煤層氣發(fā)電增容改造項(xiàng)目可行性研究

摘 要：伴隨著煤礦高效生產(chǎn)，大量煤層瓦斯隨著井下抽放和礦井通風(fēng)直接或間接排放到空氣中，煤層瓦斯排放不僅浪費(fèi)了潔凈能源，而且也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的不良影響。煤層瓦斯發(fā)電提高了礦井的瓦斯利用率，對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)安全發(fā)展、清潔發(fā)展、節(jié)約發(fā)展和促進(jìn)區(qū)域能源可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義，同時(shí)具有減緩短期氣候升溫速度的氣候效益、協(xié)同控制空氣污染的環(huán)境效益，還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此，通過對(duì)某煤層氣發(fā)電增容改造進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出了一些可行性對(duì)策，以提高煤層瓦斯的利用率，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。

關(guān)鍵詞：煤層氣；發(fā)電；增容；改造

中圖分類號(hào)：TD712+.67" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）14-0073-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.017

1" " 項(xiàng)目概述

本研究項(xiàng)目隸屬某集團(tuán)下屬煤層氣發(fā)電公司，是礦井瓦斯綜合利用項(xiàng)目，該公司位于某集團(tuán)甲瓦斯抽采站南側(cè)，煤層氣發(fā)電氣源主要來自甲抽放站。一期工程安裝4×3 044 kW顏巴赫J(rèn)GS620瓦斯發(fā)電機(jī)組，二期工程安裝4×4 000 kW曼海TCG2032V16瓦斯發(fā)電機(jī)組，以上瓦斯發(fā)電機(jī)組均使用濃度≥25%的高濃瓦斯氣。

目前，甲瓦斯抽采站提供的煤層高濃瓦斯氣源不足，抽采出的煤層瓦斯氣以濃度10%左右的低濃瓦斯為主，現(xiàn)有的煤層高濃瓦斯發(fā)電機(jī)組無法利用。電站面臨減產(chǎn)、停產(chǎn)的同時(shí)，還造成了煤層瓦斯氣排空浪費(fèi)[1]。為提高煤層氣發(fā)電公司對(duì)低濃煤層瓦斯這一清潔能源的利用率，減少煤層瓦斯對(duì)空排放造成的大氣環(huán)境污染，擬對(duì)煤層氣發(fā)電公司的增容改造，即在原有電站場(chǎng)地內(nèi)新建4臺(tái)1 500 kW低濃煤層瓦斯機(jī)組的可行性進(jìn)行研究。煤層氣發(fā)電公司主要利用礦井高、低濃煤層瓦斯，采用不同處理方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，最終將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電送入電網(wǎng)，主要支撐某集團(tuán)公司內(nèi)部電網(wǎng)。另外，煤層氣發(fā)電公司承擔(dān)著所在工業(yè)園區(qū)的供熱任務(wù)。

1.1" " 項(xiàng)目建設(shè)的必要性

煤炭是我國(guó)的主要能源，2023年約占中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的55.3%，發(fā)電用煤占煤炭消費(fèi)的50%以上。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響和自然條件的制約，煤炭行業(yè)一直是我國(guó)的高危險(xiǎn)行業(yè)，而瓦斯抽采是確保煤礦安全生產(chǎn)必不可少的環(huán)節(jié)。2020年全國(guó)煤礦共發(fā)生事故122起，死亡225人。其中，煤礦瓦斯事故7起，死亡30人，與2019年相比分別下降74.1%和74.6%。

近年來，煤炭產(chǎn)量略有增長(zhǎng)，但瓦斯事故大幅下降，最主要的原因是強(qiáng)力推進(jìn)瓦斯“零超限”和煤層“零突出”目標(biāo)管理、瓦斯超前治理和專項(xiàng)監(jiān)管監(jiān)察。我國(guó)所有正常生產(chǎn)建設(shè)煤礦全部實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)聯(lián)網(wǎng)、在線監(jiān)測(cè)；且法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，不具備瓦斯防治能力的煤礦加快淘汰退出，強(qiáng)化“瓦斯超限就是事故”理念等也為瓦斯治理奠定了良好基礎(chǔ)。

