淺談高濃度瓦斯發(fā)電廠工藝設(shè)計(jì)

王俊杰

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

我國大約有30%以上的煤礦瓦斯是甲烷含量在30%以上的高濃度瓦斯。高濃度瓦斯發(fā)電是指利用甲烷含量在30%以上的瓦斯進(jìn)行發(fā)電，而且瓦斯抽放系統(tǒng)多是以單個(gè)礦井為單位建立的，相對地作為發(fā)電燃料的瓦斯?jié)舛鹊目蛇x擇性較少。因此，在煤礦瓦斯的利用上應(yīng)考慮坑口分布式高濃度瓦斯發(fā)電廠的建設(shè)。

高濃度瓦斯發(fā)電廠工藝系統(tǒng)包括:燃料供應(yīng)與輸送系統(tǒng)、高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組、余熱利用設(shè)施等部分。下面從高濃度瓦斯發(fā)電廠的工藝系統(tǒng)，重要設(shè)施、設(shè)備的工作原理及應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)程序等方面進(jìn)行具體論述。

1 燃料供應(yīng)與輸送系統(tǒng)

煤礦在開采過程中礦井瓦斯涌出量相當(dāng)豐富，瓦斯抽放工作在礦井抽放系統(tǒng)已經(jīng)確立的情況下，其服務(wù)年限應(yīng)與礦井服務(wù)年限一致[1]. 瓦斯輸送系統(tǒng)各管段均設(shè)有放散閥、吹掃接口，吹掃氣體為氮?dú)鈪R流排提供的氮?dú)狻?/p>

1.1 加壓與混氣系統(tǒng)

經(jīng)過在井下收集抽取后通過管路輸送到地面抽放泵站的瓦斯里常含有硫分、水分，且壓力較低[2]. 因此，在瓦斯抽放泵站出口設(shè)計(jì)加壓泵房，安裝加壓風(fēng)機(jī)和脫硫脫水設(shè)備。脫硫設(shè)備可選用干法脫硫設(shè)備。采用氧化鐵脫硫劑的干法脫硫設(shè)備具有孔隙率大、硫容量大、強(qiáng)度高、遇水不粉化、不影響脫硫、脫硫效率高等特點(diǎn)。

加壓泵房將井下抽放的瓦斯升壓、脫硫脫水后，通過瓦斯管道輸送至混氣裝置。為了滿足高濃瓦斯內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)行對供氣濃度的要求，同時(shí)為了充分利用抽放的瓦斯，將瓦斯、空氣通過混氣裝置混合至30%～45%濃度進(jìn)入儲氣柜。根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)，采用隨動流量式混氣方式即以高濃瓦斯為基準(zhǔn)氣源，以低濃瓦斯或空氣為隨動氣源，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)高濃瓦斯的流量，低濃瓦斯或空氣跟隨流量的變化自動調(diào)節(jié)流量以滿足混合比例及達(dá)到工藝要求。設(shè)計(jì)選用靜態(tài)混氣器作為實(shí)現(xiàn)該混氣功能的主要設(shè)備，采用以PLC和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的核心，通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對瓦斯流量的調(diào)節(jié)，通過監(jiān)控甲烷濃度實(shí)現(xiàn)對混合氣的調(diào)控，保證穩(wěn)定的混氣比例。隨動流量式混氣方式具有控制方便、投資少、運(yùn)行費(fèi)用及維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

1.2 儲氣柜與預(yù)處理系統(tǒng)

混氣裝置出來的高濃瓦斯通過瓦斯管道接入發(fā)電廠的干式儲氣柜。儲氣柜儲存的全廠用氣量應(yīng)能夠滿足當(dāng)供氣管路故障時(shí)全廠安全停機(jī)所需的用氣量。

瓦斯從干式儲氣柜出來后通過瓦斯管道輸送至預(yù)處理車間，預(yù)處理車間的額定處理能力應(yīng)滿足全廠用氣需求。

預(yù)處理主要工藝流程如下：

瓦斯→初級過濾器→冷干除濕設(shè)備→鼓風(fēng)機(jī)→

↓ ↑

制冷機(jī)組

精密過濾器→阻火器→燃機(jī)間

1) 初級過濾器。

瓦斯中含有的雜質(zhì)會影響羅茨風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，并降低其使用壽命，故在羅茨風(fēng)機(jī)前設(shè)置初級過濾器，以濾掉瓦斯中的大部分雜質(zhì)。

