談煤礦瓦斯發(fā)電站設(shè)計與應(yīng)用

沈先福 李 麗

(兗礦集團貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州六盤水 553017)

1 瓦斯發(fā)電站項目建設(shè)必要性

煤層瓦斯氣體是一種潔凈能源，又是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)為CO2的21倍。我國煤層瓦斯氣資源豐富，分布區(qū)域廣，位居世界第三，儲量與我國30萬億m3的天然氣資源量基本相當，相當于450億t標準煤。過去因為沒有找到合理的利用手段，使得我國每年瓦斯的實際利用率不到4%，煤礦開采中所抽放的瓦斯多排入大氣中，既浪費了資源，又污染了環(huán)境。

隨著我國建設(shè)節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的大力推進，煤礦瓦斯的規(guī)模開發(fā)、分質(zhì)利用是配合礦產(chǎn)開發(fā)的必然趨勢，在促進礦井安全生產(chǎn)、節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

我國是世界上煤礦瓦斯災(zāi)害最嚴重的國家，在現(xiàn)有重點煤礦576處礦井中，高瓦斯礦井、瓦斯突出礦井就有277處，占48%。發(fā)耳礦井屬高瓦斯礦井，要進行安全采煤，就必須抽放瓦斯，而抽放瓦斯又需要一定的經(jīng)濟投入，加大了開采成本。因此利用煤層瓦斯氣發(fā)電，“以用促抽、以抽促安全”，是瓦斯氣體資源綜合利用最有效的途徑之一。

另外根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》(國辦發(fā)［2006］47號)和《關(guān)于利用煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電工作的實施意見》(發(fā)改能源［2007］721號)，要求做好煤層氣(煤礦瓦斯)綜合利用工作，變害為寶，保障煤礦安全，節(jié)約利用能源，保護生態(tài)環(huán)境。

綜上所述，利用煤礦瓦斯氣發(fā)電是建設(shè)節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)型經(jīng)濟的需要，是促進煤礦安全生產(chǎn)，降低煤礦開采成本的需要，同時也是減少環(huán)境污染，促進生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的需要。

2 發(fā)電站瓦斯氣來源及輸送

1)瓦斯氣來源。

礦井瓦斯電站氣源來自礦井的瓦斯抽采系統(tǒng)。根據(jù)某礦井提供的年鉆場抽放參數(shù)報表，目前井區(qū)高負壓瓦斯抽放總純量為17．1 Nm3/min，抽放濃度為12% ～13%，低負壓瓦斯抽放總純量為2．42 Nm3/min，抽放濃度為8% ～9%，因低負壓瓦斯抽放量極少，故工程只利用高負壓瓦斯，抽放濃度按12．5%考慮。

2)瓦斯氣的輸送。

低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多級防護、確保安全”的基本原則。

瓦斯氣由礦井抽放泵站負責(zé)抽放，利用瓦斯抽放泵的背壓作為動力，采用細水霧輸送技術(shù)輸送到瓦斯電站，經(jīng)旋風(fēng)重力脫水器脫水后送入燃氣發(fā)動機。

3 裝機方案確定

根據(jù)瓦斯抽采量確定礦井瓦斯發(fā)電站裝機容量的原則為:

1)瓦斯發(fā)電站可用氣量按礦井瓦斯抽采站目前最大抽采量的80%計取。

2)根據(jù)國產(chǎn)600 kW集裝箱式低濃度瓦斯發(fā)動機的額定負荷熱耗率計算發(fā)電效率為3．3 kWh/m3，機組理論連續(xù)出力按0．9考慮。

機組選型計算如下:

