低濃度瓦斯發(fā)電站安全保障措施研究

董紫亮

（汾西礦業(yè)集團(tuán)新能源開發(fā)有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

引言

瓦斯是一種新穎節(jié)能的一種發(fā)電能源，瓦斯的濃度在不超過(guò)30%的情況下稱為低濃度瓦斯，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)主要應(yīng)用在煤礦開采當(dāng)中，并且與煤礦是相互共生的，當(dāng)甲烷的濃度超過(guò)5%～16%的范圍后容易出現(xiàn)火災(zāi)爆炸事故，所以為了保證煤礦的開采安全，利用了低濃度的瓦斯發(fā)電技術(shù)，降低了煤炭開采和運(yùn)輸出現(xiàn)事故的機(jī)率。

1 中冷器和增壓器的作用

低濃度瓦斯發(fā)電與高濃度瓦斯發(fā)電不同，要想有效提高低濃度瓦斯發(fā)電的工作效率，將中冷器和增壓器兩個(gè)部件設(shè)置到低濃度發(fā)電機(jī)中。增壓器應(yīng)用到低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)中可以將排出的廢氣進(jìn)行利用并加快渦輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，在快速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中能夠帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)對(duì)可燃混合氣體進(jìn)行壓縮，使混合氣體產(chǎn)生一定的壓力并進(jìn)入到氣缸，促使發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)充氣密度提高功率，保證瓦斯發(fā)電系統(tǒng)安全性。中冷器能將進(jìn)入到瓦斯發(fā)電機(jī)的氣體通過(guò)冷卻裝置降低氣體的溫度，加強(qiáng)氣體的密度并保證發(fā)電安全，中冷器的主體由圓管串片和散熱器組成，利用風(fēng)冷技術(shù)通過(guò)水泵降低瓦斯的溫度。低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)裝置了安全防爆系統(tǒng)；在曲軸箱上設(shè)置上防爆門、進(jìn)氣管中同樣安裝了防爆系統(tǒng)和導(dǎo)氣孔。曲軸箱在機(jī)器側(cè)面棺材蓋上設(shè)置防爆門，當(dāng)出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)瓦斯氣體發(fā)生爆炸現(xiàn)象時(shí)，在劇烈的壓力下促使防爆門自動(dòng)打開，發(fā)揮出自身的預(yù)壓作用避免損壞機(jī)器。在進(jìn)氣管上防爆裝置系統(tǒng)是由防護(hù)罩、彈簧和閥桿這三個(gè)部件組成，當(dāng)進(jìn)氣管中出現(xiàn)揮霍現(xiàn)象時(shí)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣管內(nèi)的壓力升高，自動(dòng)打開閥門卸壓從而保護(hù)進(jìn)氣管不受到破壞。呼吸器裝置能夠保證曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生的廢氣及時(shí)排出，從而保證了曲軸箱的安全性。

2 總成低濃度發(fā)電系統(tǒng)的原理

在煤礦的瓦斯抽放泵站利用大型的水環(huán)系統(tǒng)將井下的瓦斯抽取出來(lái)并經(jīng)過(guò)安全運(yùn)輸管道運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的發(fā)電阻。低密度的瓦斯需要經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)過(guò)濾器、干式阻火器、水封防爆器等一系列安全輸送系統(tǒng)。絲網(wǎng)過(guò)濾器能夠?qū)⑼咚怪械墓腆w顆粒過(guò)濾出來(lái)，氣體的純度相應(yīng)的提高。干式阻隔器的應(yīng)用能夠保證依然物體的安全性，在阻火器裝有黃銅或者不銹鋼金屬網(wǎng)，當(dāng)火焰進(jìn)入到阻隔器中金屬網(wǎng)會(huì)發(fā)揮出導(dǎo)熱功能將分散的熱量吸收進(jìn)來(lái)，促使溫度下降，從而將火焰熄滅發(fā)揮出阻火作用。水封防爆器是一項(xiàng)單向輸送系統(tǒng)的裝置，當(dāng)管道出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象時(shí)會(huì)防止出現(xiàn)火焰向上蔓延的現(xiàn)象。在瓦斯輸送的過(guò)程中經(jīng)過(guò)細(xì)水霧系統(tǒng)灑出霧化水降低瓦斯的溫度，從而起到阻止火焰的作用。在低濃度瓦斯進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前要經(jīng)過(guò)氣水分離器，將瓦斯中的水分分離出來(lái)從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的要求。發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)利用的是往復(fù)式的燃?xì)庋b置進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)的容量可以達(dá)到625 kVA，并且可以轉(zhuǎn)化成r/min，從而輸出400 V 的電壓。PLC 控制系統(tǒng)是由溫度傳感器、壓力傳感器等相關(guān)設(shè)備組成。當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度、轉(zhuǎn)數(shù)和壓時(shí)PLC 會(huì)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出停止運(yùn)行信號(hào)。余熱溫度可以進(jìn)行回收利用，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中排出的煙霧溫度可達(dá)到600 ℃，利用余熱回收系統(tǒng)回收煙氣進(jìn)行冬季供暖。

