探究瓦斯發(fā)電氣體預(yù)處理

馬志國

山西焦煤華晉焦煤公司瓦斯發(fā)電廠 山西柳林 033300

既往有資料記載，國內(nèi)低于2000m的煤層氣儲量高達(dá)37萬億m3。20世紀(jì)80年代以來，我國煤礦行業(yè)發(fā)展期間予以安全生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保問題一定重視，加強(qiáng)煤層氣抽取技術(shù)水平提升及方案優(yōu)化。目前，煤層氣的用途以居民生活用燃料為主，但是針對甲烷濃度＞35%的情況，應(yīng)加強(qiáng)煤層氣資源的挖掘，將其運用到發(fā)電領(lǐng)域中[1]。于瓦斯――內(nèi)燃機(jī)發(fā)電單元內(nèi)，因瓦斯氣體含有粉塵、水蒸氣等雜質(zhì)，氣體品質(zhì)難以達(dá)到發(fā)電機(jī)組的要求，所以要對瓦斯進(jìn)行預(yù)處理，以滿足發(fā)電機(jī)組的進(jìn)氣要求。

1 工程概況

沙曲北翼瓦斯發(fā)電站二期工程利用沙曲煤礦井下抽放煤層氣（簡稱CMM）為燃料。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組及其余熱發(fā)電裝置構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。本期發(fā)電總?cè)萘看蟾艦?1MW。發(fā)電設(shè)備被安裝于1個單元廠房中。發(fā)電機(jī)輸出電壓10.5KV，經(jīng)升壓變壓器和電網(wǎng)110kV聯(lián)接。

廠區(qū)南側(cè)已建有1座濕式儲氣柜，未來還將增加一座濕式儲氣柜，作用以儲存煤層氣為主。

2 瓦斯發(fā)電氣體預(yù)處理系統(tǒng)簡介

設(shè)計的預(yù)處理系統(tǒng)符合足14臺卡特G3520C瓦斯發(fā)電機(jī)組滿功率運行需求。發(fā)電機(jī)組所需的煤層氣總量為31878Nm3/h（CH4＝25%）。立足于煤層氣的真實抽吸、釋放狀況，預(yù)處理單元對其能達(dá)到的處理能力最大值為31875Nm3/h（CH4＝25%），最小為600Nm3/h。預(yù)處理單元分5個獨立單元，各單元對應(yīng)的最大處理能力均為6376Nmm3/h。

在預(yù)處理單元進(jìn)口處壓力為-0.3～0.6kPa。

依照設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的材料，經(jīng)過預(yù)處理的煤層氣應(yīng)該和如下幾點要求相匹配：①壓力： 14～40kPa；②溫度：25～55℃；③濕度：＜80%；④雜質(zhì)：＜1μm。單元運行流程見圖1所示[2]。

3 主要模塊的單元規(guī)劃

3.1 除濕

為保證發(fā)電機(jī)組能安全、有效運轉(zhuǎn)，則應(yīng)維持其周邊氣體濕度低于60%，但現(xiàn)況是礦井下抽吸的瓦斯氣體濕度較高，故而對瓦斯正常、有效發(fā)電過程形成一定制約作用。若瓦斯氣體濕度偏大，則會造成點火后不易燃燒，此時發(fā)電機(jī)組運行效率會下降，特殊情況下會對發(fā)電機(jī)組構(gòu)件功能造成損傷，除濕單元的運轉(zhuǎn)肌力可以做出如下表述：在壓縮機(jī)的協(xié)助下，促進(jìn)制冷劑在本單元中循環(huán)往復(fù)流動過程，借此方式促進(jìn)瓦斯氣體溫度下降過程，經(jīng)以上降溫處理后對氣體內(nèi)水分冷卻溢出過程有促進(jìn)作用，瓦斯?jié)穸茸匀欢槐唤档?。該單元的結(jié)構(gòu)框架見圖2[3]。該單元運營期間，在濕度傳感器的協(xié)助下采集與瓦斯氣體相關(guān)的濕度指標(biāo)，隨機(jī)傳感器將其整合至PLC控制器內(nèi)，經(jīng)PID算法處理，依照最初規(guī)劃的氣體濕度指標(biāo)，有針對性的調(diào)整壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)模式，促使氣體濕度達(dá)到最適宜的狀態(tài)。若能將汽水分離器及自動放水器安裝與常規(guī)除濕單元中，能更有效率的采集濕度偏大的瓦斯氣體，優(yōu)化降濕效果。

