低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)在羊東礦的應(yīng)用

瓦斯是與煤炭共同伴生的優(yōu)質(zhì)潔凈能源,同時(shí)也是一種溫室氣體,它的危害是CO₂的21倍,國(guó)際清潔能源組織把瓦斯作為主要溫室氣體之一,要求各國(guó)盡可能降低煤礦向大氣排放瓦斯。冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司羊東礦多年來(lái)，對(duì)低濃度瓦斯采取直接排空，未得到充分利用。勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)公司研制的低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組及配套裝置充分利用低濃度瓦斯，解決了羊東礦瓦斯排空所帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題和困擾煤礦安全的瓦斯爆炸問(wèn)題，并帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 概述

冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司羊東礦建設(shè)的5臺(tái)500GF1-3RW低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組及配套余熱利用裝置，裝機(jī)容量為5×500KW。該項(xiàng)目于2010年9月開(kāi)工建設(shè)，2011年4月調(diào)試并開(kāi)始試運(yùn)行，工程總投資1500萬(wàn)元。該發(fā)電設(shè)備采用電控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空燃比閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，可燃成分在9%-25%之間變動(dòng)時(shí)都能被有效利用，適用于低壓力的燃?xì)猓槐卦鰤?，熱效率高，而且投資小，投運(yùn)后具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 羊東礦瓦斯抽采情況

羊東礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯儲(chǔ)量為159913萬(wàn)m³。2^#煤層中瓦斯含量比較高。根據(jù)煤科總院沈陽(yáng)研究院對(duì)礦井2^#煤層瓦斯含量的測(cè)定，原始煤層瓦斯含量為12.83～13.10m³/t，煤層瓦斯壓力為0.85～1.37MPa。2009年瓦斯鑒定結(jié)果為，瓦斯絕對(duì)涌出量為59.89m³/min，相對(duì)瓦斯涌出量為26.73m³/t。根據(jù)礦井生產(chǎn)情況，礦井高濃度瓦斯抽采量為23.96m³/min，居民利用量為6m³/min左右，剩余17m³/min排空；低濃度瓦斯抽采量為8m³/min，瓦斯?jié)舛葹?0%左右全部排空。由此可見(jiàn)，羊東礦的排空的瓦斯量為低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行提供了可靠的資源保障。

3 瓦斯發(fā)電生產(chǎn)工藝

羊東礦瓦斯發(fā)電生產(chǎn)工藝由熱機(jī)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、燃?xì)夤┙o系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)及余熱回收利用系統(tǒng)六部分組成。

（1）熱機(jī)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)房安裝5臺(tái)500GF1-3RW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組（三開(kāi)兩備），額定功率為500KW，額定電壓為400V。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對(duì)瓦斯氣的技術(shù)要求：瓦斯氣進(jìn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組前1米處，①瓦斯溫度≤40℃；②瓦斯壓力3～10kPa，壓力變化速率≤1kPa/min；③瓦斯中甲烷體積含量不低于9%，變化速率≤2%∕min；④對(duì)于甲烷體積含量小于30%的瓦斯，甲烷與氧氣體積含量之和不低于28%，氧氣體積含量不低于16％；⑤雜質(zhì)粒度≤5μm，雜質(zhì)含量≤30mg/Nm³；⑥硫化氫含量不大于200mg/m³。

當(dāng)瓦斯在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)爆燃做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)定子輸出電能經(jīng)升壓至6KV輸送至變電站供用戶(hù)使用。瓦斯燃燒做功后，產(chǎn)生溫度高達(dá)550℃廢氣，通過(guò)余熱回收利用，生產(chǎn)飽和蒸汽，滿足冬季廠區(qū)取暖及職工澡堂供熱需要。

（2）冷卻循環(huán)系統(tǒng) 冷卻循環(huán)系統(tǒng)分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)，即燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組外部冷卻循環(huán)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組內(nèi)部冷卻循環(huán)，內(nèi)外冷卻循環(huán)是通過(guò)熱交換器進(jìn)行降溫冷卻。同時(shí)循環(huán)系統(tǒng)又分為高溫冷卻循環(huán)和低溫冷卻系統(tǒng)，高溫冷卻循環(huán)是指氣缸套、氣缸蓋等高溫部件的冷卻循環(huán)，低溫冷卻循環(huán)是指機(jī)油、瓦斯介質(zhì)的冷卻循環(huán)。

（3）電氣系統(tǒng) 3臺(tái)發(fā)電機(jī)組與1臺(tái)2500KVA 0.4/6.3KV升壓變壓器構(gòu)成單元接線，2臺(tái)發(fā)電機(jī)組與1臺(tái)1600KVA 0.4/6.3KA升壓變壓器構(gòu)成單元接線，所發(fā)電能經(jīng)高壓饋電柜接入羊東礦地面變電所6KV母線上。

