基于內(nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置

王華超，陳露（中南電力設計院有限公司，武漢430071）

基于內(nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置

王華超，陳露
（中南電力設計院有限公司，武漢430071）

煤層氣發(fā)電是煤層氣利用的重要途徑之一，經(jīng)過多年的發(fā)展，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組在我國煤層氣發(fā)電中，獲得了越來越廣泛的應用。論文闡述了各種基于內(nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置，并對各種內(nèi)燃機配置進行了簡要介紹。

煤層氣發(fā)電；內(nèi)燃機；系統(tǒng)配置

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.150

1 引言

煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，其熱值與天然氣相當，是一種高效的清潔氣體能源。我國煤層氣資源豐富,位居世界第三(第一俄羅斯,第二加拿大)。據(jù)國內(nèi)最新一輪評價結果（2005年），全國煤層埋深2 km以內(nèi)的煤層氣資源量為368 000億m3,與常規(guī)陸上天然氣資源量基本相當。

煤層氣在煤礦開采中大量生產(chǎn)，其易燃易爆性嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)。在國際能源局勢趨緊的情況下，作為一種優(yōu)質(zhì)高效清潔能源，煤層氣的大規(guī)模開發(fā)利用前景誘人。煤層氣的開發(fā)利用具有一舉多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應；有效減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應；作為一種高效、潔凈能源，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

煤層氣發(fā)電是煤層氣利用的重要途徑之一，我國煤層氣發(fā)電技術進展較快，2009年全國煤層氣發(fā)電機組已超過1400臺,總裝機容量達到920 000kW。根據(jù)國務院規(guī)劃，2015年煤層氣發(fā)電裝機容量將超過2 850 000kW。

2 煤層氣發(fā)電系統(tǒng)主機型式

理論上講，煤層氣發(fā)電采用的主機設備主要有以下幾種型式。

2.1 燃料電池

燃料電池不同于轉換燃料的化學能，經(jīng)燃燒釋放熱能做功，最終產(chǎn)生電的傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，燃料電池是將燃料的化學能直接利用電化學反應轉換生產(chǎn)為電力。由于燃料電池沒有機械做功和熱交換過程，與一般的熱發(fā)動機產(chǎn)生的電力相比，具有效率更高、污染較低、生產(chǎn)運行過程安靜等特點。

由于目前燃料電池的高成本，燃料電池僅適用于對電力質(zhì)量、電力環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境要求較高的地區(qū)和用戶。

2.2 燃氣鍋爐帶蒸汽輪機發(fā)電機組

燃氣鍋爐帶蒸汽輪機發(fā)電機組，為傳統(tǒng)的火電機組形式，工藝技術成熟，運行可靠，但燃氣鍋爐采用煤層氣為燃料，目前僅局限在小型的工業(yè)鍋爐。這種裝機形式發(fā)電效率也較低，啟動運行時間長，不靈活。所以目前煤層氣電站基本不采用這種裝機形式。

2.3 混合燃燒鍋爐帶蒸汽輪機發(fā)電機組

混合燃燒鍋爐是用煤層氣和煤同時作為鍋爐的燃料，需要對傳統(tǒng)燃煤鍋爐進行改造，增加燃氣供應系統(tǒng)?；旌先紵仩t可降低氮氧化物、硫氧化物和飛灰的排放?；旌先紵仩t受到瓦斯抽采的波動性強影響較大，其輔助系統(tǒng)也較為復雜，且這種裝機形式發(fā)電效率較低，啟動運行時間長，不靈活。目前煤層氣電站也基本不采用這種裝機形式。

2.4 燃氣輪發(fā)電機組

燃氣輪機發(fā)電具有系統(tǒng)簡單，運行靈活，單機功率大，占地面積小的優(yōu)點；燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)可加余熱鍋爐帶蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

2004年以前，以礦井高濃度煤層氣（甲烷含量大于40%）為燃料的電站主機，大都采用燃氣輪機。但這些機組受瓦斯抽采濃度的波動的影響較大，運行情況不佳。因此，近年來這種裝機形式的應用也逐漸被淘汰。

2.5 燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組

燃氣內(nèi)燃機發(fā)電，具有系統(tǒng)簡單，運行靈活，啟動時間短、發(fā)電效率高等特點。尤其是這種機組要求進氣壓力低，僅為5～35kPa，適用瓦斯?jié)舛确秶鷱V，濃度6%以上均可利用，這使得燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組在煤層氣發(fā)電方面獲得了越來越廣泛的應用。

往復式燃氣內(nèi)燃機，以其運行靈活，對瓦斯?jié)舛冗m應范圍廣，尤其是對低濃度煤層氣的適用性，在現(xiàn)階段已經(jīng)成為煤層氣發(fā)電的主要設備。

3 基于內(nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置

煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)，即利用煤層氣，生產(chǎn)多種能量，通常是電能、熱能（含蒸汽、熱水）和冷能，其能源綜合利用效率一般可達80%以上。

