淺談低濃度瓦斯發(fā)電廠工藝設(shè)計(jì)

王俊杰

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030001)

瓦斯的主要成分甲烷(CH4)直接排空會(huì)造成環(huán)境污染。研究表明，瓦斯的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，對(duì)臭氧層的破壞是CO2的7～8倍，在全球氣候變暖中的份額為15%，僅次于CO2[1]. 瓦斯充分燃燒其燃燒熱值與天然氣相當(dāng)，充分利用既可彌補(bǔ)我國(guó)油氣資源短缺，又可拉長(zhǎng)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈。目前，濃度在30%以下的低濃度瓦斯可以直接排空，如何高效利用顯得尤為重要。低濃度瓦斯發(fā)電是指利用濃度8%～30%的瓦斯進(jìn)行發(fā)電。低濃度瓦斯發(fā)電廠熱效率可達(dá)50%～60%，是低濃度瓦斯利用效率最高的方式。低濃度瓦斯發(fā)電廠工藝系統(tǒng)包括:燃料供應(yīng)、低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組、廢熱利用等部分。本文從低濃度瓦斯發(fā)電廠的工藝系統(tǒng)、重要設(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)

燃料供應(yīng)包括:低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)、低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)、低濃度瓦斯防爆等部分。燃料供應(yīng)各管段均設(shè)有放散裝置，吹掃接口，吹掃氣體為氮?dú)鈪R流排提供的氮?dú)鈁2].

1.1 低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)

瓦斯經(jīng)過(guò)在井下收集抽取后通過(guò)管路輸送到地面抽放泵站，瓦斯氣源從礦井瓦斯抽采泵站水封井附近母管接入，泵站接口處瓦斯管道壓力約15 kPa，工作溫度為常溫。接口后瓦斯安全輸送母管上依次設(shè)置自動(dòng)濕式放散裝置、電動(dòng)緊急放散裝置、水封阻火泄爆裝置等，然后分多趟瓦斯安全輸送干管至發(fā)電區(qū)域。每趟干管上依次安裝干式阻火器、自動(dòng)阻爆裝置、干粉抑爆裝置、水封阻火泄爆裝置等然后匯入瓦斯安全輸送混合管。瓦斯安全輸送混合管末端設(shè)置電動(dòng)穩(wěn)壓放散裝置。

1) 電動(dòng)緊急放散裝置、自動(dòng)濕式放散裝置和電動(dòng)穩(wěn)壓放散調(diào)節(jié)裝置。

電動(dòng)緊急放散裝置采用電動(dòng)蝶閥+阻火器，當(dāng)電廠停運(yùn)時(shí)，通過(guò)DCS控制系統(tǒng)主動(dòng)打開(kāi)電動(dòng)蝶閥將多余瓦斯放散。自動(dòng)濕式放散裝置是一種利用水封進(jìn)行超壓保護(hù)的低壓安全裝置，適用于≤20 kPa的瓦斯管道；當(dāng)瓦斯管道超壓時(shí)，水封被有效擊穿，瓦斯自動(dòng)放散；為了維持水封的水位及進(jìn)行本體防凍，自動(dòng)濕式放散裝置本身還帶有自動(dòng)補(bǔ)水及電熱小循環(huán)裝置。電動(dòng)穩(wěn)壓放散調(diào)節(jié)裝置采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥+阻火器，通過(guò)調(diào)節(jié)母管末端電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于維持母管壓力，減少機(jī)組進(jìn)氣壓力波動(dòng)。

2) 自動(dòng)阻爆裝置。

自動(dòng)阻爆裝置對(duì)火焰和沖擊波進(jìn)行超前識(shí)別，并發(fā)出控制信號(hào)控制自動(dòng)阻爆裝置啟動(dòng)，快速阻斷管道，達(dá)到切斷沖擊波和火焰?zhèn)鞑ネǖ赖哪康?，并將爆炸產(chǎn)生的沖擊波釋放出去。

3) 水封阻火泄爆裝置。

水封阻火泄爆裝置是一種采用水封消焰阻火、泄爆部件釋放爆炸壓力的方式，熄滅由于管道瓦斯燃燒爆炸產(chǎn)生的火焰，從而達(dá)到將管道瓦斯爆炸控制在一定范圍內(nèi)的管道瓦斯輸送安全保障裝置[3].

4) 干粉抑爆裝置。

干粉抑爆裝置通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鹘邮栈鹧嫘盘?hào)，輸入控制器，控制器觸發(fā)抑爆器，抑爆器將滅火劑噴射到火焰陣面上，撲滅火焰，阻止火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

5) 干式阻火器。

煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器用于煤礦瓦斯輸送管道中阻止爆燃或爆轟火焰通過(guò)。

低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1.

