煤層氣發電廠預處理系統及控制

趙德悅

煤層氣發電廠預處理系統及控制

趙德悅1，2

(1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西陽泉煤業(集團)股份有限公司 發供電分公司 煤層氣發電廠，山西 陽泉 045000)

主要介紹煤層氣發電流程中的氣體預處理系統及其控制系統，包括預處理系統的作業流程、主要設備功能、控制系統、技術參數等，并對其進行了詳細分析和討論。

預處理；發電廠；煤層氣；系統控制

0 引言

煤層氣也可以叫煤礦瓦斯。煤層氣如果不加以利用，直接排放到大氣中，其溫室效應約為二氧化碳的21倍。利用煤礦瓦斯發電，既可以有效地解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產條件，又有利于增加潔凈能源供應，減少溫室氣體排放，達到保護生命、保護資源、保護環境的多重目標。

煤層氣發電項目是國家資源型經濟型綜合配套改革實驗區的重點推廣項目。2006年山西陽煤集團規劃煤層氣發電項目90 MW，一期建設規模28.9 MW，二期項目22 MW，總裝機容量達50.9 MW，是全國裝機容量較大的高濃瓦斯發電企業。

所謂的煤層氣是直接從煤礦抽采至地面的混合氣體，其附含有較多的水分和雜質，為了能夠滿足發電機組的用氣要求，需要利用煤層氣預處理系統對氣體進行除濕、過濾及降溫、升壓等處理，從而滿足機組的發電要求。

1 預處理系統

預處理系統是瓦斯發電的一個重要環節，該系統主要由粗過濾器、精過濾器、換熱器、汽水分離器、羅茨風機、阻火器及配套手動閥、電動調節閥、氣動閥等設備組成。該系統不僅用于實現瓦斯的脫水、增壓、過濾除雜、安全保護的功能，同時還是瓦斯收集系統與發電系統之間的橋梁，保證了整個發電系統的可行性和可靠性。

由于煤層氣屬于易燃易爆氣體，安全是現場運行的第一要求，同時要兼顧系統的可靠性和經濟性，預處理系統具有瓦斯發動機運行時要求的流量可控、壓力穩定、溫度適宜，其主要功能如下：①降低氣體的露點溫度，減少水蒸氣的含量，自動排水；②降低粉塵等固體雜質的含量；③具有自動增壓和超壓保護功能，穩定系統氣體的出口壓力、溫度和流量；④具有在線監測、報警功能，能夠保證系統安全可靠地長期運行。

2 預處理系統分類

預處理系統根據功能的不同，可以分為以下幾個子系統：

2.1 過濾系統

在系統入口設置一次過濾器，可以防止換熱器管路積塵和堵塞。在系統出口設置二級過濾器，可以滿足發電機組對進氣品質的要求。一次過濾器的濾后粒徑為10 μm;二次過濾器的濾后粒徑為1 μm。

考慮到氣體壓力很低、流量很大，現場使用流通面積較大的濾芯，在保證過濾精度和通流能力的情況下有較小的壓力損失。過濾器前后設有壓力表用來監測過濾器的壓力損失。根據過濾器前后的壓差變化來確定具體更換周期，運行初始過濾器前后壓差≤2 kPa，當粉塵含量逐漸積累時，過濾器前后的壓差將逐步加大；當壓差達到3 kPa時，應考慮更換過濾器濾芯；當壓差達到5 kPa時，必須更換濾芯。

2.2 制冷系統

制冷系統產生5 ℃～8 ℃的低溫冷卻水，進入冷凍換熱器，將瓦斯的溫度冷卻到15 ℃～20 ℃。瓦斯在被冷卻的同時，其內部的水蒸氣預冷凝結析出，被分離后排往外界。在此過程中，瓦斯中的水蒸氣含量減少，絕對濕度降低，從而達到除濕的目的。

制冷系統中，制冷壓縮機產生的冷凍水在循環水泵的作用下進入冷凍換熱器，將瓦斯氣體冷卻，自身的溫度升高，然后回到制冷機組，冷凍水在制冷機組內被冷卻，然后再被送往循環水泵，如此循環往復。

