西藏羊八井地热发电站的运行、问题及对策
周大吉
 
[摘 要] 西藏羊八井地热电站第1台机组容量为1000kW，采用单级扩容法热力系统。由于地热井井下结垢使地热井热水流量减少，最大出力为800kW。在试制成功空心机械通井器，消除了地热井的结垢问题后，机组出力一直稳定在1000kW。羊八井2×3000kW机组采用双级扩容法热力系统，2台机组分别于1981年和1982年投产，一直满负荷稳定运行。该地热电站三，四，五期扩建工程机组单机容量均为3000kW。地热发电存在的主要技术问题有汽-水两相流介质的输送问题；流动的稳定性问题；压力损失问题和结垢问题。
[关键词] 地热 发电技术 运行 问题 
 
地球地表10km内有可供开采、丰富的地热能，目前，世界上实际能利用的地热资源主要限于蒸汽田和热水田，这两者统称为地热田。地热蒸汽田以蒸汽为主，温度较高，一般为160℃以上，可将地热汽田的蒸汽直接引入汽轮机发电；地热热水田则以热水为主，温度较低，一般为50～160℃，需要将地热水中的热能转换成地热蒸汽引入汽轮机发电。
我国西藏发现有较丰富的地热资源，属于中、低温地热田。采用的热力系统有扩容法和中间介质法2种。到目前为止，西藏羊八井地热电站是我国最大、运行最久的地热电站，一直在安全、稳定发电。
西藏自治区水能资源丰富，国家投入了大量的资金开发水电和火电建设，先后建成了400多座小水、但由于受季节影像，冬季结冰不能发电，火电出力很小，而火电站成本非常高。为解决拉萨市电力供应紧缺的矛盾，1975年4月，国家组织水电部、地矿部、机械部等专家组进藏考察解决能源紧缺问题。经过多方面考察、论证，专家组建议开发羊八井地热发电工程。1975年9月23日，西藏自治区政府批复并上报国务院建议开发羊八井地热工程(简称九·二三工程)。并明确由西南电力设计院负责羊八井地热电站和110kV输电线路的设计。
羊八井地热田位于拉萨市西北约90km，属拉萨市当雄县羊八井区，地热田东西长约20km，南北宽约5km，海拔约4300m，南北两侧山峰海拔6000～7000m。多年平均气温2。5℃，极端最高温度24℃，极端最低气温-30℃，日最大温差35.5℃。平均气压60.59kPa，最高气压61.67kPa，最低气压58.80kPa，最大风速30m/s，年平均蒸发量为2222.7mm，相对湿度43%，年日照时间约2800h。

1 1000kW试验机组情况  

西南电力设计院设计的羊八井地热电站第1台试验机组，容量为1000kW，汽轮机是利用四川内江电厂2500kW废弃设备改造而成。于1977年10月试运成功，采用单级扩容法热力系统。

1.1 羊八井地热电站1000kW机组主要参数 

羊八井地热电站第1台试验机组主要参数如下：
(1)地热井参数：地热水温度为140～160℃、压力为415.032～618.135kPa、流量为75～100t/h。
(2)汽轮机参数：型号为冲动凝汽式；设计容量1000kW；进汽温度145℃；进汽压力415.817kPa；汽耗量15t/h；蒸汽干度99%；排汽压力7.846～9.807kPa；转速3000r/min；级数为6个压力级。
(3)发电机参数：型号为4H5060/2、容量2500kW、电压为3150V。

1.2 单级扩容法地热水发电原理

若把地热水送入1个密闭的容器中降压、扩容，根据水沸点与压力的关系，可使温度不太高的地热水因气压降低而沸腾变成蒸汽。由于地热水降压蒸发的速度很快，是一种闪急蒸发过程；同时，地热水蒸发产生蒸汽时，其体积迅速扩大，所以该容器称为“扩容器”或“闪蒸器”。用这种方法产生蒸汽来发电称为扩容法地热水发电。这是利用地热田热水发电的主要方式之一，该方式分单级扩容法系统和双级(或多级)扩容法系统。
扩容法系统的原理是：将地热井来的中温地热汽、水混合物，先送到扩容器中进行降压、扩容(称闪蒸)，使其产生部分蒸汽，蒸汽经过分离器除去杂质(10μm及以上)后，再引到常规汽轮机机发电。扩容后的地热水回灌地下或用于其他方面。
第1台试验机组使用单级扩容法系统，该系统简单、投资低、但热效率较低(一般比双级扩容法系统低20%左右)，厂用电率较高，适用于中温(90～160℃)地热田发电，如图1所示。