習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論大會(huì)上發(fā)表重要講話，提出中國(guó)力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)峰，力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這是中國(guó)協(xié)同應(yīng)對(duì)全球氣候變化，推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾，體現(xiàn)了大國(guó)擔(dān)當(dāng)。

2016年11月24日，國(guó)家能源局發(fā)布的《煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中明確要求，2020年煤礦瓦斯抽采140億m3，利用率達(dá)50%以上。利用礦井煤層氣發(fā)電，符合我國(guó)環(huán)保政策和資源綜合利用政策的要求。

該煤層氣發(fā)電公司所利用的抽采站所在煤礦屬煤與高瓦斯礦井，煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，必須抓住機(jī)遇，將煤層氣作為新能源加以開發(fā)利用，以創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。多年來，集團(tuán)公司合理規(guī)劃煤層氣瓦斯發(fā)電產(chǎn)業(yè)，本著“吃干榨盡”的原則，實(shí)施“煤礦瓦斯跟隨戰(zhàn)略”，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、變廢為寶，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)利益、社會(huì)利益和環(huán)保利益。伴隨著煤礦高效生產(chǎn)，大量煤層瓦斯隨著井下抽放和礦井通風(fēng)直接或間接排放到空氣中，不僅浪費(fèi)了潔凈能源，而且成為影響全球氣候變暖的重要因素之一。因此，減少煤礦瓦斯排放是集團(tuán)公司實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景的重要途徑之一。

煤層瓦斯發(fā)電提高了礦井的瓦斯利用率，對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)安全發(fā)展、清潔發(fā)展、節(jié)約發(fā)展和促進(jìn)區(qū)域能源可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義，同時(shí)具有減緩短期氣候升溫速度的氣候效益、協(xié)同控制空氣污染的環(huán)境效益，還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。能夠減少網(wǎng)上用電的瓦斯發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)于礦井的供電節(jié)約起著重大作用，既可保證礦井部分系統(tǒng)電力供給，又可減少網(wǎng)上用電，降低企業(yè)成本。

目前，煤層氣發(fā)電公司安裝的煤層瓦斯發(fā)電機(jī)組均為高濃機(jī)組。一期工程發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)濃度大于30%正常啟動(dòng)，二期工程發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)濃度大于25%正常啟動(dòng)，濃度大于30%穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于濃度為10%左右的低濃瓦斯無法利用。為提高低濃煤層瓦斯利用率，本期工程研究1 500 kW低濃煤層瓦斯機(jī)組，其是近年來市場(chǎng)上新推出的機(jī)型，具有發(fā)電效率高、故障率低的特點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)因高濃煤層瓦斯氣源不足造成的瓦斯氣浪費(fèi)和發(fā)電產(chǎn)能損失。

1.2" " 技術(shù)研究的主要原則

本項(xiàng)目的宗旨是新建4臺(tái)1 500 kW低濃煤層瓦斯機(jī)組，以充分利用瓦斯抽采站抽出的瓦斯氣進(jìn)行發(fā)電，利用發(fā)電機(jī)組尾氣并入原有余熱利用系統(tǒng)。各系統(tǒng)的研究要符合國(guó)家相關(guān)的政策及標(biāo)準(zhǔn)、法令、法規(guī)。煤層瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模應(yīng)與可利用煤層瓦斯抽放量相匹配，采用技術(shù)先進(jìn)、成熟的生產(chǎn)工藝，以達(dá)到節(jié)約能源、減少排放、改善環(huán)境質(zhì)量、節(jié)約用地的目的。煤層瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的布置應(yīng)充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地，最大限度地減少挖方與填方。發(fā)電機(jī)組尾氣排放要滿足相關(guān)環(huán)保要求。辦公、生活福利盡可能利用現(xiàn)有設(shè)施，生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化、智能化。

2" " 瓦斯氣源及供應(yīng)方式分析

2.1" " 瓦斯儲(chǔ)量和抽采情況

該集團(tuán)6個(gè)礦13對(duì)礦井中，除1對(duì)為瓦斯突出礦井外，其余全部為超級(jí)瓦斯礦井。煤層最大含氣量為21.7 m3/t（煤），平均17.2 m3/t（煤）。在煤炭生產(chǎn)過程中有大量煤層氣涌出，最大涌出量達(dá)781.36 m3/min。