2.3 排水系統

排水系統主要由排水閥、排水管路和水封組成，是用來除去系統中產生的液態水，將水源排往系統外部。液態水的主要來源是：瓦斯氣流中攜帶過來的水；瓦斯氣體在被冷卻的過程中產生的凝結水；瓦斯氣體中的液態水被管路、設備阻隔產生的滯止水。

2.4 再循環系統

當系統的供氣量大于發電機組的用氣量且超過設定值時，再循環旁路開啟，使部分氣體回流到系統入口。

在自動運行狀態下，當控制系統檢測到出口壓力高于設定值時，PLC會將再循環氣動閥自動打開；當控制系統檢測到出口壓力低于設定值時，PLC會將再循環氣動閥自動關閉。

在啟動階段狀態下，當控制系統檢測到風機頻率低于5 Hz時，PLC會將再循環氣動閥打開；當控制系統檢測到風機頻率高于8 Hz時，PLC會將再循環氣動閥自動關閉。

2.5 放空系統

放空系統的啟動主要有兩種：一是系統管路內嚴重超壓時，作為瓦斯氣體的緊急放散通道；二是系統置換時，將管道內殘余的瓦斯氣體排放至系統外。在系統自動運行狀態下，當控制系統檢測到出口壓力高于設定值時，PLC打開放空氣動閥；當控制系統檢測到出口壓力低于設定值時,PLC關閉放空氣動閥。

2.6 壓縮空氣系統

系統中所有的氣動閥均由空氣壓縮機的壓縮空氣來驅動。

壓縮機產生的壓縮空氣先經過汽水分離器除去液態的水，然后經過一個小型的儲氣罐，進入水過濾器和油過濾器，分別除去壓縮空氣中的固態雜質、水分和油份，最后進入各用氣設備。

空壓機的出口壓力為0.6 MPa～0.8 MPa。當壓縮空氣系統檢測到空壓機啟動信號后，空壓機運行，自行監測出口的壓力。當出氣管的壓力達到0.8 MPa時，其停止運行；當檢測到出口壓力低于0.6 MPa時，其自動啟動補壓。

2.7 控制系統

預處理控制系統由可編程控制器(PLC SIEMENS S7300)和嵌入式工控機等組成。如出現負荷自動降載，則應以預定的程序進行變頻降負荷。當設備出現故障時，則斷開供氣管路，自動停機。該系統設有超壓保護旁路，在超壓情況下，旁路閥開啟；如果壓力持續升高，在極端情況下，設置在管路上的安全閥將自動開啟。同時預處理裝置會將風機轉速、氣體進出口壓力和溫度、氣體出口甲烷濃度和流量、二次過濾前后差壓等參數送至中控系統。

3 預處理系統控制

3.1 變頻器控制

預處理系統參與變頻系統的主要有變頻器和羅茨風機。變頻器根據預處理系統出口壓力自動跟蹤輸出頻率值的運行參數，此參數與預處理出口實際流量有很大關系，即當輸出濃度或流量有變化時，應根據實際情況調節此值，調節時須微調此值，羅茨風機的頻率不得高于50 Hz。

3.2 氣動閥門控制

預處理系統的管路使用手動、氣動一體閥門，氣動閥門的開關需要有空壓機、壓縮氣體儲氣罐來共同完成。壓縮機利用自身運轉后在系統內部形成的壓力將空氣增壓，通過管路輸送至儲氣壓力罐體中，空壓機要將儲氣罐內的空氣壓力維持至要求范圍內。

3.3 PLC系統控制

預處理控制系統采用SIEMENS可編程的PLC S7300系統，系統操作如下：

(1) 單元操作及羅茨風機操作。打開單元操作畫面子窗口，羅茨風機圖標工作狀態為紅色，灰色為非工作狀態。開關羅茨風機必須先打開入口氣動閥，打開羅茨風機，打開出口氣動閥。也可以直接投自動操作，單元會實現自動控制。投自動調節時必須確保輸出壓力與設定壓力值之間的差值小于0.5 kPa。若氣動閥打不開及羅茨風機沒有運行反饋信號，該單元會自動報警停機。

