影響低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率的主要因素

摘 要：低濃度瓦斯發(fā)電站正式投入生產(chǎn)后，究竟哪些因素影響機(jī)組在相同監(jiān)測(cè)濃度下的運(yùn)行功率，而哪些因素又占主導(dǎo)地位，本文結(jié)合鐵法煤業(yè)集團(tuán)小青低濃度瓦斯發(fā)電站5年來(lái)的運(yùn)行情況，對(duì)影響機(jī)組運(yùn)行功率的因素進(jìn)行全面分析，并具體研究其中的主要因素。

關(guān)鍵詞：低濃度瓦斯發(fā)電；環(huán)境溫度；功率

一、概述

2007年11月鐵法煤業(yè)礦業(yè)集團(tuán)煤層氣公司在小青煤礦建成并試運(yùn)轉(zhuǎn)成功了遼北煤田第一座低濃度瓦斯發(fā)電站。隨著電站運(yùn)行時(shí)間的增加，公司發(fā)現(xiàn)機(jī)組達(dá)到額定功率所需要的最低瓦斯?jié)舛仍诓粩嘧兓?，呈越?lái)越高的趨勢(shì)。至2012年7月份，機(jī)組需要在監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?3.5%以上時(shí)，才能以正常負(fù)荷運(yùn)行，而瓦斯?jié)舛仍?%時(shí)，機(jī)組甚至不能正常啟動(dòng)，這與建站初期機(jī)組在瓦斯?jié)舛?%時(shí)正常運(yùn)行的情況大相徑庭。為此，對(duì)影響低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率的因素進(jìn)行全面分析顯得尤為重要。

二、環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組功率的影響

成立的排查小組在2011年10月31日和12月28日分別對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)組做了兩次濃度變化實(shí)驗(yàn)，整理有關(guān)溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下各表，2011年10月31日對(duì)1#和2#機(jī)組做的橫向/縱向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)，當(dāng)天1#機(jī)組和2#機(jī)組保養(yǎng)良好.

表1 2011年10月31日14時(shí)13分 環(huán)境溫度：18℃ 機(jī)房溫度：22℃ 瓦斯?jié)舛龋?2.6%

表2 2011年10月31日16時(shí)00分 環(huán)境溫度：18℃ 機(jī)房溫度：22℃ 瓦斯?jié)舛龋?.6%

2007年12月28日對(duì)1#機(jī)組單獨(dú)做的兩次縱向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)，1#機(jī)組保養(yǎng)良好

表3 2011年12月28日9時(shí)30分至10時(shí)30分 環(huán)境溫度：11℃ 1#機(jī)組

注：①抽排站瓦斯溫度：測(cè)量口位于雷達(dá)水封和干式阻火器后，經(jīng)過(guò)測(cè)量口，瓦斯開(kāi)始進(jìn)入遠(yuǎn)程細(xì)水霧輸送系統(tǒng)。②進(jìn)站瓦斯溫度：在這個(gè)測(cè)量口，瓦斯結(jié)束遠(yuǎn)程細(xì)水霧輸送系統(tǒng)，開(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)細(xì)水霧輸送系統(tǒng)。③機(jī)組前溫度：瓦斯經(jīng)過(guò)全部細(xì)水霧輸送系統(tǒng)和脫水裝置，經(jīng)過(guò)測(cè)量口后，進(jìn)入發(fā)電機(jī)組。④進(jìn)缸溫度：測(cè)量口位于發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣管上，瓦斯經(jīng)過(guò)測(cè)量口后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，也就是進(jìn)入氣缸時(shí)氣體的溫度。

分析這次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合以下數(shù)據(jù)，可以證明兩點(diǎn)：

1.環(huán)境溫度對(duì)最終進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)做功的氣體溫度有決定性的影響。對(duì)比表①和表③中的數(shù)據(jù)就可以看到：在環(huán)境溫度18℃時(shí)，混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的氣體溫度是38℃；在環(huán)境溫度11℃時(shí)，進(jìn)入氣缸的溫度也下降到24℃。環(huán)境溫度7℃（18℃-11℃）的溫差就造成了最終進(jìn)入氣缸的氣體溫度溫差達(dá)到14℃（38℃-24℃）?？梢酝茰y(cè)，盛夏時(shí)節(jié)高達(dá)45℃和寒冬時(shí)0℃以下的環(huán)境溫度差，會(huì)使最終進(jìn)入氣缸的氣體溫度產(chǎn)生非常大的差別。

2.環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組功率有很大影響。結(jié)合表4進(jìn)行分析：