煤層氣發(fā)電公司所在煤礦目前有采區(qū)4個(gè)，分別為甲采區(qū)、乙采區(qū)、丙采區(qū)、丁采區(qū)；回采工作面6個(gè)。甲抽放站所帶兩個(gè)工作面正常生產(chǎn)，混合濃度10%左右的煤層瓦斯放空；乙抽放站所帶一個(gè)工作面拆架中，濃度45%左右，乙儲(chǔ)配站利用，一個(gè)工作面末采，濃度9%左右，某乏風(fēng)發(fā)電廠利用；丙抽放站所帶兩個(gè)工作面均已末采，混合濃度8%左右，其他利用。

由以上資料可知，該煤礦煤層瓦斯氣量充足。

2.2" " 氣源情況

煤層氣發(fā)電公司的氣源主要來自甲抽采站。高濃煤層瓦斯氣源由甲抽采站通過兩條DN600的輸氣管路直接輸送至儲(chǔ)配站儲(chǔ)氣柜，甲抽采站25%的瓦斯抽采量大約130 m3/min（純量）。目前甲抽采站抽采的兩個(gè)工作面正常生產(chǎn)，煤層瓦斯?jié)舛染S持在10%以上，最高達(dá)到15%?；鞖饬科骄S持在360 m3/min，純量維持在45 m3/min。目前低濃度瓦斯直接排放，沒有有效利用。

甲抽采站今后能提供的低濃度煤層瓦斯氣源純量為30 m3/min左右，持續(xù)時(shí)間大概2年，然后氣源濃度會(huì)逐步提高，今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)抽采的瓦斯?jié)舛葘?huì)形成連續(xù)2年較低，之后1年較高的情況。

2.3" " 瓦斯供應(yīng)方式

根據(jù)已頒布的GB 40881—2021《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在可能有火源點(diǎn)附近的管路上應(yīng)設(shè)置安全保障設(shè)施。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥?%而小于30%時(shí)，發(fā)電機(jī)組內(nèi)為火源點(diǎn)，進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前，必須設(shè)置泄爆、阻爆、抑爆三種不同原理的阻火防爆裝置。甲抽采站放散管為可能火源點(diǎn)，故在甲抽放站放散管后的氣源接口管道設(shè)置水封阻火泄爆和抑爆裝置。甲抽采站系統(tǒng)放散管后安裝有三防系統(tǒng)，瓦斯氣源接口接自甲抽采站三防系統(tǒng)后，因此只考慮進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前的阻火防爆裝置。

根據(jù)本項(xiàng)目的具體情況，抑爆擬采用自動(dòng)噴粉抑爆裝置?？紤]本項(xiàng)目在煤層瓦斯輸送管道上設(shè)置如下安全設(shè)施：阻火泄爆裝置——采用水封阻火泄爆裝置；抑爆裝置——采用自動(dòng)噴粉抑爆裝置（自動(dòng)噴粉抑爆裝置采用七氯丙烷類型）；阻爆裝置——采用自動(dòng)阻爆裝置。

本項(xiàng)目低濃煤層瓦斯安全輸送工藝流程為：抽采站瓦斯利用管→電動(dòng)蝶閥→防逆流裝置→干式阻火器→均壓放散裝置→自動(dòng)阻爆裝置→自動(dòng)噴粉抑爆裝置→水封阻火泄爆裝置→脫水器→干式阻火器→瓦斯發(fā)電機(jī)組[2]。

2.4" " 輸送壓力核定

瓦斯輸送管道長(zhǎng)度約為150 m，瓦斯發(fā)電機(jī)組入口一般需要3 kPa的供氣壓力，甲抽采站提供的壓力在10.5～11.5 kPa，能保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。抽放站的背壓可以滿足瓦斯輸送系統(tǒng)的要求。

為了便于檢查、維護(hù)，瓦斯管道敷設(shè)方式采用架空敷設(shè)，并設(shè)有一定坡度，可保證瓦斯管道內(nèi)水能自然回流到水封泄爆裝置內(nèi)。