小時平均供氣量:Q=17．1 Nm3/min ×0．8 ×60=820．8 Nm3/h。

小時發(fā)電量:W=820．8 Nm3/h×3．3 kWh/m3=2 709 kW。

計算裝機容量:P=2 709 kW/0．9=3 010 kW。

選用600 kW的國產(chǎn)機組6臺，投產(chǎn)后5臺運行，待瓦斯供氣量充足，6臺機組全部運行，發(fā)電量共計3 600 kW。

某礦井2012年～2017年平均用電負荷見表1。

表1 某礦井2012年～2017年平均用電負荷

瓦斯發(fā)電站正式投產(chǎn)后，只需網(wǎng)供電量1 677．5 kW，從而極大地降低礦井的電費支出。

發(fā)電設(shè)備年利用小時按6 000 h計算，6×600 kW瓦斯機組年發(fā)電量為2 160萬kWh，年消耗純瓦斯654．6萬Nm3/年，折合標煤0．8 萬 t/年。

4 燃氣系統(tǒng)及其主要輔助設(shè)備選擇

本次瓦斯發(fā)電項目中設(shè)計的6×600 kW集裝箱式低濃度瓦斯發(fā)電機組運行，瓦斯總耗氣量為1 090．92 m3/h(純量)，折合成混合氣體，其流量為8 727．36 m3/h，輸氣主管線管內(nèi)徑為 D=18．8 ×(8 727．36/15)0．5=453．5 mm，綜合考慮計算管線內(nèi)徑時選用的瓦斯氣體的流速、排水占用管道截面等因素，故本次設(shè)計中從瓦斯抽放站原放散閥后接一根DN500的螺旋縫弧焊鋼管用來輸送一期工程所耗瓦斯氣體。

為確保安全，瓦斯輸送母管與每臺水環(huán)真空泵出口管均采用防爆蝶閥隔離。瓦斯輸送管道上設(shè)置手動切斷閥、水封阻火器、放散裝置和自動切斷閥。自動切斷閥受瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測儀控制，并與放散裝置放散管閥門連鎖。

每臺機組的供氣支管均采用D219×5．0的螺旋縫弧焊鋼管。瓦斯氣體從母管進入每一根支管，然后經(jīng)防爆蝶閥、旋風(fēng)重力脫水器、調(diào)壓閥、阻火器等進入機組預(yù)燃室，由火花塞點燃出現(xiàn)多個著火點，然后由機組程控裝置將預(yù)燃的瓦斯氣通過電控混合器送入各個氣缸燃燒做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。

做功后的廢氣經(jīng)機組排氣口排出，排氣口上設(shè)有消聲器，廢氣經(jīng)消聲器后排入大氣。

5 經(jīng)濟效益評價及分析

通過對本項目生產(chǎn)成本的計算，并參照同類煤層氣電廠電價0．54元/kWh(含稅)，發(fā)電設(shè)備年利用小時按6 000 h計算，6×600 kW瓦斯機組年發(fā)電量為2 160萬 kWh，年消耗純瓦斯654．6萬Nm3/年，折合標煤0．8萬t/年。可以計算出本項目的投資財務(wù)內(nèi)部收益率為50%以上，高于行業(yè)基準收益率8%，項目可行并有很強的抗風(fēng)險能力。

采用瓦斯氣作為燃料發(fā)電，可以減少瓦斯事故、保障煤礦職工生命安全，是實現(xiàn)安全高產(chǎn)高效礦井的有力保障措施，有效改善周邊環(huán)境，節(jié)約能源，具有明顯的環(huán)境效益和社會效益，符合當前國家相關(guān)能源開發(fā)利用政策。

通過以上技術(shù)、經(jīng)濟分析可以看出，煤礦瓦斯發(fā)電站項目選擇瓦斯內(nèi)燃發(fā)電機和余熱回收系統(tǒng)，熱電聯(lián)供，發(fā)電效率高。同時，將原本是有害氣體的瓦斯作為潔凈燃料，變害為利，變廢為寶，本身就是一個典型的節(jié)能工程。煤礦瓦斯發(fā)電站項目為煤炭工業(yè)的綜合利用，能源的可持續(xù)發(fā)展起到了示范作用，為資源綜合利用項目，有利于礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，具有良好的社會效益和環(huán)境效益。