低濃度瓦斯發(fā)電在開元煤礦的應(yīng)用

王 俊

(晉中市陽煤揚(yáng)德煤層氣發(fā)電有限公司，山西 晉中 045400)

瓦斯是煤炭的一種伴生能源，濃度在25%以上的瓦斯稱為高濃度瓦斯，高濃度瓦斯的抽采技術(shù)已非常成熟，可直供鍋爐燃燒、化工生產(chǎn)或民用。濃度在25%以下的瓦斯稱為低濃度瓦斯，5%～16%的低濃度瓦斯遇明火即可發(fā)生爆炸，在抽采、運(yùn)輸過程中存在較大的安全隱患，煤炭開采過程中若通風(fēng)不暢或抽采不及時(shí)會(huì)引起安全事故。由于瓦斯?jié)舛群统榉帕坎环€(wěn)定，所以瓦斯的利用率非常低，大部分瓦斯被直接排放到大氣中，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。開元煤礦借鑒國內(nèi)外礦井低濃度煤層氣利用技術(shù)，結(jié)合煤礦實(shí)例，建立了瓦斯發(fā)電站，并根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀提出了改進(jìn)措施。

1 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)

1.1 低濃度瓦斯發(fā)電站系統(tǒng)組成

1) 瓦斯抽采系統(tǒng)。煤礦設(shè)有專用的瓦斯抽放泵站，使用大型水環(huán)真空泵將井下工作面的瓦斯抽采出后經(jīng)過安全性強(qiáng)的輸送管道輸送至發(fā)電機(jī)組。

2) 安全輸送系統(tǒng)。在低濃度瓦斯輸送過程中，增設(shè)了絲網(wǎng)過濾器、干式阻火器、水封防爆器、細(xì)水霧裝置以及終端的氣水分離器。絲網(wǎng)過濾器內(nèi)部由絲網(wǎng)構(gòu)成，可以過濾瓦斯氣體中固體顆粒，提高進(jìn)氣純度。干式阻火器是用來阻止易燃?xì)怏w的火焰蔓延的安全裝置，其原理是阻火器內(nèi)裝滿了黃銅或不銹鋼的金屬網(wǎng)，當(dāng)火焰進(jìn)入阻火器時(shí)，金屬網(wǎng)導(dǎo)熱系數(shù)高，吸收分散熱量，使溫度降低，熄滅火焰起到阻火作用。水封防爆器是單向輸氣裝置，當(dāng)管道發(fā)生爆炸時(shí)，阻止火焰向上游蔓延。細(xì)水霧系統(tǒng)將霧化水灑向輸送的瓦斯，給瓦斯進(jìn)行降溫，達(dá)到阻止火焰的效果。氣水分離器是在低濃度瓦斯進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前，將燃?xì)庵械乃址蛛x出去，以便其達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣要求。

3) 發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。使用往復(fù)式12缸4個(gè)沖程燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)容量為625 kVA，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，輸出電壓為400 V.

4) 控制系統(tǒng)PLC.控制系統(tǒng)由溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)數(shù)傳感器、電子設(shè)備、調(diào)速設(shè)備、停機(jī)設(shè)備及燃料供給設(shè)備組成。若燃燒室溫度、轉(zhuǎn)數(shù)及壓力超過預(yù)設(shè)值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出指令停止相應(yīng)設(shè)備。

5) 并網(wǎng)供電系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組輸出電壓為400 V，經(jīng)控制柜、斷路器柜、2 000 kVA升壓變壓器升到35 kV，經(jīng)高壓開關(guān)柜，用自動(dòng)準(zhǔn)同期方式并網(wǎng)。

6) 余熱利用系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組排煙溫度600 ℃，煙氣余熱回收后可進(jìn)行冬季供暖。

瓦斯安全輸送系統(tǒng)圖見圖1. 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部簡圖見圖2.

圖1 瓦斯安全輸送系統(tǒng)圖

1.2 發(fā)電過程

抽采出的瓦斯經(jīng)輸送管道進(jìn)入水位自控式水封阻火器→瓦斯專用管道阻火器→水霧發(fā)生器→溢流脫水水封阻火器→旋風(fēng)重力脫水器，最后進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，將低濃度瓦斯和空氣混合，制成混合燃燒氣。將混合燃燒氣送入氣缸中，經(jīng)過活塞壓縮-點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，將動(dòng)力傳給發(fā)電機(jī)，通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)行發(fā)電。

1.3 低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的核心技術(shù)