2.5" " 輸送管徑選擇

本項(xiàng)目為低濃煤層瓦斯發(fā)電工程，利用的瓦斯一般為濃度10%以上的低濃瓦斯。考慮到抽采站后期可提供高濃瓦斯氣源，為盡可能利用瓦斯氣資源，考慮將2種濃度的瓦斯摻混使用，摻混后濃度低于30%。設(shè)一套瓦斯摻混系統(tǒng)，瓦斯配氣及輸送工藝流程擬定如圖1所示。

本項(xiàng)目為4×1 500 kW機(jī)組，按最不利的機(jī)組30%發(fā)電效率核定，單臺(tái)機(jī)組最大耗氣純量為496 m3/h，瓦斯?jié)舛劝?0%最不利考慮的混合量為4 964 Nm3/h。根據(jù)GB 51134—2015《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，瓦斯輸送管道的設(shè)計(jì)流速不宜超過15 m/s，按此計(jì)算瓦斯輸送管徑為DN800，最大輸送氣量為27 000 Nm3/h，最大可滿足5×1 500 kW機(jī)組的用氣要求。

3" " 裝機(jī)規(guī)模及方案

3.1" " 裝機(jī)容量

由氣源分析可知，本項(xiàng)目可利用低濃度瓦斯純氣量為30～45 m3/min。根據(jù)計(jì)算，現(xiàn)有高濃機(jī)組用氣量為117 m3/min。扣除現(xiàn)有機(jī)組用氣量還有剩余，考慮將剩余的高、低濃瓦斯摻混使用。裝機(jī)規(guī)模與可利用的氣量平衡如表1所示。

由表1可知，按發(fā)電效率30%計(jì)算，未來可建設(shè)的規(guī)模為5.44～7.67 MW。

3.2" " 機(jī)組選型及裝機(jī)方案

由于今后若干年抽采的瓦斯既有濃度10%～30%的低濃瓦斯，也有30%以上的高濃瓦斯，在機(jī)組選型上要求適應(yīng)性更強(qiáng)。不同的瓦斯機(jī)組耐受不同，高濃機(jī)組不能接受低濃氣體發(fā)電，低濃機(jī)組可以接受高、低濃發(fā)電，低濃機(jī)組發(fā)電效率略低于高濃機(jī)組。為適應(yīng)以后抽放瓦斯?jié)舛鹊淖兓瑱C(jī)組選型按能耐受高、低濃瓦斯的低濃機(jī)組配置。市場(chǎng)上低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組主要有三類：國(guó)產(chǎn)機(jī)組、進(jìn)口機(jī)組、引進(jìn)機(jī)組。三種機(jī)組優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

由表2可知，進(jìn)口機(jī)組價(jià)格高，備品備件價(jià)格高，但單機(jī)功率、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)大；引進(jìn)機(jī)組維修費(fèi)用適中、發(fā)電效率較高、氮氧化物排放適中，尾氣脫硝成本低，且設(shè)備價(jià)格適中。國(guó)產(chǎn)機(jī)組根據(jù)廠家不同差別較大，有的發(fā)電效率低、排煙溫度高、氮氧化物排放濃度高、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)少。但個(gè)別廠家技術(shù)較為先進(jìn)，不論從單機(jī)容量還是發(fā)電效率看，均與引進(jìn)機(jī)組在同一水平，故可采用技術(shù)較為先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)1 500 kW低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)氣源條件，可先安裝4臺(tái)1 500 kW低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)6 MW。考慮到未來瓦斯抽采氣量增長(zhǎng)和波動(dòng)并存的可能性，預(yù)留1臺(tái)機(jī)組安裝場(chǎng)地，瓦斯輸配系統(tǒng)按滿足5臺(tái)1 500 kW低濃瓦斯機(jī)組考慮。

4" " 電力系統(tǒng)電網(wǎng)現(xiàn)狀

4.1" " 電力系統(tǒng)

集團(tuán)公司現(xiàn)有一座礦井110 kV中心變電所，所內(nèi)設(shè)3臺(tái)50 MVA主變，運(yùn)行方式2用1備。兩回110 kV電源線引自省電網(wǎng)中陽長(zhǎng)220 kV變電所，導(dǎo)線型號(hào)均為L(zhǎng)GJ-240，總長(zhǎng)約18.55 km。