發(fā)電機(jī)組開(kāi)始運(yùn)行前，有變電所6KV系統(tǒng)通過(guò)瓦斯電廠升壓變壓器低壓側(cè)向瓦斯電廠送電，為發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)供電，待輔助系統(tǒng)工作正常時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，安裝在發(fā)電機(jī)組控制屏上的同期裝置檢測(cè)同期信號(hào)，達(dá)到并網(wǎng)條件后，發(fā)電機(jī)組所發(fā)電能通過(guò)升壓變壓器升壓至6KV，輸送至羊東礦地面變電所與6KV配電系統(tǒng)并網(wǎng)，向并網(wǎng)系統(tǒng)輸送電能。

（4）燃?xì)夤┙o系統(tǒng) 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)采用了低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送技術(shù)。該技術(shù)是利用水位自控式水封阻火器、瓦斯管道專(zhuān)用阻火器及瓦斯與細(xì)水霧輸送等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯安全輸送給瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電。在低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)的始端先安裝水位自控式水封阻火器，通過(guò)雷達(dá)監(jiān)控水面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水和放水，保持水位不變，提高輸送系統(tǒng)的安全可靠性能。水封自控式水封阻火器后安裝兩路絲網(wǎng)過(guò)濾器（一開(kāi)一備）；過(guò)濾器前后安裝防腐壓力表測(cè)試過(guò)濾器前后壓差，當(dāng)阻火器的安全阻火速度可以達(dá)到1210m/s，可有效阻火，從根本上保證了系統(tǒng)的安全可靠性。為維修方便在瓦斯管道專(zhuān)用阻火器后面安裝通用波紋膨脹節(jié)；通用波紋膨脹節(jié)后面安裝低溫濕式放散閥，當(dāng)管道內(nèi)瓦斯壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)放散閥可自動(dòng)打開(kāi)。在低溫濕式放散閥后面安裝防爆電動(dòng)蝶閥，在防爆電動(dòng)蝶閥后每20m處安裝一個(gè)水霧發(fā)生器。每臺(tái)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組配套一套旋風(fēng)重力脫水裝置，脫水后的瓦斯經(jīng)手動(dòng)蝶閥和瓦斯專(zhuān)用阻火器后供發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

（5）自動(dòng)化控制系統(tǒng) 采用瓦斯發(fā)電綜合自動(dòng)控制技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用先混合后增壓的方式，混合后的氣體濃度不隨瓦斯進(jìn)氣濃度的變化而變化，當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，計(jì)算機(jī)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析判斷，自動(dòng)調(diào)節(jié)混合器，使瓦斯與空氣混合比例發(fā)生變化，瓦斯?jié)舛鹊蜁r(shí)多供瓦斯少供空氣；當(dāng)瓦斯?jié)舛雀邥r(shí)，少供瓦斯多空氣，實(shí)現(xiàn)了氣源濃度不同但經(jīng)過(guò)混合器后的混合氣濃度保持不變。先混合后增壓技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于對(duì)瓦斯氣的壓力要求低，不需要再上增壓設(shè)備，就能滿足使用要求。采用雙碟閥混合器的優(yōu)點(diǎn)在于可以在瓦斯?jié)舛扔休^大變化時(shí)混合濃度也能保證在合理的范圍，適應(yīng)瓦斯的濃度范圍較寬。

（6）余熱回收利用系統(tǒng) 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的尾氣從機(jī)組內(nèi)部排出的過(guò)程中攜帶有大量的熱量，排氣溫度在550℃左右。將機(jī)組尾氣引至針形管換熱器回收，產(chǎn)生0.7 MPa飽和蒸汽輸送至礦蒸汽管網(wǎng)。

余熱回收利用流程為:

　　　　　　　　170℃左右煙氣排出         0.7MPa蒸汽

　　　　550℃左右煙氣　　　　　　　　　汽水混合物

                                                     軟化水

4 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析

羊東礦瓦斯電廠自2011年4月開(kāi)始試運(yùn)行以來(lái)，截止當(dāng)年年底，累計(jì)發(fā)電756.2萬(wàn)KWh，生產(chǎn)蒸汽5040噸，消耗純瓦斯量235.1萬(wàn)Nm³。

（1）經(jīng)濟(jì)效益分析

羊東礦瓦斯電廠單位電力成本為0.21元/KWh，電站人員25人，年工資支出125萬(wàn)元，電價(jià)為0.65元/KWh，蒸汽價(jià)格為80元/t。經(jīng)核算，生產(chǎn)總收入為531.85萬(wàn)元，生產(chǎn)總支出283.8萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)248.05萬(wàn)元。

（2）環(huán)境效益分析

2011年羊東礦減少純瓦斯排放量為235.1萬(wàn)Nm³，發(fā)電機(jī)節(jié)約標(biāo)煤量（折合）2646.7噸，余熱回收利用節(jié)約標(biāo)煤量（折合）450.95噸。共計(jì)節(jié)約標(biāo)煤3097.65噸。