圖1 低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)圖

1.2 低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)

根據(jù)燃機(jī)對(duì)燃料品質(zhì)的要求，在每臺(tái)機(jī)組進(jìn)氣支管上依次設(shè)置汽水分離器、降溫脫水模塊、回?zé)崞?、初?jí)過(guò)濾器、精密過(guò)濾器等。

1) 汽水分離器。

汽水分離器用于除去瓦斯氣中的大顆粒粉塵和液態(tài)水。

2) 降溫脫水模塊。

濕瓦斯進(jìn)入低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組燃燒，將降低低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組的效率、可靠性和壽命，因此需設(shè)置降溫脫水模塊對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)冷與脫水，使得瓦斯?jié)穸冉抵溜柡鸵韵?。降溫脫水模塊包括降溫?fù)Q熱器(使瓦斯溫度降低)、制冷機(jī)組(為降溫?fù)Q熱器提供冷卻液)、循環(huán)冷卻液泵(為冷卻液提供動(dòng)力)以及補(bǔ)液箱(補(bǔ)充冷卻液損耗)。

3) 回?zé)崞鳌?/p>

經(jīng)過(guò)降溫脫水模塊后的瓦斯?jié)穸热詾轱柡?，故需通過(guò)升溫環(huán)節(jié)，降低瓦斯?jié)穸?，因此設(shè)置有回?zé)崞鳎酶滋桌鋮s液將瓦斯加熱，使得瓦斯?jié)穸冉抵?0%以下，再送至發(fā)電機(jī)組使用。

4) 初級(jí)過(guò)濾器。

瓦斯中含有的雜質(zhì)將降低低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組的效率、可靠性和壽命，因此在低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組前設(shè)置初級(jí)過(guò)濾器，以濾掉瓦斯中的粗大雜質(zhì)。

5) 精密過(guò)濾器。

在初過(guò)濾器后設(shè)置精密過(guò)濾器，以濾掉瓦斯中殘余的細(xì)小雜質(zhì)，從而確保低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組的用氣潔凈度要求。

低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2. 汽水分離器后瓦斯安全輸送管道材料采用SUS304，其他瓦斯安全輸送管道材料采用Q235. 電磁閥前設(shè)置排空放散閥。

圖2 低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)圖

1.3 低濃度瓦斯防爆

甲烷(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%. 使用井下抽放瓦斯作為機(jī)組的燃料，由于瓦斯中CH4濃度是變化的，有些低濃度瓦斯中甲烷(CH4)濃度在爆炸區(qū)域以?xún)?nèi)，因此要做好防爆工作。

低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)房、低濃度瓦斯的進(jìn)出氣閥室、油料間等爆炸危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的電氣設(shè)備除發(fā)電機(jī)組外應(yīng)采用防爆型，并有煤礦安全標(biāo)志[4].

在瓦斯安全輸送母管及瓦斯安全輸送混合管末端等處設(shè)有放散管。在低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組啟動(dòng)及停運(yùn)時(shí)瓦斯管道采用氮?dú)獯祾摺?/p>

在瓦斯安全輸送母管、瓦斯安全輸送干管上設(shè)置水封阻火泄爆裝置。

在瓦斯安全輸送干管、排空放散管上設(shè)置干式阻火器。每臺(tái)燃機(jī)進(jìn)氣支管汽水分離器和降溫脫水模塊之間安裝壓力傳感器、降溫脫水模塊和回?zé)崞髦g安裝火焰?zhèn)鞲衅?。?dāng)燃機(jī)中的任意一臺(tái)進(jìn)氣支管監(jiān)測(cè)到火焰和壓力信號(hào)時(shí)，自動(dòng)阻爆裝置與干粉抑爆裝置啟動(dòng)，報(bào)警器報(bào)警、停止瓦斯供應(yīng)，停燃機(jī)并打開(kāi)所有放散閥。

在低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)房可燃?xì)怏w報(bào)警分為兩級(jí)報(bào)警：一級(jí)報(bào)警(高限)設(shè)定值為0.5%VOL；二級(jí)報(bào)警(高高限)設(shè)定值為1%VOL. 當(dāng)達(dá)到一級(jí)報(bào)警條件時(shí)，除報(bào)警外并開(kāi)啟全部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)；當(dāng)達(dá)到二級(jí)報(bào)警條件時(shí)，除報(bào)警、開(kāi)啟全部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)外同時(shí)關(guān)閉燃機(jī)進(jìn)口快切閥，停燃機(jī)并打開(kāi)所有放散閥。

