淺談低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用及改進

郭來同

（山東勝動燃氣綜合利用有限責(zé)任公司，山東 東營257000）

0 引言

瓦斯化學(xué)名稱為甲烷，是附著于煤炭中煤基質(zhì)顆粒表面或溶解于煤層水中的一類烴類氣體，無色無味且易燃易爆，在煤炭勘探、采集中容易造成事故。甲烷在空氣中的濃度達到5%～16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。但合理利用瓦斯，可以將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能。我國大多數(shù)煤礦使用高負壓、大流量的抽采系統(tǒng)來抽采瓦斯。在政府的支持和扶持下，業(yè)內(nèi)專家學(xué)者對低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)進行了研究和改進，以探索低濃度瓦斯的利用途徑，減少資源浪費。

1 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)概述

1.1 發(fā)電原理

濃度在30%以下的瓦斯可以通過水環(huán)式抽采泵從地下煤層抽采出來，經(jīng)過安全性較強的輸送管道輸入發(fā)電機組缸體，一般應(yīng)用較多的是500GF1－3RW瓦斯發(fā)電機組，在發(fā)電機組缸體內(nèi)經(jīng)點燃爆炸來推動活塞運動，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能并進一步產(chǎn)生電能，使低濃度瓦斯得到充分利用。而基于這樣的原理，一般的發(fā)電站或者發(fā)電系統(tǒng)主要由氣體輸送系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、高低壓電氣系統(tǒng)、水霧輸送系統(tǒng)和整個發(fā)電機組的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，使用全電子控制技術(shù)來調(diào)控和監(jiān)測整個發(fā)電過程。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

低濃度瓦斯發(fā)電在實際應(yīng)用中需要幾種核心技術(shù)來支撐整個發(fā)電過程的順利進行，如可靠性高的阻火技術(shù)、全電子控制技術(shù)、電控燃氣混合器技術(shù)、數(shù)字式點燃技術(shù)以及瓦斯與空氣混合增壓技術(shù)等。

在整個機組系統(tǒng)中，首先要保證運行和氣體傳輸?shù)陌踩?，因此需要設(shè)置安全可靠的阻火器，在發(fā)電站總進氣管、機組進氣總管、混合器前的燃氣管線、中冷器與增壓器之間及進氣管調(diào)速節(jié)氣門間都需分別安裝不同類型的阻火器。另外，在瓦斯輸送時不僅需要保證輸送管道不漏氣、不易燃，還需配置細水霧輸送裝置。安置數(shù)量由輸送管道長度和輸送瓦斯規(guī)模等多方面因素決定。電控燃氣混合器技術(shù)，簡言之，就是通過電子控制技術(shù)來調(diào)節(jié)混合氣的混合比例和空燃比，而瓦斯與空氣混合增壓技術(shù)則是需要增壓器和中冷器來促進瓦斯空氣的混合效果和混合比例，提高發(fā)電機功率并降低產(chǎn)生的熱負荷。發(fā)電技術(shù)在不斷改善，目前點火技術(shù)上多用電控單元來根據(jù)實際情況調(diào)控點火時間、點火強度等，確保點火操作處于最佳的環(huán)境中。

1.3 主要內(nèi)容

2004年以來，勝利油田勝利動力機械集團（以下簡為勝動集團）研發(fā)成功的“煤礦瓦斯細水霧輸送及發(fā)電技術(shù)”使低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。新版《煤礦安全規(guī)程》對濃度在30%以下的瓦斯用于內(nèi)燃機發(fā)電作出了明確的規(guī)定：抽采的瓦斯?jié)舛鹊陀?0%時，不得作為燃氣直接燃燒；用于內(nèi)燃機發(fā)電或作其他用途時，瓦斯的利用、輸送必須按有關(guān)標準的規(guī)定，并制定安全技術(shù)措施。一般而言，500GF1－3RW低濃度瓦斯發(fā)電機組對瓦斯的基本要求如下：（1）瓦斯?jié)舛龋?%；（2）壓力（調(diào)壓閥前）不低于3kPa；（3）進氣溫度≤35℃。

低濃度煤礦瓦斯發(fā)電機組于2005年7月2日通過了國家安全總局組織的技術(shù)鑒定，2005年12月25日通過了國家安全總局組織的產(chǎn)品鑒定。沒有通過鑒定的機組由于安全不能得到保障及發(fā)電技術(shù)不過關(guān)，不能應(yīng)用。通常而言，瓦斯發(fā)電的設(shè)計和改進需要解決2個主要問題：發(fā)電機組要適應(yīng)瓦斯?jié)舛群蛪毫ψ兓囊?、要保證發(fā)電過程和瓦斯抽采輸送過程的安全。