低濃度瓦斯發(fā)電在應(yīng)用過程中為了保證發(fā)電過程順利進(jìn)行，需要核心技術(shù)來支撐。

1) 瓦斯管道專用阻火技術(shù)。在增壓器前與調(diào)節(jié)閥之間設(shè)置一道阻火器，防止增壓器可能的火焰回傳瓦斯輸送管道。在中冷器前與增壓器后設(shè)置一道阻火器，防止增壓器可能的火焰破壞中冷器。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總管與調(diào)速蝶門之間設(shè)置一道阻火器，防止發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰回傳。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部簡圖

2) 電控燃?xì)饣旌霞夹g(shù)。為了適應(yīng)瓦斯?jié)舛茸兓褂糜?jì)算機(jī)控制空燃比和混合氣的混合比例，使發(fā)電機(jī)組輸出功率穩(wěn)定。

3) 瓦斯與空氣混合增壓技術(shù)。煤礦瓦斯壓力較低，不能直接進(jìn)行發(fā)電，為了減少投資，降低安全隱患，使用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣將混合氣增壓后進(jìn)行發(fā)電，不需要使用額外的增壓裝置對混合氣進(jìn)行增壓。

4) 燃燒自動(dòng)控制技術(shù)。將機(jī)組缸溫控制在420 ℃以下，降低熱負(fù)荷，避免爆震發(fā)生，延長關(guān)鍵部件的使用壽命。

5) 細(xì)水霧輸送裝置。保證輸送管道不漏氣、不易燃。具體安置數(shù)量由管道長度和機(jī)組規(guī)模決定。

2 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

2.1 開元煤礦低濃度瓦斯發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀

瓦斯抽放系統(tǒng)：純瓦斯抽放量2 500萬m3/年，瓦斯?jié)舛?0%～20%，滿足低濃度瓦斯發(fā)電需求。瓦斯發(fā)電站：20臺(tái)G12V190ZLWd2-2裝機(jī)容量 10 MW發(fā)電站。

1) 經(jīng)濟(jì)效益。將濃度為10%左右的瓦斯進(jìn)行預(yù)處理后應(yīng)用低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)(型號(hào)為G12V190ZLWd2-2)進(jìn)行發(fā)電。該煤礦有20臺(tái)發(fā)電機(jī)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷500 kW，每臺(tái)機(jī)器連續(xù)運(yùn)行實(shí)際功率=發(fā)電機(jī)功率×功率因素，即500 kW×0.8=400 kW，除去檢修時(shí)間，年工作時(shí)間約為330天，年發(fā)電量=20臺(tái)×400 kW×24 h×330天=6 336萬kWh，總收益為：0.5萬/kWh×6 336萬kWh=3 168萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2) 社會(huì)效益。如果將瓦斯氣體直接排放到空氣當(dāng)中，會(huì)對大氣造成嚴(yán)重污染，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，對臭氧的損害是一氧化碳的7倍。該煤礦抽采的煤層氣濃度在12%左右，按每日發(fā)電所需低濃度瓦斯為50萬m3計(jì)算，年消耗約為18 000萬m3，減少瓦斯直接排放后造成的溫室效應(yīng)。

3) 余熱利用。冬季利用板式換熱器將余熱供給廠區(qū)供暖系統(tǒng)，但是夏季不需要供暖，余熱回收功能無法實(shí)現(xiàn)。

4) 由于技術(shù)限制，低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)普遍功率在1 000 kW以下，加上低濃度瓦斯的濃度、壓力不穩(wěn)定，所以自動(dòng)化程度比較低，如何進(jìn)一步提高低濃度瓦斯發(fā)電效率將是下一步研究的方向。該礦在使用瓦斯發(fā)電時(shí)，使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電后瓦斯燃燒充分，抗爆燃性能好，有害氣體排放少，但是機(jī)組在維修和保養(yǎng)時(shí)工作較復(fù)雜。

2.2 低濃度瓦斯發(fā)電安全保障措施

低濃度瓦斯發(fā)電時(shí)主要有兩大難點(diǎn)：

1) 低濃度瓦斯輸送困難，由于瓦斯?jié)舛仍?%～16%時(shí)，如遇明火會(huì)發(fā)生爆炸，而低濃度瓦斯一般都在這區(qū)間。

2) 由于低濃度瓦斯?jié)舛?、壓力不穩(wěn)定容易波動(dòng)，極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中止。

與高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)相比，為了提高低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)的工作效率，在低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)加入了中冷器和增壓器兩個(gè)重要部件。增壓器的作用是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣所具有的能量，驅(qū)動(dòng)渦輪使之高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之同軸的壓氣機(jī)，將可燃混合氣壓縮，使具有一定壓力的混合氣進(jìn)入氣缸，使發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣密度增加，升功率提高，經(jīng)濟(jì)性能得到改善。中冷器的作用是冷卻進(jìn)入發(fā)電機(jī)的瓦斯氣體，降低氣體溫度，增加氣體密度，減少安全隱患，其主體是圓管串片散熱器結(jié)構(gòu)，采用風(fēng)冷方式，通過水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液冷卻瓦斯。