內(nèi)燃機發(fā)電機組的可供利用的余熱分主要有2部分：（1）發(fā)動機做功后排出的煙氣余熱，根據(jù)內(nèi)燃機型號不同，煙氣溫度一般為350～460℃；（2）內(nèi)燃機缸套冷卻水，缸套冷卻水溫度一般在95℃左右。其中煙氣余熱的利用設備主要有余熱鍋爐、煙氣-熱水換熱器和溴化鋰吸收式冷水機組；缸套冷卻水的余熱利用設備主要有水-水換熱器和溴化鋰吸收式冷水機組。基于內(nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)，主要針對余熱利用設備的不同，進行多形式的組合，以獲得不同的產(chǎn)品需求?；趦?nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)，主要有以下幾種系統(tǒng)方案配置。

1）方案一：內(nèi)燃機配煙氣熱水型雙效溴化鋰吸收式冷水機組，系統(tǒng)主要流程詳見圖1。方案一為常規(guī)的冷熱電三聯(lián)供機組配置，高溫煙氣和缸套冷卻水進入煙氣熱水型雙效溴化鋰機組，可對外提供熱水負荷和冷水負荷。冷熱電三聯(lián)供機組規(guī)?？纱罂尚?，運行靈活?；茨系V業(yè)集團在潘一礦采用的冷熱電三聯(lián)供裝機方案，利用余熱制冷，實現(xiàn)井下降溫，是煤層氣冷熱電三聯(lián)供與治理礦井熱害相結合的一次重要探索，具有重大的實踐和指導意義。

圖1 煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案一

2）方案二：內(nèi)燃機配余熱鍋爐及蒸汽輪機，系統(tǒng)主要流程詳見圖2。方案二為常規(guī)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組配置，高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生的蒸汽驅動蒸汽輪機做功，從而實現(xiàn)能量的梯級利用。蒸汽輪機的冷凝水，可先通過缸套水板式換熱器加熱后，再進入余熱鍋爐，提高余熱鍋爐給水的初溫，充分利用內(nèi)燃機的余熱，實現(xiàn)更高的能源綜合利用效率。此方案也可向用戶提供蒸汽介質(zhì)。

但由于內(nèi)燃機單機容量均較小，煙氣溫度也不高，單臺內(nèi)燃機可產(chǎn)生的蒸汽量較小，一般當煤層氣電站裝機容量小于30MW，采用熱電聯(lián)產(chǎn)配置的經(jīng)濟性不高。目前國內(nèi)規(guī)模較大的煤層氣電站較多采用這種裝機方案。

圖2 煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案二

3）方案三：內(nèi)燃機配溴化鋰機組、余熱鍋爐及蒸汽輪機，系統(tǒng)主要流程詳見圖3。方案三與方案二的主要區(qū)別在于內(nèi)燃機缸套水余熱的利用，方案三采用了熱水型溴化鋰機組，利用內(nèi)燃機缸套水余熱的利用對外供熱水和冷水，雖然蒸汽輪機的發(fā)電量有所降低，當可對外供熱水和冷水，產(chǎn)品更豐富，能滿足用戶更多樣化的需求。

圖3 煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案三

4）方案四：內(nèi)燃機配煙氣-熱水換熱器和水-水換熱器，系統(tǒng)主要流程詳見圖4。方案四采用板式換熱器，對外提供的介質(zhì)只有熱水，熱用戶受限制較大，但整體的初投資及后期運行管理費用均較低。在用戶的熱水負荷需求穩(wěn)定，需求量較大時，采用此方案較為經(jīng)濟。

圖4 煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案四

4 結語

煤層氣是一種存儲豐富、清潔、高效的能源，采用煤層氣發(fā)電也越來越普遍?；趦?nèi)燃機的煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)，也衍生出了多種配置。煤層氣發(fā)電站，可單一采用一種聯(lián)供系統(tǒng)配置，也可同時采用多種聯(lián)供系統(tǒng)配置，因地制宜，滿足業(yè)主對電、蒸汽、熱水、冷的多元化供能需求。已投入運營的煤層氣發(fā)電站，也可根據(jù)自身及周邊用戶需求，結合電站條件，改造煤層氣發(fā)電聯(lián)供系統(tǒng)，從而提高煤層氣發(fā)電站的綜合利用效率。

【1】白紅彬,楊俊輝.煤層氣發(fā)電設備的比較與選擇 [J].中國煤層氣, 2007,4(2):30-32.

【2】譚超,白紅彬.我國煤層氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].能源研究與利用, 2010(1):9-11.

【3】王勇.煤礦瓦斯發(fā)電及熱電冷聯(lián)供技術研究[J].工礦自動化,2006 (5):8-11.

【4】樊金璐,吳立新,王春晶,等.中國煤層氣發(fā)電技術發(fā)展和應用現(xiàn)狀[J].潔凈煤技術,2012,18(1):1-4.

Configuration of CMM Power Generation Combined System Based on Internal-Combustion Engine

WANG Hua-chao，CHEN Lu
(Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China)

CMM power generation is one of the most important ways to utilize CMM resources. After years of development, the gas internal combustion engine power units are widely applied in China's CMM Power generation.This paper describes variety configurations of CMM powergeneration combined system based on internal-combustion engine,and various configurations are briefly introduced.

CMM power generation;internal-combustion engine;system configuration

TK403

A

1007-9467（2016）12-0115-03

2016-11-08

王華超（1982～），男，湖北武漢人，工程師，主要從事火力發(fā)電及新能源研究。