2) 冷干除濕設(shè)備。

含有水分的瓦斯若直接進(jìn)入高濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)燃燒，將降低高濃瓦斯內(nèi)燃機(jī)的效率和運(yùn)行可靠性，縮短高濃燃機(jī)的使用壽命，因此需設(shè)置冷干除濕設(shè)備對瓦斯進(jìn)行預(yù)冷及脫水，以滿足內(nèi)燃機(jī)對瓦斯的濕度要求。冷干除濕設(shè)備包括：水-瓦斯氣換熱器(使瓦斯溫度降低)、氣水分離器(使瓦斯脫水)、制冷機(jī)組(為水-瓦斯氣換熱器提供冷卻水)、循環(huán)水泵(為冷卻水提供動力)以及補(bǔ)水箱(補(bǔ)充冷卻水損耗)，使得瓦斯?jié)穸冉抵粮邼舛韧咚箖?nèi)燃機(jī)濕度上限(通常為50%)以下。

3) 鼓風(fēng)機(jī)。

從儲氣柜出來的高濃瓦斯壓力較低，考慮儲氣柜至預(yù)處理車間沿程管道及閥門等的阻力損失，并滿足高濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)對燃料的進(jìn)氣壓力較高的要求，因此預(yù)處理系統(tǒng)需設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)。

4) 精密過濾器。

在羅茨鼓風(fēng)機(jī)出氣管道上設(shè)置精密過濾器，以濾掉瓦斯中殘余的細(xì)小雜質(zhì)，確保高濃燃機(jī)用氣要求。

1.3 瓦斯防爆

井下抽放瓦斯主要成分是CH4和空氣的混合氣體，CH4屬于易燃易爆氣體，所以要做好防爆工作。

可燃?xì)怏w和空氣的混合氣體遇明火而引起爆炸時(shí)的可燃?xì)怏w含量(體積分?jǐn)?shù))范圍稱為爆炸極限。在這種混合氣體中當(dāng)可燃?xì)怏w的含量減少到不能形成爆炸混合物時(shí)的含量，稱為可燃?xì)怏w的爆炸下限；而當(dāng)可燃?xì)怏w含量增加到不能形成爆炸混合物時(shí)的含量，稱為可燃?xì)怏w的爆炸上限。CH4在常壓和20 ℃溫度條件下空氣中的混合濃度爆炸下限是5%，爆炸上限是15%. 但是混合氣體的爆炸極限不是一個(gè)固定值，隨著各種因素而變化，與壓力、溫度、含氧量等因素有關(guān)。壓力增加、溫度升高、含氧量增加均使爆炸極限范圍擴(kuò)大[3]. 由于瓦斯中CH4濃度是變化的，在使用井下抽放瓦斯作為機(jī)組的燃料時(shí)不僅必須滿足CH4濃度在爆炸區(qū)域以外，而且必須有較大的安全系數(shù)。

瓦斯管道上設(shè)在線CH4濃度監(jiān)測儀，當(dāng)濃度低于32%時(shí)報(bào)警，低于30%時(shí)切斷閥門，停止瓦斯供應(yīng)。在儲氣柜進(jìn)出口、氣動盲板閥兩端及瓦斯管道末端等處設(shè)有放散管，放散管高出管道4 m，離地面不小于10 m. 在機(jī)組啟動及停運(yùn)時(shí)瓦斯管道采用氮?dú)獯祾摺Ｔ陬A(yù)處理系統(tǒng)出口及放散管上設(shè)置阻火器。每個(gè)預(yù)處理單元進(jìn)出口均設(shè)有蝶閥和氣動切斷閥，在瓦斯出口母管上設(shè)有阻火器、安全閥、放散管及流量計(jì)量裝置，確保系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

2 高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組

考慮到高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組對進(jìn)口瓦斯參數(shù)的要求，預(yù)處理后的合格瓦斯通過瓦斯管道送至燃機(jī)間依次經(jīng)過燃?xì)膺^濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、安全放散閥、電磁閥、阻火器及流量調(diào)節(jié)閥后，通過軟連接與高濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)連接。

瓦斯通過燃料輸送系統(tǒng)送至高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組。高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組對燃料的通常要求見表1.