1.3 1号试验机组的运行情况

1号试验机组自1977年10月试运以来，最大稳定出力为800kW。未达到设计出力的主要原因是地热井井下结垢使地热井热水流量减小所致。后经现场反复试验、摸索，1978年试制成功空心机械通井器，消除了地热井的结垢问题，机组出力一直稳定在1000kW，热效率约为3.5%，厂用电率为16%。

2 2×3000kW中间试验机组情况总结

羊八井1号试验机组试运成功的经验和教训后，1979年国家决定建设羊八井2×3000kW机组。地热电站的设计仍由西南电力设计院负责，采用双级扩容法热力系统。

2.1 羊八井地热电站3000kW机组的主要参数

3000kW机组主要参数如下：
(1)地热井参数：地热水温度为140～160℃、压力415.032～618.135kPa、流量400～500t/h(多口井)。
(2)汽轮机参数：型号为双缸，冲动凝汽式，D3-1.7/0.5型，青岛汽轮机厂生产；设计容量为3000kW；第一级进汽压力166.719kPa；第一级进汽温度114℃；第二级进汽压力49.035kPa；第二级进汽温度81℃；汽耗量45.5t/h(一次汽22.7t/h；二次汽22.8t/h)；蒸汽干度99%；排汽压力8.826kPa；转速3000r/min。
(3)发电机组参数：型号为QFD-3-2型，济南生建电机厂生产；容量3000kW、电压3150V、转速3000r/min；主厂房布置形式为纵向，头对头；汽机房跨度12m；汽机房柱距6m；汽机房总长度42m；汽机房轨顶高度12m；汽机房横向宽度30.6m；汽机房屋顶高度15.5m；厂热效率≥6%；厂用电率≤12%。

2.2 羊八井地热电站3000kW机组发电原理

羊八井2×3000kW电站2台机组采用双级扩容法系统，基本原理与单级扩容法系统相同，只不过系统用了双级扩容器，如图2所示。双级扩容法系统热效率较高(一般比单级扩容法系统高20%)，厂用电率较低，但系统复杂，投资较高。适用于中温(90～160℃)地热田发电。

2.3 2×3000kW机组运行情况

羊八井2×3000kW电站2台机组分别于1981年和1982年相继投产，并一直满负荷稳定运行，向拉萨送电。根据实测，厂热效率达到和超过6%；厂用电率保持在12%以下；每吨地热水能发10kW·h电，受到国内外专家和联合国计划开发署的高度赞誉。1984年2月，羊八井地热电站2×3000kW机组工程的设计被评为国家优秀设计金奖。
1984年后，西南电力设计院完成了羊八井地热电站三，四，五期扩建工程的设计任务。机组单机容量均为3000kW等级。现羊八升地热电站装机容量已达到9台共2.518万kW，已累计发电30亿KW.h左右，通过110KV线路送向拉萨。

3地热发电需研究的几个主要技术课题

3.1 汽-水两相流介质的输送问题

目前国内、外大多数开发的都是中、低温地热田，而中、低温地热田中的地热水从井口中引出后，绝大部分是地热水(约占96%)，有少部分地热蒸汽(约占4%)。要利用地热水中的水和蒸汽热能发电，同时要投资省，这就需要解决好汽-水两相流介质输送中的流动稳定、压力损失和结垢问题。西南电力设计院专家与其他专家对此问题在羊八井地热田进行了多年试验研究，取得了可喜的研究成果。
(1)流动的稳定性问题。当汽-水两相流出现弹状流时，流态不稳定；当汽-水两相流出现环状流或雾状流时，流态是稳定的。这是设计汽-水两相流输送管必须考虑的重要因数。其次，设计中应尽量避免大于6°倾角的上升管道设计，否则流态不稳定。
(2)压力损失问题。经实测和计算，汽-水两相流的压力损失较大，为107.877～166.719kPa/km，所以不宜长距离输送。对于面积较大的地热田，适宜搞一厂多站、分散建厂、短距离输送方案。
(3)管道结垢问题。累计近2年的通水试验表明：试验管道内壁有黑色氧化皮垢，厚度为0.8mm。

