，从源头解决热力系统结垢问题。
从国内目前已开发的地热能地区，如甘孜州地区、山西地区、西藏地区等的地热流体水质情况，地热流体中均含有结垢成分的钙、镁等离子以及较高含量的碳酸根、重碳酸根离子，因此在后续的地热项目建设中，地热井口设置加药阻垢装置以保障系统安全运行的非常有必要的。
目前国内地热井阻垢剂性能比进口阻垢剂差，效果更好的进口阻垢剂药剂费用和运输费用又都相对较高，如在将来的某一天，国内能研制出媲美进口药剂性能的阻垢剂，则可大大降低运行费用，为地热电厂带来更高的经济效益。
参考文献：
[1] 杨东方, 唐令龙. 西藏地热井除垢[J]. 四川电力技术, 1995, 18(4): 8-10.
[2] 王延欣, 刘世良, 边庆玉,等. 甘孜地热井结垢分析及防垢对策[J]. 新能源进展, 2015, 3(3):202-206.
[3] 谯开聪. DZK02地热井结垢原因分析及解决方案探讨[J]. 内蒙古科技与经济, 2017, 8(378):99,110.