2 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)經(jīng)研發(fā)和不斷創(chuàng)新之后在我國大部分煤礦中得到應(yīng)用，在其所有應(yīng)用形式中，燃氣內(nèi)燃機式發(fā)電最具優(yōu)勢，其他還有鍋爐與蒸汽輪機發(fā)電模式、燃氣輪機與蒸汽輪機發(fā)電組合模式。在使用瓦斯發(fā)電時，燃氣內(nèi)燃機式發(fā)電模式具有燃燒充分完全、排放有害氣體少、抗爆燃性能好、經(jīng)濟效益高和混合氣發(fā)火范圍廣等絕對性優(yōu)勢，它除了在勝動集團應(yīng)用外，還在全國得到了推廣，如東三省、河南、安徽、貴州和重慶等產(chǎn)煤大省。早在2009年，全國瓦斯發(fā)電裝機容量就超過了92萬kW。國家發(fā)改委在落實煤層氣發(fā)電上網(wǎng)加價政策之后，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)煤層氣發(fā)電利用積極性高漲，因此煤層氣發(fā)電裝機規(guī)模也在逐年上升，技術(shù)研發(fā)和裝備制造水平不斷提高。

但低濃度瓦斯發(fā)電機組在使用中也會出現(xiàn)各種障礙和技術(shù)上的不足，如靖遠煤業(yè)的煤礦使用的是鍋爐與蒸汽輪機模式，因長期氣量不足而使設(shè)備發(fā)電效率相對較低，頻繁開關(guān)設(shè)備也加大了設(shè)備的損耗率和故障率，2007年之后，工作效率只在17%左右。同樣，燃氣內(nèi)燃機式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用也存在以上問題，并且機組在維修和保養(yǎng)上更復(fù)雜，也更容易出現(xiàn)問題。

3 改進低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的措施

3.1 提高瓦斯發(fā)電效率

為提高發(fā)電效率，在發(fā)電機組中可以布置循環(huán)式設(shè)備，以充分利用機組產(chǎn)生的熱量，且其占地面積小，損耗率降低。對發(fā)電機組的增壓室進行改進，如配合小噴流技術(shù)進行瓦斯預(yù)處理、采用二體增壓閥進行完全封閉提高增壓效果等。不同的瓦斯?jié)舛葧a(chǎn)生不同的發(fā)電效率，因此，通過摸索最優(yōu)的搭配得到適合的瓦斯?jié)舛瓤梢愿纳普w發(fā)電效率。

3.2 提高發(fā)電及瓦斯運送安全性

從2010年開始，國家安監(jiān)局頒布了煤礦用非金屬瓦斯輸送管材安全技術(shù)條件、瓦斯管道輸送自動阻爆裝置技術(shù)條件和細水霧混合安全輸送裝備技術(shù)規(guī)范等10項低濃度瓦斯輸送和利用標準，一方面規(guī)范煤礦安全生產(chǎn)，另一方面也有助于學(xué)者進行這些方面的安全性技術(shù)研究。采取加強輸送管道的材料安全性、使用專門的漏氣監(jiān)測裝置、合理配置防火阻爆裝置等措施能使安全事故發(fā)生率大大降低。具體如安全設(shè)施安設(shè)段管道應(yīng)選用鋼管，其他輸送管道可選用非金屬管，輸送管道材料需進行防腐蝕、防漏氣、防砸壞、防靜電處理。對發(fā)電機房和配電室等地配置的照明裝置采用防爆燈具，設(shè)應(yīng)急照明，在變壓器上也要進行瓦斯、過流和速斷等保護。而瓦斯抽采泵房、輸氣站加壓機房和低濃度瓦斯管道系統(tǒng)中所選用的電氣設(shè)備、儀表均應(yīng)滿足礦用防爆要求。非防爆設(shè)備和儀表應(yīng)集中安設(shè)到專門的儀表間（或配電間），并采取相應(yīng)的隔離措施和消防措施。

3.3 提高瓦斯利用度

目前低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)較成熟，發(fā)電機組運行功率一般為400～420kW，投資額約為8000～9500元／kW。在實際應(yīng)用中，各個煤礦的煤層規(guī)模、瓦斯?jié)舛群屯咚沽康惹闆r不同，需要不同功率和利用度高的機組來適應(yīng)不同情況?？梢詮耐咚钩椴?、輸送和點燃利用全過程來降低瓦斯的損耗，提高可使用瓦斯的數(shù)量?；蛘呤褂弥悄芸刂萍夹g(shù)來對瓦斯添加混合進行精確控制，進而提高瓦斯氣體的利用率。對于通風(fēng)瓦斯，可以經(jīng)過增壓和濃度濃縮來進行利用，從國內(nèi)外相關(guān)研究成果和實踐經(jīng)驗中可知，通風(fēng)瓦斯主要有熱氧化、催化氧化和作為輔助燃料3種利用方式。在這3種利用方式中，熱氧化技術(shù)是已實現(xiàn)工業(yè)化運行、最為成熟的技術(shù)。

4 結(jié)語

筆者從國內(nèi)相關(guān)理論研究和實際應(yīng)用中搜集低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的基本資料，并對其應(yīng)用情況和改進措施進行總結(jié)分析。各種改進措施都需要在保證瓦斯輸送和發(fā)電過程安全性的基礎(chǔ)上對發(fā)電技術(shù)進行更新和完善。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)能夠?qū)⒌蜐舛韧咚罐D(zhuǎn)化為可利用的電能，不僅可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益，更對促進煤礦安全生產(chǎn)、資源有效利用和環(huán)境保護有重大貢獻。

［1］王琳.低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的改進［J］.煤礦機電，2008（1）

［2］傅國廷.低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用［J］.煤，2009（11）