3.2 地热田的腐蚀问题

地热流体中都含有一定数量的H2S和CO2等酸性气体和氯离子(羊八井地热田的H2S含量为0.12%，CO2为0.17%)，而H2S是主要的腐蚀介质。这些酸性气体遇到水和空气中的氧时，腐蚀作用加剧。地热电站腐蚀严重的部位集中于负压系统，如汽机排汽管、冷凝器和射水泵及管路；其次是汽封片、冷油器、阀门等。腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈。未经处理的铸铁叶轮一般运行3～6个月就要更换，排汽管和射水管路一般运行3年就要更换。
目前采取的主要措施：
(1)在腐蚀的主要部件上涂防腐涂料，如环氧树脂或RTF涂料(武汉材料保护研究所试制)；
(2)采用不锈钢材质的设备及部件，如不锈钢射水泵、阀门、管道；
(3)提高射水系统水的pH值，pH值由5提高到6，使其接近中性。

3.3 地热田的环境污染问题

与燃煤电厂相比较，地热发电站是较为清洁的能源。但严格地讲，地热水和蒸汽中含有有害成分。如羊八井地热田的地热水中，H2S为3～6mg/L；SiO2为100～250mg/L；CO2为5～10mg/L；硼酸为77.6mg/L。每天要用近万t地热水发电，其有害成分的总量相当可观，对空气和水都存在一定的污染。目前解决污染的手段和办法都不多，如曾试验将废弃的一部分地热水向地下回灌，以减少对地表及河水的污染、保持地热田地下水位、延长地热田开采年限。但回灌技术要求复杂，且成本高，至今未大范围推广使用，这是需解决的问题。

3.4 地热田的结垢问题

羊八井地热电站1000kW机组投产以后，地热井结垢暴露出来，电站管道及设备也结垢，主要成分是CaCO3。
结垢的原因是：地热水在地下一定深度处于稳定的饱和状态，CaCO3不会析出、沉淀。一旦地热水温度、压力发生变化(即稳定状态打破)，CaCO3就会析出产生沉淀、结垢。经试验研究，得出了消除地热水结垢的措施：
(1)自喷的地热井采用机械空心通井器定期、轮流通井除垢(一般1天1次)，可做到通井时减负荷、不停机、连续发电；
(2)不能自喷的地热井采用深井泵升压引喷，使地热水不发生汽化，也就不会结垢；
(3)对地热水、气输送母管系统，在井口加设药泵，加入水质稳定剂，如低聚马来酸酐、磷酸盐等，但后来由于各种原因坚持不好；也用过盐酸等清洗输汽、输水母管；
(4)更换结垢严重的管道、设备。
虽然我国地热资源开发、利用起步较晚，且存在以上技术难题需要解决，但已取得较大的成绩。随着地热水的输送、防垢和热排水的回灌等问题的逐步解决，我们坚信西藏乃至全国的地热开发、利用一定会有美好的前景。

4 结论

4.1 

羊八井地热电站第1台试验机组容量为1000kW，采用单级扩容法热力系统。该机组1977年10月投运，最大稳定出力为800kW。未达到设计出力的主要原因是地热井井下结垢使地热井热水流量减小所致。后试制成功空心机械通井器，消除了井的结垢，机组出力稳定在1000kW。2×3000kW。地热机组采用双级扩容法热力系统，分别于1981年和1982年相继投产，三，四，五期扩建工程的机组单机容量均为3000kW，一直满负荷稳定运行。

4.2 

羊八井地热田采用短距离汽-水两相流输送方式是可行的。试验结果与日本太岳、新西兰卡韦拉地热电站的试验结果吻合；设计时，要准确测定地热井的热力参数，要留有一定的压力裕量。

4.3 

羊八井地热电站二，三期工程均在每口地热井边设置升压泵房，将地热水加压后送入汽-水输送母管至主厂房。