集團(tuán)內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井6對(duì)，各生產(chǎn)礦井均建有35 kV變電所，礦井變電所電源線均引自礦井中心變電所。其中煤層氣發(fā)電公司位于甲抽放站所在礦地區(qū)，該礦建有35 kV變電所，電源線經(jīng)35 kV站與礦井中心變電所相連。

4.2" " 電力負(fù)荷情況

根據(jù)實(shí)際情況，礦井年用電量約為13 601×104 kW·h，本次煤層氣發(fā)電低濃瓦斯發(fā)電項(xiàng)目擬安裝4×1.5 MW低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組，發(fā)電量為3 600×104 kW·h，扣除廠用電外（廠用電率按6%），尚余電力3 384×104 kW·h供礦區(qū)使用。

本項(xiàng)目所發(fā)電力能全部在集團(tuán)內(nèi)部消納。集團(tuán)利用自身優(yōu)勢(shì)條件建設(shè)煤層瓦斯發(fā)電，不僅生態(tài)環(huán)境得到改善，而且資源利用效率顯著提高，既有利于環(huán)境保護(hù)又提供了電力能源，還緩解了礦區(qū)用電緊張狀況。

4.3" " 電廠接入系統(tǒng)

煤層氣發(fā)電公司一期工程已安裝4×3 044 kW高濃瓦斯發(fā)電機(jī)組、4×4 000 kW高濃瓦斯發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)3 000 kW汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)出口電壓均為6.3 kV，發(fā)電機(jī)組經(jīng)主變升壓后經(jīng)2回35 kV聯(lián)絡(luò)線接入集團(tuán)內(nèi)網(wǎng)變電所35 kV母線并網(wǎng)。本期工程擬安裝4臺(tái)1 500 kW瓦斯發(fā)電機(jī)組，出口電壓均為6.3 kV。本期發(fā)電機(jī)組擬采用35 kV電壓接入電站一期35 kV母線，經(jīng)一期工程聯(lián)絡(luò)線接入系統(tǒng)。

集團(tuán)內(nèi)網(wǎng)35 kV變電所給煤層氣發(fā)電公司的兩回間隔的刀開關(guān)為400 A，為滿足該開關(guān)的容量要求，煤層氣發(fā)電公司總供電容量不得超過38 MW。最終接入系統(tǒng)由其設(shè)計(jì)確定。

4.4" " 廠址條件

本工程的廠址位于煤層氣發(fā)電公司預(yù)留現(xiàn)有場(chǎng)地內(nèi)，充分利用主廠房與氣體預(yù)處理車間之間場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)。所在地對(duì)外公路、鐵路交通運(yùn)輸均較為便利，給煤層氣發(fā)電分公司增容改造項(xiàng)目建設(shè)期間的大型設(shè)備和材料運(yùn)輸提供了便利條件。

煤層氣發(fā)電公司用水引自甲抽放站區(qū)給水管網(wǎng)。項(xiàng)目場(chǎng)地已建有完善的生產(chǎn)、消防用水設(shè)施，故本項(xiàng)目期用水可直接使用原有供水設(shè)施。

本項(xiàng)目為煤層氣發(fā)電公司增容改造項(xiàng)目，為了能充分利用煤層氣發(fā)電公司的生產(chǎn)設(shè)施及生活福利設(shè)施能力，擬把煤層氣發(fā)電公司預(yù)留場(chǎng)地作為本期工程的廠址，選擇是合理、經(jīng)濟(jì)、可行的。

5" " 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組對(duì)未利用的低濃瓦斯進(jìn)行利用，提高了瓦斯利用率，增加了瓦斯發(fā)電量，符合國(guó)家鼓勵(lì)資源綜合利用政策及環(huán)保要求。綜上所述，本項(xiàng)目低濃瓦斯發(fā)電能有效減少目前未利用的低濃瓦斯直排對(duì)環(huán)境的污染，確保煤礦安全生產(chǎn)，是集節(jié)約能源、資源綜合利用及環(huán)境保護(hù)于一體的環(huán)保工程，該項(xiàng)目具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益[3]。

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收稿日期：2024-03-18

作者簡(jiǎn)介：郭子文（1984—），男，甘肅天水人，機(jī)電工程師，研究方向：熱力機(jī)械工程和電氣工程等。