3 各個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用原理

3.1 水位自控式水封阻火器、絲網(wǎng)過(guò)濾器、瓦斯管道專用阻隔器

水位自動(dòng)式水封阻火器的應(yīng)用原理是火焰在進(jìn)入到水汽混合層時(shí)會(huì)與水充分接觸，同時(shí)水分將火焰燃燒的能力充分吸收和蒸發(fā)，從而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)自由基減少并消除，水在火焰的作用下會(huì)瞬間蒸發(fā)，會(huì)使瓦斯氣體當(dāng)中的甲烷濃度降低，產(chǎn)生熄火作用。水位自控式水封阻隔器采用了雷達(dá)液位計(jì)檢測(cè)裝置和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果水位下降到規(guī)定的范圍后會(huì)自動(dòng)的補(bǔ)水；如果出現(xiàn)水位升高現(xiàn)象也會(huì)自動(dòng)的放流，從而保證了水位的恒定并保證了阻隔器的可靠性。這種設(shè)備一般在瓦斯抽放泵想瓦斯發(fā)電管輸送過(guò)程中。絲網(wǎng)過(guò)濾器主要裝置在水位自動(dòng)式水封阻火器的后邊。絲網(wǎng)過(guò)濾器應(yīng)用到瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中，目的是為了保證瓦斯氣體的純度在瓦斯氣體運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中過(guò)濾出其中的雜質(zhì)和氣體，避免出現(xiàn)堵塞瓦斯運(yùn)輸管道的現(xiàn)象，使各種部件的使用周期加長(zhǎng)。不銹鋼絲絨是絲網(wǎng)過(guò)濾器裝置主要使用的材質(zhì)，采用了攔截技術(shù)保證了瓦斯氣體的純度。瓦斯管道專用阻隔器主要裝置在絲網(wǎng)過(guò)濾器之后。這項(xiàng)技術(shù)的工作原理主要用在了狹窄通道中起到熄火作用?；鹧嬖讵M縫中出現(xiàn)熄火的原因，是因?yàn)楦鞣N外界因素產(chǎn)生化學(xué)現(xiàn)象，從而出現(xiàn)放熱和散熱的不合理因素，導(dǎo)致出現(xiàn)熄火現(xiàn)象?；鹧孢M(jìn)入到瓦斯管道中火焰的表面狹縫冷壁處靠近，與其中的自由原子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)釋放出能量，當(dāng)火焰面和冷壁邊界達(dá)到一定的距離后，滅火層的厚度會(huì)隨著火焰的運(yùn)動(dòng)面的增大而增大，在自由基進(jìn)入到滅火層后會(huì)產(chǎn)生復(fù)合分子并釋放出一定的能量，并逐漸減少，從而熄滅火焰。

3.2 低溫濕式放散閥、細(xì)水霧混合輸送系統(tǒng)

低溫濕式放散閥一般情況下設(shè)置在阻隔器的輸送管道上。當(dāng)系統(tǒng)工作的過(guò)程中氣量突然性減少時(shí)，要想保證煤礦水循環(huán)真空泵運(yùn)行的安全性和瓦斯輸送系統(tǒng)工作在規(guī)定的界限內(nèi)，就需要將低溫濕式放散閥設(shè)置到輸送系統(tǒng)的輸氣管道上。當(dāng)輸送內(nèi)管道出現(xiàn)壓力增大的情況時(shí)，瓦斯就會(huì)隨著水溢出排空，通過(guò)改變放散閥內(nèi)的水量或者水面高度來(lái)調(diào)整和設(shè)定放散壓力。液位變送器能夠發(fā)揮出計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)。瓦斯隨著水流放三道空氣中。所以低溫濕式放散閥的作用就是阻隔外部可能產(chǎn)生的火源和系統(tǒng)內(nèi)瓦斯接觸，從而保證放散的安全性。

