西銘煤礦瓦斯發(fā)電項目研究分析

張 琦

(西山煤電公司發(fā)電分公司， 山西 太原 030024)

1 前言

煤層的開采會伴隨有瓦斯的釋放，而直接排放瓦斯則會對環(huán)境產(chǎn)生污染，且瓦斯含量達(dá)到一定濃度范圍時，遇明火極易發(fā)生爆炸事故，造成事故[1-3]。因此，煤炭行業(yè)逐步發(fā)展瓦斯發(fā)電技術(shù)，不僅能夠保護(hù)環(huán)境，還能降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，減少瓦斯事故的發(fā)生[4]。

2 西銘煤礦瓦斯資源概況

根據(jù)西銘煤礦探明的地質(zhì)資料可知，礦井瓦斯儲量達(dá)2638.952Mm3。其中2#煤層瓦斯儲量114.188Mm3，可抽放量42.272Mm3；3#煤層瓦斯儲量279.895Mm3，可抽放量103.416Mm3；8#煤層瓦斯儲量968.880Mm3，可抽放量397.102Mm3，9#煤層瓦斯儲量1029.809Mm3，可抽放量421.665Mm3。礦井瓦斯資源儲量及可開發(fā)瓦斯量較豐富。

西銘煤礦屬高瓦斯礦井，在2014年南二采區(qū)采掘工作臨近尾聲，南四采區(qū)進(jìn)入9#煤回采期，北五采區(qū)進(jìn)入8#煤回采期，故在2010年至2012年新形成采區(qū)尚未正式進(jìn)行回采期間，礦井絕對瓦斯涌出量逐年下降，而在西十一2#煤42110工作面回采結(jié)束、北七8#煤48709工作面回采開始后，形成了上組煤2#、3#煤在不同采區(qū)合理配采、下組煤8#、9#煤在不同采區(qū)合理配采，且下組煤北七南六8#煤因埋藏深，瓦斯涌出量大，在2013年之后礦井絕對瓦斯涌出量呈現(xiàn)上升趨勢。

3 西銘煤礦瓦斯發(fā)電項目探究

3.1 項目概況

西銘煤礦井田位于山西省太原市境內(nèi)，地面覆蓋王封鄉(xiāng)、化客頭街辦及古交市河南鄉(xiāng)一部分。西銘煤礦在冀家溝建有地面永久瓦斯抽放泵站，該項目建設(shè)地點位于冀家溝瓦斯抽放站東北側(cè)約30m的山坡上，安裝燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組進(jìn)行瓦斯綜合利用，可以通過發(fā)電并網(wǎng)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)燃機(jī)廠家相關(guān)資料以及抽放泵站瓦斯抽放情況，公司決定建設(shè)一座8MW瓦斯發(fā)電廠，安裝16×500kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+16×0.3MW余熱回收裝置，一次設(shè)計，分步實施。一期建設(shè)規(guī)模為12×500kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組+12×0.3MW余熱回收裝置，余下為二期建設(shè)。設(shè)計總投資為5628.80萬元，其中一期為4788.65萬元，二期為840.15萬元；單位造價7036.00元/kW，其中一期為7981.08元/kW，二期為4200.75元/kW。

3.2 瓦斯抽放

(1)瓦斯抽放方法。西銘礦井整體上是通過在地面上設(shè)置固定泵站，在井下設(shè)置移動泵站互相配合抽采瓦斯。井下工作面采用本煤層抽采方法或邊采邊抽的方法，采空區(qū)則采用鉆孔抽采等方式。

(2)瓦斯抽放量預(yù)計。預(yù)計預(yù)抽瓦斯量19m3/min，邊采邊抽瓦斯量19.5m3/min，鄰近層瓦斯抽采量23m3/min，掘進(jìn)瓦斯抽采量12m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采量30m3/min，全礦井瓦斯的抽采總量為103.5m3/min。