(2) 氣動閥操作。點擊氣動閥下邊的啟動或停止按鈕，氣動閥開始動作；關到位圖標顯示為綠色，開到位圖標顯示為紅色，開動作和關動作過程中為灰色。必須確保空壓機壓力大于0.45 MPa，才能操作氣動閥。當單元處于連鎖狀態時，必須按順序才能開啟相應的氣動閥和羅茨風機。

(3) 調節閥操作。首先給調節閥的電磁閥送電，調節閥圖標變為綠色說明電磁閥送電，點擊打開調節閥操作子窗口，開度輸入“0.00%”，此時可直接雙擊輸入數值，確定后調節閥開始動作開或關；可以點擊向左、向右的三角箭頭以減少和增大開度，還可以直接拖動百分標尺。調節打開或關閉正常時可以通過反饋信號的值讀取；調節閥投自動運行時，調節閥操作圖標按鈕顯示為綠色；有故障時，調節閥操作圖標按鈕顯示為紅色閃爍。

(4) 制冷機組操作。進入制冷系統操作畫面子窗口，點擊選擇啟動水泵制冷機組，制冷機組則顯示下班；若制冷機組工作正常，有運行反饋信號時則顯示變為上班。啟動制冷機時必須先啟動水泵。

(5) 廠房排風扇操作。進入廠房通風機操作畫面，選擇啟動相應的通風機，啟動正常時，通風機圖標變為旋轉；若有故障時，通風機按鈕顯示為紅色。報警提示欄里有報警提示。

3.4 預處理安全防護控制

預處理控制系統對系統入口和出口的氣體壓力、溫度、濃度、濕度以及環境溫度、環境瓦斯濃度設置高報警、低報警、高停機、低停機。一旦系統參數超過設定值，系統會報警或自動停機。泄露儀儀表只要有一臺的濃度值達到0.5%報警啟動所有風機,達到1.0%停止所有設備,達到1.5%切斷配電柜所有設備的電源。

3.5 預處理系統功能的實現方法

(1) 氣體輸送與壓力、流量控制。氣體流量的控制是通過對出口壓力的調節來實現的。當預處理單元出口流量大于發電機組的用氣量時，表現為處理單元出口壓力升高。此時，PLC自動調節降低風機轉速，減少氣體輸送量，使壓力降到正常值。反之，當發電機升負荷時，預處理單元出口流量小于發電機組的用氣量時，處理單元出口壓力會下降。此時，PLC自動調節增加風機轉速，加大氣體輸送量，使壓力升到正常值。

(2) 濕度調節。發電機組要求的10 ℃～60 ℃的溫度范圍內，保證系統出口的相對濕度小于80%。由于預處理系統供氣濕度較大，因此，預處理系統必須有除水工藝，另外，除濕設備在排水時要保證瓦斯不會泄漏，避免發生爆炸。

4 總結

瓦斯預處理系統是保證燃氣發電設備安全運行的關鍵環節，通過換熱器、二級過濾器、羅茨風機、制冷機組等設備，在預處理各系統的控制下，對瓦斯氣體進行處理并使其達到機組的用氣標準。

[1] 肖保生.設備管理系統[M].西安：西北工業大學出版社，1997.

[2] 李向榮，魏镕，孫柏剛，等.內燃機燃燒科學與技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

Coal-bed Methane Power Plant Pretreatment System and Control

ZHAO De-yue1,2

(1.Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Shanxi Yangquan Coal (Group) Co., Ltd., Supply Branch of Coalbed Mathane Power Plant, Yangquan 045000, China)

This paper mainly introduces a gas pretreatment process of coal-bed methane power generation system and its control system, including the pretreatment system’s working process, main equipment, control system and technical parameters, etc.

pretreatment; power plant; coal-bed methane; system control

1672- 6413(2015)06- 0188- 02

2015- 07- 22；

2015- 10- 23

趙德悅(1974-)，男，山西平遙人，機電工程師，注冊安全工程師，本科。

TP273

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