圖1 預(yù)處理單元流程示意圖

圖2 除濕單元結(jié)構(gòu)與運行機(jī)理

3.2 過濾

將初級過濾器安設(shè)在系統(tǒng)入口處理，其在降低換熱器管路積塵、堵塞等問題發(fā)生率方面體現(xiàn)出較明顯的輔助性作用，并能排除進(jìn)氣帶有的部分液態(tài)水。在系統(tǒng)出口處理安裝精密度較高的過濾器，該設(shè)施的功能是優(yōu)化進(jìn)氣質(zhì)量，以迎合發(fā)電機(jī)組的安全運行要求。

各預(yù)處理單元除塵過濾系統(tǒng)內(nèi)初級過濾器、精密過濾器均為1臺，各臺過濾器均依照100%負(fù)荷予以設(shè)計。初級、精密過濾器的濾芯材質(zhì)分別是玻璃纖維、PP，濾芯自身有除塵功能，前者還有過濾液態(tài)水功能[4]。

3.3 制冷

制冷系統(tǒng)最主要的作用是能產(chǎn)出5℃～8℃的低溫冷凍水，對瓦斯適宜冷卻處理，促使其溫度降低到12℃～15℃區(qū)間內(nèi)。

系統(tǒng)構(gòu)成如下：1套風(fēng)冷式制冷機(jī)，1個主模塊，1個從模塊；1臺冷凍循環(huán)水泵；冷干機(jī)出口隔離閥、逆止閥以及水過濾器各1個；2個水泵進(jìn)出口隔離閥。

各單元制冷機(jī)組分2個模塊，各個模塊能在制冷主機(jī)的控制下自動運行。制冷機(jī)組通過自動檢測回水的溫度達(dá)到對各模塊的啟停狀態(tài)的有效調(diào)控。當(dāng)回水溫度＞8℃時，機(jī)組會分級啟動，直到溫度降至預(yù)先設(shè)定的范圍。當(dāng)回水溫度＜5℃時，機(jī)組會分級停止，直至溫度回到預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

3.4 排水單元

系統(tǒng)構(gòu)成以排水管路和水封為主，依照排水系統(tǒng)的壓力規(guī)劃水封的埋深高度及安置排水管路。該系統(tǒng)的功能是排除系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的液態(tài)水。液態(tài)水的始源主要由如下幾種：（1）伴隨瓦斯氣流攜帶而來的液態(tài)水；（2）瓦斯氣體冷卻期間形成的凝結(jié)水；（3）其他狀況下產(chǎn)生的液態(tài)水[5]。

3.5 放空單元

各套預(yù)處理單元均安裝了放空管系，再由DN200的放散總管經(jīng)阻火器排送廠房外部。各套單元都設(shè)有兩級放散裝置，一種是自動放散DN100，此閥前后設(shè)有手動閥，且正常情況下手動閥呈開啟狀態(tài)，一種是機(jī)械式放散DN80。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力＞70kPa時，通過控制系統(tǒng)可以自動打開放散氣動閥 ，當(dāng)壓力＜55kPa時，放散閥通過控制系統(tǒng)可以自動關(guān)閉。當(dāng)壓力達(dá)到100kPa時，機(jī)械式的安全閥會開啟，當(dāng)壓力指標(biāo)跌落后，安全閥隨即閉合。以上兩路放散管路統(tǒng)一接至系統(tǒng)總的放散管路，且于該段管路上安裝了阻火器。

