西藏地区典型地热流体结垢计算分析

西藏地区典型地热流体结垢计算分析

孙传军 ,赵琛

中国核电工程有限公司河北分公司     石家庄   050000

摘要：西藏地区地热流体压力和温度参数比较高，往往可以自喷出地表、而且温度可以达到150~200℃，但结垢的现象严重，制约了该地区地热项目的应用。本文选择西藏地区羊八井某地热井作为研究对象，分析发现拉申指数（LI）计算结果与实际情况不一致，而饱和指数法适用于所有地热流体水质情况，因此饱和指数法可为地热流体碳酸钙结垢的量化评价或除垢防垢设计提供科学依据。

关键词：拉申指数  饱和指数法  地热流体结垢

0引言

随着社会经济的快速发展，能源需求逐年上升，造成了全球性能源危机的同时也带来了严重的环境污染问题。地热资源作为一种低碳环保的可再生能源，对解决资源紧缺、环境污染压力有重要作用。2020年11月22日，国家主席习近平提出中国将加大应对气候变化力度，力争二氧化碳排放2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。2020年11月25日，财政部办公厅 发布《关于加快推进可再生能源发电补贴项目清单审核有关工作的通知》。国家对可再生能源产业积极出台优惠的政策，也将促进地热产业的发展。

我国西藏地区地热资源丰富，压力和温度参数较高，而且往往可以自喷出地表；但钙垢却是其开发利用的主要问题之一[1]，制约了当地地热资料的利用，如羊八井地热电站，基本上每天需要利用机械空心通井器通井除垢。由于地热资源蕴藏于地下，开采利用较为困难，成井费用也较高，因此分析并定量评价地热流体结垢特性，对地热工程的防垢、除垢工艺的确定至关重要。

1 钙垢成因

地热流体流经岩层时，经历着不同地质、地球化学环境，发生着各种地质、地球化学及生物作用。由于地下热水增强了水与地壳中岩石间的化学反应速度，加强了对岩石的溶滤作用等。使得地热流体成分极为复杂。其中以钙垢和硅垢为主要结垢形式。我国喜马拉雅构造带上的高温地热系统中，钙垢却是其开发利用的主要问题之一[2]。

从生产实践中能看到，地热流体沿井上升，液柱压力逐渐降低到饱和压力，在接近地表时，地热水即进入水转变为蒸汽的蒸发过程，井内即出现汽、水两相共存的地热流体，也就发生了碳酸钙结垢。碳酸钙发生沉积之前，在地热流体中以Ca(HCO3)2为其主要存在形式。在地热流体沿井管上升过程中，压力对CaCO3垢的形成影响较大。主要原因是液柱压力降低至地热流体平均温度饱和压力之下时，地热流体即产生连续汽化。同时根据亨利定律，溶液中气体的溶解度与其液面上的分压成正比。地热流体本身压力降低，以及水蒸汽产生导致水蒸气分压增高，CO2分压降低。最终使得CO2不断逸出，促使Ca(HCO3)2不断分解，CaCO3过饱和而沉积。

2钙垢趋势计算方法研究

国内外学者基于热力学和实验研究，指出碳酸钙垢形成前，流体中碳酸钙过饱和程度最大可达lg（Q/K）=0.36~0.50（其中Q为离子活度积，K为平衡常数）[1]。

计算流体是否会发生碳酸钙结垢，有如下两种方法。

方法一：

《城镇地热供热工程技术规程》（CJJ 138-2010）中规定，当氯离子毫克当量百分数大于25%时，宜按拉申指数判定地热流体的结垢性。

拉申指数的表达式为：

LI=（[Cl-]+[SO42-]）/ALK

      [Cl-]一氯离子当量浓度；

      [SO42-]一硫酸根离子当量浓度；

      ALK—总碱度，即HCO3-当量浓度。

判别依据：LI≤0.5，无腐蚀性，为结垢性流体；

          LI＞0.5，为腐蚀性流体，不结垢；

拉申指数中仅包含碳酸氢根离子的含量，不能对钙离子含量进行核算，在判断碳酸钙结垢方面存在一定的局限性。

方法二：

国内外的学者通过研究碳酸钙在不同温度下的溶解度，根据试验数据回归得到方程[1]：

                       lgK=-0.0001T2+0.0092T-8.5907              （1）

式（3-1）中K为碳酸钙溶解反应（CaCO3=Ca2++CO32-）的平衡常数，T为摄氏度。

因此可以通过对比碳酸钙溶解反应实际的离子积Q（[Ca2+][CO32-]）与平衡常数K，来确定流体中碳酸钙是否过饱和，即通过下列方程进行判断：

A=lgQ-lgK                            

A=lg（[Ca2+][CO32-]）-（-0.0001T2+0.0092T-8.5907）         

[Ca2+]—钙离子的摩尔浓度；

      [CO32-] —碳酸根离子的摩尔浓度；

      T—流体的温度，单位为℃。

判断标准：A≤0.36时，无结垢趋势；

          0.36＜A≤0.5，结垢趋势弱；

          0.5＜A，结垢趋势强。

碳酸钙饱和指数的实质是判断地热流体中的碳酸钙是否过饱和。但结垢量的预测需要通过理论饱和度和实际饱和度的差值进行计算。

3案例分析

羊八井地热电站分为北区和南区，共有多口地热生产井，本次调查北区某井，该井井口温度约120℃，流量约100t/h。水质资料表1所示：

表1 羊八井北区某井水质资料

地热流体中氯离子百分当量为59.11%，宜按拉申指数判断其碳酸钙结垢趋势。

计算结果为LI=5.7，符合LI＞0.5，为强腐蚀性流体，不结垢的判断。预测不会发生碳酸钙结垢。

如采用碳酸钙饱和指数进行判断，则计算结果为A=1.96，符合A＞0.5，结垢趋势强的判断。预测会发生碳酸钙结垢。同时对碳酸钙可能的结垢量进行计算，假设碳酸钙可能的结垢量为xmol/L，则结垢后剩余的离子中，碳酸钙饱和指数应满足A≤0.36，因此计算得出x=3.89×10-5mol/L。根据调研资料，地热井管为DN250，则预测1天内结垢厚度约10mm，流通面积减少约15%，结垢现象严重影响地热流体的输送。根据该项目现场情况反馈，地热井结垢现象严重，每天都需进行人工机械除垢。

4结语

根据拉申指数和碳酸钙饱和指数对实际案例进行结垢性分析及量化评价，形成如下结论：

（1）拉申指数在某些地热流体钙垢趋势计算中，结论与实际情况不一致，在后续地热项目的使用时应加以关注；

（2）碳酸钙饱和指数的原理为碳酸钙沉淀、溶解化学平衡，根据实际项目的验证，可用于钙垢趋势分析及量化评价。

对于后续地热项目的开发，可利用碳酸钙饱和指数对钙垢趋势进行分析及量化评价。

参考文献

[1]  李义曼,庞忠和.地热系统碳酸钙形成原因及定量化评价[J].新能源进展,2018,6（4）:274-281.

[2]  刘明言,朱家玲.地热能利用中的防腐防垢研究进展[J].化工进展，2011,（3）：1120-1123.

1