論低濃度瓦斯發(fā)電經(jīng)濟(jì)可行性與必要性

田海港

[摘要]根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，瓦斯抽放是煤礦安全生產(chǎn)必不可少的環(huán)節(jié)。煤礦瓦斯分低濃度和高濃度瓦斯，甲烷濃度低于30%以下的瓦斯屬于低濃度瓦斯，國(guó)家規(guī)定低濃度瓦斯不能直接利用，但可以用來發(fā)電。文章以重慶永福實(shí)業(yè)有限公司論低濃度瓦斯發(fā)電的經(jīng)濟(jì)可行性。

[關(guān)鍵詞]低濃度瓦斯；發(fā)電；經(jīng)濟(jì)可行性

[DOI]1013939/jcnkizgsc201730082

煤層氣是指賦存于煤層及其圍巖石中與煤炭資源伴生的非常規(guī)天然氣，也稱煤礦瓦斯。煤炭是中國(guó)的主要能源，占中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的70%左右。發(fā)電用煤占煤炭消費(fèi)的50%以上。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響和自然條件的制約，煤炭行業(yè)一直是我國(guó)的高危險(xiǎn)行業(yè)。在煤礦生產(chǎn)中，常見的瓦斯災(zāi)害事故有瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故等。礦井瓦斯事故具有破壞性強(qiáng)、傷亡大、損失慘重的特點(diǎn)，往往導(dǎo)致礦毀人亡的慘劇。2016年10月31日，永川區(qū)金山溝煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，爆炸沖擊波從700多米的深部生產(chǎn)工作面直接沖到了地面，導(dǎo)致井下33人全部罹難，井下巷道和設(shè)備遭到大面積損毀，礦井被直接關(guān)閉。因此，防治瓦斯事故是煤礦防止重特大事故的重中之重。

重慶永福實(shí)業(yè)有限公司是開采深度大的低濃度瓦斯礦井，煤層瓦斯含量在4～7m3/t，礦井通過風(fēng)井抽排的瓦斯達(dá)到12 m3/min。如果只采取常規(guī)的通風(fēng)措施排放瓦斯，井下采煤工作面回風(fēng)流、采區(qū)回風(fēng)流、礦井總回風(fēng)流瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)期處于臨界點(diǎn)，礦井面臨著靠通風(fēng)措施治理瓦斯難以為繼的局面。從礦井安全生產(chǎn)角度而言，建設(shè)抽采瓦斯可以說勢(shì)在必行。瓦斯抽采系統(tǒng)，開辟了一條煤礦井下瓦斯排出地面的專用通道，從根本上降低了煤層瓦斯含量，減少了涌入礦井工作面和巷道的瓦斯源。就防治煤礦瓦斯事故而言，是釜底抽薪之舉。建設(shè)和安裝低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，充分利用抽采系統(tǒng)抽出的瓦斯進(jìn)行發(fā)電，滿足企業(yè)生產(chǎn)用電和生活用電需求，同時(shí)還有盈余電量上網(wǎng)，創(chuàng)造了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，達(dá)到以利用促抽采的目的，提高抽采瓦斯的積極性，從而也可助力礦井安全生產(chǎn)。按照國(guó)內(nèi)某煤礦的純瓦斯抽排量7Nm3/min，甲烷濃度9%～30%，進(jìn)行低濃度瓦斯發(fā)電進(jìn)行論證。

1機(jī)組選型

根據(jù)煤礦瓦斯抽放情況，采用2臺(tái)700GFZ-PWD-TEM2-3型瓦斯發(fā)電機(jī)組。機(jī)組冷卻采用閉式冷卻，輸出電壓等級(jí)為63kV。

2電站建設(shè)規(guī)模

利用煤礦低濃度瓦斯發(fā)電，根據(jù)700GFZ-PWD-TEM2-3型低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的性能參數(shù)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組持續(xù)運(yùn)行消耗的瓦斯純量約為32Nm3/min。

3電站總平面布置

電站選址要求滿足與其他各建構(gòu)筑物的安全距離及防火間距要求。站區(qū)內(nèi)各廠房布置滿足建筑安全間距要求，管線工藝走向合理，交通運(yùn)輸便利。電站內(nèi)設(shè)置發(fā)電機(jī)房，低壓配電室、高壓配電室、余熱泵房、值班室、辦公室、霧化水池安裝區(qū)、休息室等附屬?gòu)S房。低壓配電室內(nèi)布置站用電配電柜設(shè)備。高壓配電室內(nèi)布置機(jī)組斷路器柜、高壓PT柜及高壓輸出開關(guān)柜。余熱泵房?jī)?nèi)設(shè)置熱水循環(huán)泵、落地膨脹水箱、全自動(dòng)軟水器、軟水器補(bǔ)水泵等設(shè)備。霧化水池安裝區(qū)內(nèi)設(shè)置霧化水池及霧化水泵。綜合泵房?jī)?nèi)設(shè)置冷卻循環(huán)水泵、消防水泵等。