表4記錄了1#機(jī)組在10月31日（環(huán)境溫度18℃）和12月28日（環(huán)境溫度11℃）實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)行記錄。同樣是在18℃的環(huán)境溫度，混合后溫度也一樣，當(dāng)瓦斯?jié)舛扔?2.6%下降到7.6%時(shí)，機(jī)組左燃?xì)夂陀胰細(xì)忾_(kāi)度分別由40和43增加到82和85，左空氣和右空氣開(kāi)度也分別由38和63下降到5和2，可以看出瓦斯?jié)舛冉档秃?，機(jī)組的燃?xì)膺M(jìn)氣量大幅增加，而空氣進(jìn)氣量大幅減少，使混合后的瓦斯?jié)舛葷M足做功的要求；在24℃的進(jìn)缸溫度下，當(dāng)瓦斯?jié)舛扔?4.4%降至8.0%時(shí)，機(jī)組左燃?xì)夂陀胰細(xì)忾_(kāi)度則分別由41和26增加到61和48，左空氣和右空氣開(kāi)度分別由51和64下降到34和38。燃?xì)膺M(jìn)氣量的增加幅度和空氣進(jìn)氣量的減少幅度比前者要小的多，同時(shí)機(jī)組功率的變化幅度（0.037）比前者（0.085）卻要小的多，說(shuō)明機(jī)組對(duì)濃度變化的敏感程度變小了，也就是說(shuō)機(jī)組對(duì)濃度的適應(yīng)性變強(qiáng)了。換個(gè)角度，對(duì)比第2組和第4組的數(shù)據(jù)，也就是同樣在8%范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋煌M(jìn)氣溫度（38℃和24℃）下，發(fā)動(dòng)機(jī)組的表現(xiàn)。可以看到，進(jìn)氣溫度38℃，瓦斯?jié)舛?.6%時(shí)，機(jī)組的燃?xì)忾_(kāi)度（82、85）已經(jīng)接近上限（90），空氣的開(kāi)度（5、2）也接近下限（0），說(shuō)明燃?xì)夂涂諝獾倪M(jìn)氣量配比已經(jīng)接近最上限，機(jī)組的功率366kw，這時(shí)再想將機(jī)組功率提高，或者是瓦斯?jié)舛仍俳档投胍３滞瑯拥妮敵龉β实目臻g已經(jīng)非常小了；而在第4組數(shù)據(jù)中，進(jìn)氣溫度24℃，瓦斯?jié)舛?%時(shí)，機(jī)組的燃?xì)忾_(kāi)度（61、48）和空氣開(kāi)度（34、38）分別離自己的上限值和下限值還很遠(yuǎn)，燃?xì)夂涂諝獾倪M(jìn)氣量配比距最上限還有空間，如果這時(shí)候瓦斯?jié)舛冉档?，機(jī)組依然還可以提高燃?xì)夂涂諝獾倪M(jìn)氣量配比，在一定范圍內(nèi)保持輸出功率。

三、減小環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組功率影響的方案

結(jié)合上面的數(shù)據(jù)及結(jié)論分析，解決溫度對(duì)機(jī)組功率影響的有效辦法是對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的氣體降溫，并使這部分氣體的溫度盡量少受環(huán)境溫度的影響，整個(gè)瓦斯供氣流程中，具體到每一段，氣體的溫度差別很大。分析在整個(gè)氣體輸送的過(guò)程中，瓦斯溫度變化最大的一段是在遠(yuǎn)程細(xì)水霧輸送環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中輸送的氣體溫度最容易受到環(huán)境溫度影響的也是遠(yuǎn)程細(xì)水霧輸送環(huán)節(jié)，所以，將發(fā)動(dòng)機(jī)組的進(jìn)缸氣體溫度降下來(lái)的最有效的方法就是在遠(yuǎn)程細(xì)水霧輸送過(guò)程中將氣體溫度降低。

（一）方案1

在現(xiàn)有的系統(tǒng)上，做一些改動(dòng)，將細(xì)水霧的水溫降下來(lái)，并且在環(huán)境溫度高時(shí)，盡量減少細(xì)水霧水在輸送過(guò)程中從環(huán)境中吸收熱量。通過(guò)細(xì)水霧水將管道中瓦斯的溫度降下來(lái)，進(jìn)而降低進(jìn)缸氣體的溫度。

（1）使用更大更深的細(xì)水霧水池，一方面改善水池的散熱效果，降低水溫；另一方面更深的水池水溫更接近地溫，更能有效的穩(wěn)定水池水溫。

（2）在細(xì)水霧水池上使用涼水塔，降低水溫。

（3）對(duì)細(xì)水霧輸送管道進(jìn)行保溫，減少高溫天氣下細(xì)水霧水從環(huán)境中吸收的熱量，同時(shí)也有助于穩(wěn)定水溫。

1.方案優(yōu)點(diǎn)：投資小，工程量也相對(duì)較少；不會(huì)產(chǎn)生安全隱患；更深更大的水池有利于水垢及其它摻雜物的沉積。

2.方案缺點(diǎn)：降溫效果有限；大水池同時(shí)需要泵房的面積增大；涼水塔會(huì)加大系統(tǒng)中水的消耗量。

（二）方案2

將遠(yuǎn)程細(xì)水霧輸送管路改為地埋管道，在安裝細(xì)水霧噴頭的地方設(shè)置窨井以方便檢修。利用地溫對(duì)瓦斯起到降溫和恒溫的作用。詳見(jiàn)附圖。