最后一個(gè)關(guān)鍵性的安全設(shè)施，一般情況下在主管道阻隔器和低溫濕式放散閥旁邊的接口上需要設(shè)置瓦斯細(xì)水霧混合輸送系統(tǒng)。瓦斯輸送管道上需要每個(gè)大約15 cm 的距離安裝一個(gè)水霧發(fā)生器。瓦斯發(fā)電站內(nèi)需要安裝一個(gè)霧化水池安裝區(qū)，并且在其中設(shè)置上多個(gè)等級(jí)的離心泵，從而產(chǎn)生高壓水輸送到瓦斯管線上的水霧發(fā)生器上，之后利用水霧發(fā)生器將水霧噴射到瓦斯管道內(nèi)。由于瓦斯管道內(nèi)的瓦斯含有大量的水霧從而防止出現(xiàn)火焰現(xiàn)象，并有效阻隔火焰，從而加強(qiáng)了瓦斯輸送的安全性。

3.3 環(huán)境安全系統(tǒng)監(jiān)控裝置的應(yīng)用

在瓦斯發(fā)電的主管和支管上裝有環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測(cè)主管和只管的輸送情況，從而可以準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)輸送過(guò)程是否存在異常情況。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)的傳送并連接到信號(hào)控制平臺(tái)，當(dāng)前主要由相關(guān)的管理員操作控制平臺(tái)，可以全面、及時(shí)地監(jiān)控安全系統(tǒng)的運(yùn)行?？刂破脚_(tái)信號(hào)連接包括電源模塊和分析對(duì)比模塊以及緊急控制模塊，主要將監(jiān)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將監(jiān)測(cè)反饋回來(lái)的數(shù)值和平臺(tái)設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判定其中是否存在異常情況。在主管和支管上分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的控制伐?？刂破脚_(tái)在環(huán)境監(jiān)測(cè)的過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)異常情況，主管和支管上的控制閥可以快速切斷主管和支管，從而保證了瓦斯輸送的安全性。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的測(cè)量范圍有瓦斯的溫度、流量和濃度，通過(guò)安全控制平臺(tái)和傳送線的連接監(jiān)測(cè)到瓦斯輸送過(guò)程中產(chǎn)生的溫度，從而能夠?qū)χ鞴芎椭Ч苌系臏囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中出現(xiàn)的異常。安全監(jiān)控系統(tǒng)是由專門的安全管理人員進(jìn)行掌控，能夠及時(shí)掌握和控制整體安全系統(tǒng)的情況。安全控制平臺(tái)主要包括電源、分析對(duì)比和緊急控制三個(gè)模塊。平臺(tái)的電源主要是由電源模塊進(jìn)行控制，主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，并對(duì)傳送過(guò)程中產(chǎn)生的溫度、流量和濃度數(shù)據(jù)與原本設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)異常情況將進(jìn)行阻斷，從而加強(qiáng)了低濃度瓦斯燃燒過(guò)程中安全性。通過(guò)用三組實(shí)驗(yàn)對(duì)未使用的瓦斯燃燒安全系統(tǒng)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對(duì)比。在第一組實(shí)驗(yàn)中用濃度在6.5%～7.1%范圍內(nèi)的低濃度瓦斯，其流量波動(dòng)大致在2400～2600 m3/h 范圍內(nèi)；在第二組應(yīng)用了濃度為5.6%～6.5%的低濃度瓦斯，產(chǎn)生的流量波動(dòng)在2300～2500 m3/h 范圍內(nèi)；對(duì)于第三組實(shí)驗(yàn)采用了濃度在4.3%～5.4%范圍內(nèi)的低濃度瓦斯，產(chǎn)生的流量波動(dòng)在2200～2600 m3/h 范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)幾組流量波動(dòng)數(shù)據(jù)分析，未裝置安全系統(tǒng)的情況下濃度越低的產(chǎn)生的流量波動(dòng)越大，出現(xiàn)的機(jī)會(huì)越多越容易導(dǎo)致低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒出現(xiàn)回火的現(xiàn)象。如果裝置了安全系統(tǒng)，就會(huì)避免低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒過(guò)程中出現(xiàn)回火現(xiàn)象。低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒系統(tǒng)可以對(duì)近期波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而保證了低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒裝置系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上內(nèi)容分析，對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中的各種應(yīng)用技術(shù)和安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)控制能力進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高了低濃度瓦斯發(fā)電廠的安全性和穩(wěn)定性。