(3)瓦斯抽放泵站。西銘煤礦的永久瓦斯抽放泵站建立在冀家溝山坡上，采用雙系統(tǒng)即高負(fù)壓和低負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行抽放。其中三臺型號為2BEC-72的水環(huán)真空泵用在高負(fù)壓抽放系統(tǒng)中，電機(jī)功率為560kW，兩臺運行一臺備用，用于礦井本煤層瓦斯抽放；而鄰近層和采空區(qū)瓦斯主要由低負(fù)壓抽放系統(tǒng)進(jìn)行抽放，水環(huán)真空泵的型號為2BEC-100，準(zhǔn)備兩臺，一臺使用，一臺作為備用。其服務(wù)年限為37年，與礦井的服務(wù)年限保持一致。

3.3 發(fā)電機(jī)組選型

依據(jù)礦山資料，擬將現(xiàn)階段西銘煤礦冀家溝瓦斯抽放泵站的低負(fù)壓抽放系統(tǒng)抽采的瓦斯混合到高負(fù)壓抽放系統(tǒng)抽采的瓦斯中，得到瓦斯?jié)舛葹?1%，總量為2149Nm3/h(即25.82Nm3/min)，多余部分對外排放。依據(jù)國內(nèi)外目前的瓦斯燃燒技術(shù)，再結(jié)合礦井抽放瓦斯的參數(shù)，最終決定將國產(chǎn)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組應(yīng)用于本次瓦斯發(fā)電項目中，因其對燃料具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對瓦斯?jié)舛群蛪毫Φ囊筝^低，且價格便宜。為了盡可能將抽采的低濃度瓦斯全部利用，確定本工程總裝機(jī)容量為8MW，裝機(jī)規(guī)模為16×500kW國產(chǎn)低濃度燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，機(jī)組布置方面采用低噪、內(nèi)部空間大、通風(fēng)效果好的廠房式。

3.4 瓦斯輸送系統(tǒng)

(1)工藝流程。本項目實施過程中，將西銘煤礦礦冀家溝瓦斯抽放泵站的低負(fù)壓抽放系統(tǒng)抽采的瓦斯混合到高負(fù)壓抽放系統(tǒng)抽采的瓦斯中，使高負(fù)壓系統(tǒng)中的瓦斯得到充分利用，最終得到瓦斯?jié)舛燃s為11%，然后通過細(xì)水霧輸送系統(tǒng)對其進(jìn)行輸送，該輸送系統(tǒng)能夠在瓦斯管道內(nèi)利用水霧發(fā)生器達(dá)到連續(xù)成霧的效果，從而降低了瓦斯管道在通往燃機(jī)間時的危險程度，最大限度地保證生產(chǎn)安全。瓦斯首先通過配備的旋風(fēng)重力脫水器，充分脫水之后進(jìn)入機(jī)組。

(2)安全保護(hù)措施。在輸送系統(tǒng)中，除利用細(xì)水霧輸送技術(shù)以外，還設(shè)置有多級阻火器來控制爆炸火焰的傳播，另外還通過濕式放散技術(shù)來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(3)燃?xì)庀到y(tǒng)。經(jīng)管道將瓦斯引至燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，在機(jī)組進(jìn)氣口處進(jìn)行空氣混合，通過渦輪增壓器進(jìn)行增壓，由中冷器進(jìn)行冷卻，由與進(jìn)氣管相連的進(jìn)氣門控制進(jìn)入氣缸，火花塞將混合氣體引燃，使活塞做功以達(dá)到發(fā)電的目的。

(4)空氣系統(tǒng)?？諝庠谶M(jìn)入箱體之前首先經(jīng)過消音器，然后再通過配置在燃機(jī)上的空氣濾清器進(jìn)行過濾，最后進(jìn)入到燃機(jī)本體。

(5)循環(huán)冷卻系統(tǒng)。將封閉式冷卻技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)，機(jī)組各配備1臺水箱，水箱為多風(fēng)扇臥式，承載散熱水箱的鋼平臺布置在燃機(jī)間室外，為達(dá)到減少水損失量的目的，水箱直接與發(fā)動機(jī)通過管道連接。高溫水冷卻系統(tǒng)和低溫水冷卻系統(tǒng)，配被的冷卻水管道相互獨立。