1.方案優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)方案3投資小，相對(duì)方案2效果好；并且可以起到輔助脫水的作用。

2.方案缺點(diǎn)：檢修困難；管道防腐要求高；需要更深的回水池，回水困難；管道存在下沉的可能。

（三）方案3

在機(jī)組前加裝氣體預(yù)處理系統(tǒng)，從根本上解決氣體的降溫、脫水、穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。

1.方案優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)、根本的解決問(wèn)題。

2.方案缺點(diǎn)：投資大；低濃機(jī)組以前未安裝過(guò)氣體預(yù)處理裝置。

四、其他影響低濃機(jī)組運(yùn)行功率的因素

對(duì)于瓦斯爆炸極限的影響因素有：（1）可燃?xì)怏w的加入；（2）煤塵的混入；（3）惰性氣體；（4）混入氣體的初始?jí)毫Α囟?。在?duì)小青煤礦抽采的低濃度瓦斯進(jìn)行氣樣分析后發(fā)現(xiàn)：氣體中主要的可燃成分是CH4，其它可燃?xì)怏w的混入量幾乎為0。

因?yàn)橛屑?xì)水霧輸送系統(tǒng)，在整個(gè)瓦斯輸送環(huán)節(jié)中，氣體都非常的潮濕，煤塵進(jìn)入氣缸的量很少，對(duì)做功的影響也非常小。瓦斯中的主要惰性氣體是N2。CO2不參與燃燒，對(duì)做功影響也很大，但其含量非常少。瓦斯中N2的含量增加，也會(huì)影響做功，經(jīng)過(guò)對(duì)礦抽采的低濃瓦斯的抽樣分析，其可利用瓦斯?jié)舛确秶鷥?nèi)，瓦斯中N2含量很少高于73%，遠(yuǎn)低于空氣中N2的含量（78%）。而這個(gè)比例的N2含量，對(duì)機(jī)組功率的影響很小。采樣中發(fā)現(xiàn)小青礦抽采的可利用的低濃度瓦斯中O2的含量也比較充分。壓力對(duì)機(jī)組功率的影響分為兩部分：進(jìn)入機(jī)組的瓦斯壓力和進(jìn)入氣缸前的混合氣體壓力。出于安全的考慮，小青低濃度瓦斯發(fā)電站的氣源壓力不會(huì)高于10kpa，低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組要求的最低啟動(dòng)氣源壓力是3kpa，機(jī)組正常運(yùn)行所需要的最低壓力也在3kpa左右。如果瓦斯?jié)舛容^低，機(jī)組正常運(yùn)行所需要的壓力也會(huì)更高，一般在5kpa。正常運(yùn)行的低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組增壓器出口的混合氣體壓力在30kpa—40kpa，經(jīng)過(guò)兩個(gè)干式阻火器和中冷器后，進(jìn)入氣缸前的混合氣體壓力在20kpa—30kpa，低于15kpa就肯定會(huì)影響到機(jī)組的輸出功率。有時(shí)候同樣的瓦斯氣源和運(yùn)行環(huán)境，發(fā)電機(jī)組的功率也會(huì)有很大差別。

綜合以上，除進(jìn)氣溫度外，在固定瓦斯?jié)舛确秶鷥?nèi)對(duì)低濃機(jī)組功率影響的其他因素包括：瓦斯中除CH4外其他可燃?xì)怏w的混入量、煤塵的混入量、混合氣體中惰性氣體和其它不能參與燃燒氣體的含量、O2的含量、氣體的壓力（包括進(jìn)入機(jī)組的瓦斯壓力和進(jìn)入氣缸前的混合氣體壓力）以及將在后面提到的瓦斯中水的含量。其中影響小青低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組功率的主要是后三者。

五、總結(jié)

結(jié)合前5個(gè)月對(duì)低濃機(jī)組運(yùn)行功率和溫度的記錄數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，排查小組分析了對(duì)機(jī)組功率造成影響的相關(guān)因素，除氣源濃度以外，氣源壓力、氣源溫度、氣源成分以及發(fā)動(dòng)機(jī)組的保養(yǎng)程度都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組的輸出功率產(chǎn)生影響。在氣源的氣體成份無(wú)法改變的前提下，只有通過(guò)加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組的保養(yǎng)，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣源進(jìn)行脫水、降溫、穩(wěn)壓來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

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作者簡(jiǎn)介

王托（1978年-），男，高級(jí)工程師。2001年畢業(yè)于沈陽(yáng)工程學(xué)院熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)在鐵法煤業(yè)集團(tuán)煤層氣公司瓦斯發(fā)電場(chǎng)從事管理職務(wù)。

（作者單位：鐵法煤業(yè)集團(tuán)煤層氣開(kāi)發(fā)利用分公司）