低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)還采取了必要的防爆安全措施：曲軸箱設(shè)有防爆門、進(jìn)氣管設(shè)有防爆裝置、呼吸器設(shè)有導(dǎo)氣孔。曲軸箱防爆門設(shè)在機(jī)體側(cè)面觀察蓋上，當(dāng)由于異常導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)瓦斯氣體出現(xiàn)爆燃時(shí)，曲軸箱壓力急劇升高，使防爆門自動(dòng)打開，起卸壓作用，防止機(jī)器損壞。進(jìn)氣管防爆裝置主要有防護(hù)罩、彈簧和閥桿構(gòu)成，如進(jìn)氣管產(chǎn)生回火時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)壓力升高，推開閥桿卸壓，起到保護(hù)進(jìn)氣管的目的。呼吸器則保證了曲軸箱內(nèi)可能混有的可燃?xì)怏w的廢氣及時(shí)排出。

3 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)改進(jìn)措施

3.1 液態(tài)水對發(fā)電效果的影響

細(xì)水霧混合輸送法是目前常用的瓦斯輸送方法，適用于長距離輸送。鑒于瓦斯輸送過程中的易燃易爆特性，在輸送過程中采用細(xì)水霧系統(tǒng)給管路中的瓦斯氣體灑水，確保輸送安全。在進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前需要進(jìn)行脫水除霧處理，使用重力分離式脫水方式，該裝置設(shè)備簡單，利于后期維護(hù)，但是脫水效率差，仍有部分液態(tài)水隨著氣流進(jìn)入發(fā)電機(jī)組，可導(dǎo)致火花塞點(diǎn)火困難，影響發(fā)電效率，另外加速輸送管道銹蝕，引起機(jī)組生銹，影響機(jī)器壽命。針對這一狀況增設(shè)了電制冷脫水裝置，在開元煤礦經(jīng)過兩年驗(yàn)證，機(jī)組運(yùn)行狀況得到明顯改善，發(fā)電效率也明顯提升。

3.2 低濃度瓦斯安全輸送問題

通過使用安全保障技術(shù)及安全保障裝置后，低濃度瓦斯輸送安全問題得到改善，但是仍無法將安全事故發(fā)生率降低為零。通過查找文獻(xiàn)，提出幾點(diǎn)關(guān)于安全輸氣的方法：

1) 控制瓦斯氣體的濃度和壓力，在輸氣系統(tǒng)的進(jìn)氣段及檢驗(yàn)排空段進(jìn)行瓦斯氣體的濃度和壓力校驗(yàn)，提供恒濃度恒壓力的氣源。

2) 進(jìn)一步提高輸送管道質(zhì)量，對輸送管道進(jìn)行防腐蝕、防靜電、防漏氣、防破壞處理。

3)提高全員安全意識(shí)，認(rèn)真執(zhí)行科學(xué)有效的操作規(guī)程。

3.3 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的維修和保養(yǎng)

該礦使用的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是濟(jì)南柴威動(dòng)力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的G12V190ZLWd2-2內(nèi)混式氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，該種機(jī)組在運(yùn)行工作條件惡劣的情況下，零件易損傷，拆卸及更換工作也復(fù)雜，因此，對日常維護(hù)和保養(yǎng)工作要求較高。維修組工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行日常保養(yǎng)，做好潤滑系統(tǒng)和空氣過濾器的檢查保養(yǎng)工作，以及相關(guān)間隙和角度的檢查和調(diào)整工作，確保機(jī)組可靠運(yùn)行。機(jī)組活塞、氣缸、進(jìn)排氣門發(fā)生故障的頻率較高，維護(hù)量大，應(yīng)采用合適的維修工具或者對原有工具進(jìn)行改進(jìn)，提高檢修效率。

3.4 余熱回收功能開發(fā)

該礦冬季對低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱進(jìn)行回收供暖，但夏季未實(shí)現(xiàn)余熱回收功能，不僅造成資源浪費(fèi)，而且廢氣在冷卻降溫過程中會(huì)增加冷卻水的用量。可利用機(jī)組余熱進(jìn)行洗浴、向風(fēng)井送熱風(fēng)暖井等，環(huán)保和社會(huì)效益顯著。

4 小 結(jié)

低濃度瓦斯安全輸送問題得到妥善解決后，會(huì)大大提高低濃度瓦斯的利用率，低濃度瓦斯利用將向綜合利用方向發(fā)展，在以后的工作中，如何更高效利用瓦斯，會(huì)逐步成為從業(yè)者研究主題。