4燃?xì)膺M(jìn)氣系統(tǒng)

項(xiàng)目共敷設(shè)1條DN500的瓦斯輸送主管線，為電站內(nèi)上2臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸送瓦斯。瓦斯輸送采用低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送系統(tǒng)，首先經(jīng)過水位自控式水封阻火器、絲網(wǎng)過濾器、瓦斯管道專用阻火器、低溫濕式放散閥、防爆電動(dòng)蝶閥，然后通過細(xì)水霧輸送系統(tǒng)輸送。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣支管的管徑為DN200，在每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的進(jìn)氣支管線上安裝一套降溫脫水模塊進(jìn)行脫水，脫出的水通過降溫脫水模塊回水總管流回霧化水池。

5余熱部分

為了提高機(jī)能源效率，利用發(fā)電機(jī)組排氣余熱，在每臺(tái)機(jī)組排煙管上配套安裝1臺(tái)針形管換熱器。發(fā)電機(jī)組排煙溫度為550℃左右，經(jīng)針形管換熱器換熱后排煙溫度約為150℃。針形管換熱器的進(jìn)水通過針形管換熱器與機(jī)組煙氣換熱，產(chǎn)生95℃熱水，通過水水換熱器，與礦區(qū)送過來的20℃冷水換熱，產(chǎn)生65℃熱水送至礦區(qū)水箱供礦區(qū)職工洗浴。

電站軟化水系統(tǒng)采用一套全自動(dòng)軟化處理系統(tǒng)，站區(qū)自來水引入全自動(dòng)軟水器進(jìn)行處理，處理后產(chǎn)生的軟化水為余熱利用系統(tǒng)及機(jī)組冷卻內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水。處理后的給水總硬度≤06mmol/L，含氧量≤01mg/L，滿足《工業(yè)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 1576—2001的要求。

單臺(tái)發(fā)電機(jī)組余熱回收可利用熱量為1311萬kJ/h，年余熱回收熱量為1148×106萬kJ，本項(xiàng)目2臺(tái)發(fā)電機(jī)組年余熱回收可利用熱能總量為2296×106萬kJ。標(biāo)煤熱值為29308kJ/kg，標(biāo)煤熱利用效率按60%考慮，則4臺(tái)發(fā)電機(jī)組年余熱回收利用可節(jié)約標(biāo)煤量：2296×106×10000÷29308÷60%÷1000=13055噸。

6冷卻循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)700GFZ-PWD-TEM2-3瓦斯發(fā)電機(jī)組的性能要求，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組機(jī)組熱量通過機(jī)組配帶的臥式多風(fēng)扇水箱進(jìn)行散熱，冷卻循環(huán)分為高、低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)。高溫冷卻循環(huán)主要是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋等部件，低溫冷卻循環(huán)主要是冷卻機(jī)油和混合氣。機(jī)組冷卻循環(huán)使用軟化水，在機(jī)房?jī)?nèi)安裝一高架軟化水箱，通過自然壓差向機(jī)組的冷卻內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水。冷卻循環(huán)水使用軟化水（溫度低時(shí)應(yīng)考慮使用防凍液），軟化水接自余熱利用系統(tǒng)內(nèi)的軟化水處理裝置，單臺(tái)機(jī)組的消耗量約為 5kg/d。

7電氣部分

電站共安裝2臺(tái)700GFZ-PWD-TEM2-3型高壓發(fā)電機(jī)組，總規(guī)劃裝機(jī)容量為14MW，機(jī)組出口電壓為63kV。本工程所發(fā)電能送至煤礦變電所供電系統(tǒng)供用戶使用。

電站低壓配電室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)400kVA降壓變壓器，用于給電站內(nèi)的設(shè)備供電。機(jī)組所發(fā)電能將變壓器降壓后由低壓配電柜為站內(nèi)冷卻循環(huán)水泵、熱水循環(huán)泵、軟水器補(bǔ)水泵、軸流風(fēng)機(jī)、消防水泵等輔助系統(tǒng)配電，并預(yù)留檢修電源等回路。配電柜型號(hào)為GCK通用型。為了保證電站的一級(jí)負(fù)荷的用電可靠性，由用戶提供一路低壓電源為站區(qū)一級(jí)負(fù)荷供電。