表1 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組對燃料的要求表

高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組可單臺機(jī)組或多臺機(jī)組并機(jī)、并網(wǎng)運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行采用計(jì)算機(jī)控制。高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組是高濃度瓦斯發(fā)電廠的核心，是將瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、熱能的關(guān)鍵設(shè)備；單臺機(jī)組全套裝置主要包括：高濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、機(jī)組進(jìn)氣燃?xì)忾y組、機(jī)組并網(wǎng)控制屏、遠(yuǎn)程散熱水箱以及排煙消聲器等。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量范圍一般為500～4 000 kW，且工作性能可靠，可以滿足高濃度瓦斯發(fā)電廠的需要?，F(xiàn)在常用的煤礦坑口高濃度瓦斯單機(jī)容量為2 000 kW，發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)流程圖見圖1. 瓦斯發(fā)電廠所發(fā)電經(jīng)升壓變壓器升壓后可直接為礦區(qū)提供生產(chǎn)電力，也可并入電網(wǎng)。

圖1 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組對燃料的要求圖

3 余熱利用設(shè)施

在高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電過程中，燃料的能量只有約40%被發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能，另有約30%隨煙氣排出，20%被機(jī)組缸套水帶走，通過機(jī)身散發(fā)等其它損失約占10%左右。高濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)所用燃料近50%的能量以余熱的形式隨煙氣和缸套水排出。余熱利用設(shè)施就是在高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電的同時(shí)，以機(jī)組排出的高溫?zé)煔夂透滋姿臒嶂禐槟茉催M(jìn)行回收利用的設(shè)施，使能源達(dá)到充分利用，全廠熱效率可達(dá)50%～60%.

3.1 余熱發(fā)電利用設(shè)施

高濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣溫度較高，為了回收余熱資源，做到循環(huán)經(jīng)濟(jì)，在機(jī)組后配套余熱蒸汽鍋爐，產(chǎn)生過熱蒸汽拖動組合快裝凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。這屬于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電，由燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和余熱蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組組成[4].

余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)包括煙道、蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、除氧系統(tǒng)、鍋爐排污、鍋爐取樣和加藥、水處理系統(tǒng)等。蒸汽和給水管道均采用單母管制；余熱鍋爐補(bǔ)水用除鹽水；余熱鍋爐汽水系統(tǒng)考慮常壓省煤器系統(tǒng)，鍋爐補(bǔ)給水及來自汽輪機(jī)的冷凝水先送到常壓省煤器，在余熱鍋爐中與煙氣進(jìn)行換熱，將補(bǔ)給水加熱到120 ℃左右，再到除氧器進(jìn)行除氧處理，以提高整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。

余熱發(fā)電系統(tǒng)提高了發(fā)電效率，并能滿足各種運(yùn)行工況及事故處理，同時(shí)保證了供熱的安全性。

3.2 余熱供熱利用設(shè)施

高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻采用兩路閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)，一路是缸套水冷卻系統(tǒng)，一路是后冷卻器系統(tǒng)。每臺機(jī)組各設(shè)置一臺缸套水-水板式換熱器。電廠設(shè)置兩套換熱系統(tǒng)，一套為溴化鋰制冷機(jī)組提供熱源，瓦斯降溫脫水采用熱水型溴化鋰制冷機(jī)組制冷，利用回收缸套水余熱產(chǎn)生的熱水制冷，與常規(guī)電制冷相比，節(jié)省大量電力，同時(shí)節(jié)省散熱水箱自身消耗的電量；另一套接入工業(yè)區(qū)供熱系統(tǒng)管網(wǎng)供熱，承擔(dān)工業(yè)和民用建筑采暖供熱任務(wù)，以及供應(yīng)礦區(qū)生活和洗浴熱水；將機(jī)組缸套水余熱充分利用，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供循環(huán)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 小 結(jié)

從利用甲烷含量在30%以上的高濃度瓦斯的發(fā)電入手，論述了煤礦坑口高濃度瓦斯發(fā)電廠的建廠要求、工作原理、設(shè)備選定、余熱利用、工藝設(shè)計(jì)等具體應(yīng)用問題。高濃度瓦斯發(fā)電廠所有熱力主管道，如排氣煙道、余熱鍋爐、蒸汽管道，主給水管道等，均采用良好的絕熱保溫材料和足夠厚度的保溫層以及可靠的保護(hù)層，以減少管道散熱帶來的能量損失。

高濃度瓦斯的綜合利用，特別是煤礦坑口的高濃度瓦斯發(fā)電廠的建設(shè)既為礦區(qū)的供電、供熱節(jié)約大量燃煤也通過并網(wǎng)輸電帶來了經(jīng)濟(jì)效益。