(6)余熱利用系統(tǒng)。本著資源綜合利用原則，本工程每臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組均配套一臺余熱回收裝置，回收機(jī)組尾部高溫?zé)煔獾挠酂?，產(chǎn)生100℃的熱風(fēng)，送往風(fēng)井場地現(xiàn)有熱風(fēng)鍋爐房，補(bǔ)充井下暖風(fēng)。余熱回收裝置與機(jī)組一一對應(yīng)，主廠房燃機(jī)間內(nèi)每排8臺余熱回收裝置產(chǎn)生的熱風(fēng)匯入廠房外風(fēng)道平臺上布置的1.5m×1.5m風(fēng)道干管，再一同匯入2.0m×2.0m的風(fēng)道母管，架空送至廠外1m處。每臺機(jī)組的高溫水通過各自的支管匯入高溫水母管并送至散熱水箱區(qū)進(jìn)行冷卻，本次設(shè)計將從高溫水母管上引出一路支管(DN32)送往聯(lián)合建筑輔助間內(nèi)設(shè)置的一臺高效智能水- 水換熱機(jī)組進(jìn)行換熱，換熱后的冷卻水通過管道(DN32)返回至高溫水母管，進(jìn)入散熱水箱區(qū)繼續(xù)進(jìn)行冷卻，換熱機(jī)組兩側(cè)產(chǎn)生的75℃/50℃熱水用做廠區(qū)采暖。

3.5 經(jīng)濟(jì)評價

財務(wù)評價中的各種參數(shù)參數(shù)發(fā)改投資〔2006〕1325號《建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》(第三版)，計算依據(jù)2009年中華人民共和國住房及城鄉(xiāng)建設(shè)部公告第366號文的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行選取。主要評價指標(biāo)見表1。

表1 財務(wù)評價指標(biāo)一覽表

由表1可看出，稅后內(nèi)部收益率為14.02%，略大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率12%，財務(wù)凈現(xiàn)值為590萬元，大于零。表明本項目除能滿足行業(yè)最低要求外，還有盈余，因而在財務(wù)上是可以接受的。由盈虧平衡點可得出凈值進(jìn)入情況下，只要發(fā)電量達(dá)到年總發(fā)電量的33.25%，即0.128×108kW·h，企業(yè)就可以保本。對市場需求變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并具備較強(qiáng)的抗風(fēng)險能力，綜上所述，本項目的投資規(guī)模合理。

4 節(jié)能效果

(1)生態(tài)環(huán)境：本項目燃用井下抽放瓦斯，年消耗瓦斯1 279.68萬Nm3(折純)，折當(dāng)量CO2(CER)19.28萬t，區(qū)域環(huán)境空氣污染物明顯減少，減少了因瓦斯排放所造成的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)。

(2)節(jié)能損耗：本項目年消耗瓦斯1 279.68×104Nm3(折純)，年發(fā)電量為0.384×108kW·h，單位水耗為0.172kg/kW·h，單位氣耗為0.333Nm3/kW·h，年節(jié)約標(biāo)煤量約為1.55萬t。

(3)經(jīng)濟(jì)效益：本項目建成發(fā)電后，正常年份每年可發(fā)電0.384×108kW·h，年上網(wǎng)電量0.362×108kW·h，上網(wǎng)電價執(zhí)行0.499元/kW·h(含稅價)，估算得本項目年銷售收入可達(dá)1 807萬元。

5 結(jié)語

西銘煤礦冀家溝瓦斯抽放泵站的高、低負(fù)壓抽放系統(tǒng)，將抽采的瓦斯進(jìn)行混合，然后利用混合后的低濃度瓦斯為燃料，通過燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。該項目的建成，使得年瓦斯減排量折純?yōu)? 279.68×104m3，折合年節(jié)約標(biāo)煤1.55×104t，使煤炭附屬資源得到充分綜合利用，既減輕了溫室氣體對環(huán)境的污染，又通過電力并網(wǎng)使企業(yè)提高了經(jīng)濟(jì)效益，拉長了煤炭生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，帶動了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。