防止火源是重要的防火防爆措施，電廠運(yùn)行時(shí)要嚴(yán)禁煙火。

2 低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組

預(yù)處理后的合格瓦斯通過(guò)瓦斯管道送至低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)房或發(fā)電機(jī)組集裝箱內(nèi)依次經(jīng)過(guò)關(guān)斷閥、精密過(guò)濾器、干式阻火器、止回閥和電磁閥后，通過(guò)軟連接與低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組連接?？紤]到低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組對(duì)進(jìn)口瓦斯參數(shù)的要求，瓦斯管道上設(shè)在線(xiàn)甲烷(CH4)濃度監(jiān)測(cè)儀，當(dāng)濃度低于9%時(shí)報(bào)警，低于8%時(shí)切斷閥門(mén)，停止瓦斯供應(yīng)。低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組對(duì)燃料的通常要求見(jiàn)表1.

表1 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組對(duì)燃料的要求表

低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組可單臺(tái)運(yùn)行也可多臺(tái)并機(jī)運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行采用DCS控制。低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組是低濃度瓦斯發(fā)電的“心臟”；是將瓦斯燃燒的熱值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜔崮艿暮诵脑O(shè)備；低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組單臺(tái)全套裝置主要包括：低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、散熱水箱、機(jī)組控制屏、燃?xì)膺M(jìn)氣閥組以及滅火花型排煙消音器等。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組單機(jī)容量為100～1 500 kW，能夠滿(mǎn)足低濃度瓦斯發(fā)電廠的裝機(jī)需求。單機(jī)容量越大，單價(jià)越高，但發(fā)電效率也越高，占地面積越小，NOx排放濃度越低，燃?xì)夂兔撓醭杀驹降停\(yùn)行越穩(wěn)定。目前，在低濃度瓦斯發(fā)電領(lǐng)域已有成功運(yùn)行工程中常用的機(jī)組單機(jī)容量為1 500 kW，低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖3.

圖3 低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組系統(tǒng)圖

3 廢熱利用

在低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組發(fā)電過(guò)程中，燃料燃燒熱值中只有約40%被發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能，近50%的能量以廢熱的形式隨煙氣和缸套冷卻液排出，廢熱利用是在低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組發(fā)電的同時(shí)，對(duì)機(jī)組排出的高溫?zé)煔夂透滋桌鋮s液的能量進(jìn)行回收利用，所有熱力主管道安裝可靠的保溫以減少管道散熱損失，全廠熱效率可達(dá)60%.

3.1 煙氣廢熱利用

低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組排出的煙氣溫度高達(dá)450～550 ℃，在機(jī)組后配套廢熱鍋爐回收機(jī)組尾部高溫?zé)煔庵械膹U熱，從而產(chǎn)生蒸汽或熱水進(jìn)行發(fā)電或供熱。另外，廢熱鍋爐排煙溫度約140 ℃，若安裝低溫?fù)Q熱器，將排煙溫度降至110 ℃，則還可回收低溫?zé)煔鈴U熱。廢熱發(fā)電系統(tǒng)提高了發(fā)電效率，廢熱供熱系統(tǒng)保證了供熱的安全性，煙氣廢熱利用回收廢熱資源做到循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

3.2 缸套冷卻液廢熱利用

燃機(jī)的冷卻采用封閉式冷卻系統(tǒng)，設(shè)備各自帶遠(yuǎn)程散熱水箱，與燃機(jī)一對(duì)一配置，布置在集裝箱頂部。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)管道直接與水箱連接，水損失少。冷卻水系統(tǒng)分為缸套冷卻液冷卻和中冷水冷卻，均采用獨(dú)立的冷卻水管道。其中缸套冷卻液管路，燃機(jī)出/進(jìn)口溫度約為90/70 ℃，通過(guò)三通調(diào)節(jié)閥與遠(yuǎn)程散熱水箱及缸套冷卻液板式換熱器連接。每臺(tái)燃機(jī)配套一臺(tái)缸套冷卻液板式換熱器，可換取熱水給工業(yè)區(qū)供熱系統(tǒng)管網(wǎng)供熱和瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)溴化鋰制冷機(jī)組提供熱源。將機(jī)組缸套冷卻液廢熱充分利用，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供循環(huán)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 結(jié) 論

低濃度瓦斯發(fā)電廠的性質(zhì)通常為分布式瓦斯電廠，屬資源綜合利用，即利用抽放泵站抽采的低濃度瓦斯，通過(guò)低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)機(jī)組進(jìn)行熱電聯(lián)供，就近供煤礦使用，多余部分則輸入電網(wǎng)等。低濃度瓦斯發(fā)電廠的建設(shè)既為礦區(qū)的供電、供熱節(jié)約大量燃煤，也給電廠帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。