在自動運轉(zhuǎn)的工況下，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到出口壓力＞70kPa時，PLC就會促使放空氣動閥（DN100）自動啟動；當(dāng)出口壓力＜55kPa時，放空氣動閥（DN100）會自行閉合。

3.6 壓縮空氣單元

系統(tǒng)構(gòu)成如下：2臺空氣壓縮機(jī)（一備一用）；1個儲氣罐；1個汽水分離器；1個水過濾器；1個油過濾器。

空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣先經(jīng)汽水分離器除去液態(tài)水，隨即經(jīng)一個小型的儲氣罐，而后被整合到水過濾器與油過濾器，分別剔除壓縮空氣中的固體雜質(zhì)、水分和油份，最后進(jìn)入各個用氣設(shè)備?？諌簷C(jī)為預(yù)處理系統(tǒng)內(nèi)5個進(jìn)氣總閥、5個出氣總閥、5個放散閥供應(yīng)氣源。

空壓機(jī)的出口壓力為0.6～0.8MPa。當(dāng)壓縮空氣系統(tǒng)檢測到空壓機(jī)啟動信號后，#1空壓機(jī)運轉(zhuǎn)，其能只能出口對應(yīng)的壓力指標(biāo)。當(dāng)儲氣罐的壓力達(dá)到0.7MPa時，其暫停運行。當(dāng)其檢測到出口壓力＜0.5MPa時，其智能啟動補(bǔ)壓。

3.7 控制單元

瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)符合持續(xù)運轉(zhuǎn)工況，應(yīng)具備如下幾點功能[6]：（1）瓦斯預(yù)處理裝置應(yīng)符合持續(xù)自動運行要求，在無人值守下能實現(xiàn)有效控制；（2）自動負(fù)荷卸載，如果發(fā)電機(jī)組減負(fù)荷，則應(yīng)采用預(yù)設(shè)的流程，采用變頻降低負(fù)荷。當(dāng)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時，則要斷開供氣管路，自動停機(jī)；（3）系統(tǒng)安設(shè)了超壓保護(hù)旁路，這樣就能在超壓工況下，啟動放散閥，排空氣體；若系統(tǒng)壓力不斷上升，在特殊情況下，安裝于管路上的安全閥將自動啟用；（4）管路上安裝了甲烷分析儀，在甲烷濃度偏低狀況下，入口的燃?xì)馇袛嚅y會自動閉合；（5）將壓力傳感器安置于系統(tǒng)入口，當(dāng)檢測到系統(tǒng)來氣壓力低于設(shè)定值時，系統(tǒng)自性發(fā)出報警信號，并停機(jī)；（6）控制系統(tǒng)能把檢測到的參數(shù)傳導(dǎo)給主控室；（7）控制系統(tǒng)有歷史數(shù)據(jù)查詢、趨向圖查閱等功能。

4 結(jié)語

本文中設(shè)計的預(yù)處理系統(tǒng)從儲氣罐出來的瓦斯氣首先經(jīng)過進(jìn)氣母管，經(jīng)由各個單元進(jìn)氣總閥以后，瓦斯氣進(jìn)入初級過濾器，簡單除去液態(tài)水并濾除大顆粒雜質(zhì)，然后流經(jīng)除濕設(shè)備進(jìn)行冷凍干燥，干燥后的氣體隨后經(jīng)風(fēng)機(jī)升壓后入精密過濾器除去小顆粒的固體雜質(zhì)，然后流經(jīng)阻火器，監(jiān)測儀表和出口流量計，最后進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)組。生產(chǎn)實踐有力的證明，通過對瓦斯氣體實施預(yù)處理措施，有益于提升自動化水平，降低值班人員的工作強(qiáng)度，最關(guān)鍵的一點是使煤礦安穩(wěn)生產(chǎn)作業(yè)得到根本性保障。