8控制部分

每套發(fā)電機(jī)組配置一套由設(shè)備廠家自行設(shè)計(jì)、制造的TEM2機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)，TEM2機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由機(jī)組就地控制柜、機(jī)組斷路器柜和遠(yuǎn)程控制柜組成。系統(tǒng)具備燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集、機(jī)組控制、空燃比自動(dòng)控制、機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)、人機(jī)交互、程序恢復(fù)、事件記錄等功能，是一套完整的燃?xì)鈾C(jī)組控制系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組全部參數(shù)的顯示功能，實(shí)現(xiàn)超速、油壓低、逆功率、過電流、油水溫高等保護(hù)功能。

電站設(shè)置一套中央監(jiān)控系統(tǒng)，中央監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控軟件、工控系統(tǒng)及各類附屬通信設(shè)備構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行控制、狀態(tài)監(jiān)視及參數(shù)調(diào)整。

在發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)房和霧化水池安裝區(qū)燃?xì)庑孤舛葯z測(cè)及報(bào)警。

9消防

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016的要求，按照“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的原則站內(nèi)消防以移動(dòng)式滅火器消防為主，室外設(shè)置消火栓進(jìn)行安全保護(hù)，冷卻水池兼做消防水池。

10建筑結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)房采用輕鋼彩板結(jié)構(gòu)。綜合泵房、高壓配電室、低壓配電室、冷卻水池及辦公室、休息室、配件室、維修室均為磚混結(jié)構(gòu)。

11電站定員測(cè)算

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工，4班制，每班2人，包括值長(zhǎng)一名；鍋爐運(yùn)行工，4班制，每班1人，由發(fā)電運(yùn)行工兼；燃機(jī)維修工1人；技術(shù)員1人；管理人員1人（兼財(cái)會(huì)人員），共需11人。

12投資估算

本項(xiàng)目預(yù)計(jì)投資1150萬元，其中廠房建設(shè)150萬元，發(fā)電機(jī)組700萬元，高低柜配套150萬元，其他費(fèi)用150萬元。

13從投資回收期來看效益分析

（1）總投資1150萬元

（2）電站收入

電站收入合計(jì)：7116萬元。其中包括：①售電收入：電價(jià)按07元/kW·h計(jì)算。電量計(jì)算：按每臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率700kW計(jì)算，2臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率為1400kW。年運(yùn)行時(shí)間按7200h計(jì)算，年發(fā)電量為：1400×7200=1008萬kW·h，站用電按5%計(jì)算，實(shí)際售電量1008萬kW·h×（1-5%）=958萬kW·h。年售電收入為：958萬kW·h×07元/kW·h=6706萬元。②余熱收入（熱水型鍋爐）：標(biāo)煤按照400元/噸計(jì)算。1kg標(biāo)煤熱值為29300kJ，每臺(tái)機(jī)組可回收余熱131萬kJ/h，熱損失按5%考慮，煤的熱效率按60%計(jì)算，每小時(shí)節(jié)約標(biāo)煤量為：1310000×095÷（29300×60%）=0071噸/每小時(shí)，則年余熱收入為：400×0071×7200×2=41萬元。

（3）經(jīng)營(yíng)成本

經(jīng)營(yíng)成本合計(jì)：858萬元。其中包括：①人員工資：電站運(yùn)行及維護(hù)人員按11人考慮，人員工資平均按4萬/年。共計(jì)：4萬元/人年×11人=44萬元。②五險(xiǎn)一金保險(xiǎn)：4×（20%+9%+1%+5%）+01=15萬元，11人共計(jì)165萬元。③設(shè)備維護(hù)：每臺(tái)機(jī)組5萬元/年，2臺(tái)機(jī)組共計(jì)10萬元。④年機(jī)油消耗：00008kg/kW·h×958萬kWh×20元/千克=15萬元。⑤年水消耗：5元/m3×006萬m3=03萬元。

（4）效益分析

年收益=年總收入-年總成本費(fèi)用=7116-858=6258萬元。折舊費(fèi)用=150/20+850/117/5=75+14530=15280萬元。企業(yè)所得稅=（6258-15280）×25%=11825萬元。2臺(tái)700GFZ-PWD-TEM2-3機(jī)組電站投資為1150萬元，投資回收期約為1150/50755=227年。

綜上所述，低濃度瓦斯發(fā)電，對(duì)于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、創(chuàng)造效益等方面，都具有十分的必要性和可行性，國(guó)家對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電的支持將會(huì)持續(xù)加大力度。經(jīng)過前幾年的市場(chǎng)調(diào)價(jià)和國(guó)家運(yùn)控，目前煤炭市場(chǎng)區(qū)域穩(wěn)定，落后產(chǎn)能基本淘汰完畢，低濃度瓦斯發(fā)電勢(shì)必將會(huì)迎來一個(gè)更大的發(fā)展契機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

重慶市煤炭協(xié)會(huì)重慶地區(qū)煤與瓦斯突出防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：454-455