基于內燃機的煤層氣發電聯供系統配置

王華超，陳露（中南電力設計院有限公司，武漢430071）

基于內燃機的煤層氣發電聯供系統配置

王華超，陳露
（中南電力設計院有限公司，武漢430071）

煤層氣發電是煤層氣利用的重要途徑之一，經過多年的發展，燃氣內燃發電機組在我國煤層氣發電中，獲得了越來越廣泛的應用。論文闡述了各種基于內燃機的煤層氣發電聯供系統配置，并對各種內燃機配置進行了簡要介紹。

煤層氣發電；內燃機；系統配置

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.150

1 引言

煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），與煤炭伴生、以吸附狀態儲存于煤層內的非常規天然氣，其熱值與天然氣相當，是一種高效的清潔氣體能源。我國煤層氣資源豐富,位居世界第三(第一俄羅斯,第二加拿大)。據國內最新一輪評價結果（2005年），全國煤層埋深2 km以內的煤層氣資源量為368 000億m3,與常規陸上天然氣資源量基本相當。

煤層氣在煤礦開采中大量生產，其易燃易爆性嚴重影響煤礦的安全生產。在國際能源局勢趨緊的情況下，作為一種優質高效清潔能源，煤層氣的大規模開發利用前景誘人。煤層氣的開發利用具有一舉多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應；有效減排溫室氣體，產生良好的環保效應；作為一種高效、潔凈能源，能產生巨大的經濟效益。

煤層氣發電是煤層氣利用的重要途徑之一，我國煤層氣發電技術進展較快，2009年全國煤層氣發電機組已超過1400臺,總裝機容量達到920 000kW。根據國務院規劃，2015年煤層氣發電裝機容量將超過2 850 000kW。

2 煤層氣發電系統主機型式

理論上講，煤層氣發電采用的主機設備主要有以下幾種型式。

2.1 燃料電池

燃料電池不同于轉換燃料的化學能，經燃燒釋放熱能做功，最終產生電的傳統發電系統，燃料電池是將燃料的化學能直接利用電化學反應轉換生產為電力。由于燃料電池沒有機械做功和熱交換過程，與一般的熱發動機產生的電力相比，具有效率更高、污染較低、生產運行過程安靜等特點。

由于目前燃料電池的高成本，燃料電池僅適用于對電力質量、電力環境、生產環境要求較高的地區和用戶。

2.2 燃氣鍋爐帶蒸汽輪機發電機組

燃氣鍋爐帶蒸汽輪機發電機組，為傳統的火電機組形式，工藝技術成熟，運行可靠，但燃氣鍋爐采用煤層氣為燃料，目前僅局限在小型的工業鍋爐。這種裝機形式發電效率也較低，啟動運行時間長，不靈活。所以目前煤層氣電站基本不采用這種裝機形式。

2.3 混合燃燒鍋爐帶蒸汽輪機發電機組

混合燃燒鍋爐是用煤層氣和煤同時作為鍋爐的燃料，需要對傳統燃煤鍋爐進行改造，增加燃氣供應系統。混合燃燒鍋爐可降低氮氧化物、硫氧化物和飛灰的排放。混合燃燒鍋爐受到瓦斯抽采的波動性強影響較大，其輔助系統也較為復雜，且這種裝機形式發電效率較低，啟動運行時間長，不靈活。目前煤層氣電站也基本不采用這種裝機形式。

2.4 燃氣輪發電機組

燃氣輪機發電具有系統簡單，運行靈活，單機功率大，占地面積小的優點；燃氣輪機發電系統可加余熱鍋爐帶蒸汽輪機聯合循環發電。

2004年以前，以礦井高濃度煤層氣（甲烷含量大于40%）為燃料的電站主機，大都采用燃氣輪機。但這些機組受瓦斯抽采濃度的波動的影響較大，運行情況不佳。因此，近年來這種裝機形式的應用也逐漸被淘汰。

2.5 燃氣內燃發電機組

燃氣內燃機發電，具有系統簡單，運行靈活，啟動時間短、發電效率高等特點。尤其是這種機組要求進氣壓力低，僅為5～35kPa，適用瓦斯濃度范圍廣，濃度6%以上均可利用，這使得燃氣內燃機發電機組在煤層氣發電方面獲得了越來越廣泛的應用。

往復式燃氣內燃機，以其運行靈活，對瓦斯濃度適應范圍廣，尤其是對低濃度煤層氣的適用性，在現階段已經成為煤層氣發電的主要設備。

3 基于內燃機的煤層氣發電聯供系統配置

煤層氣發電聯供系統，即利用煤層氣，生產多種能量，通常是電能、熱能（含蒸汽、熱水）和冷能，其能源綜合利用效率一般可達80%以上。

內燃機發電機組的可供利用的余熱分主要有2部分：（1）發動機做功后排出的煙氣余熱，根據內燃機型號不同，煙氣溫度一般為350～460℃；（2）內燃機缸套冷卻水，缸套冷卻水溫度一般在95℃左右。其中煙氣余熱的利用設備主要有余熱鍋爐、煙氣-熱水換熱器和溴化鋰吸收式冷水機組；缸套冷卻水的余熱利用設備主要有水-水換熱器和溴化鋰吸收式冷水機組。基于內燃機的煤層氣發電聯供系統，主要針對余熱利用設備的不同，進行多形式的組合，以獲得不同的產品需求。基于內燃機的煤層氣發電聯供系統，主要有以下幾種系統方案配置。

1）方案一：內燃機配煙氣熱水型雙效溴化鋰吸收式冷水機組，系統主要流程詳見圖1。方案一為常規的冷熱電三聯供機組配置，高溫煙氣和缸套冷卻水進入煙氣熱水型雙效溴化鋰機組，可對外提供熱水負荷和冷水負荷。冷熱電三聯供機組規模可大可小，運行靈活。淮南礦業集團在潘一礦采用的冷熱電三聯供裝機方案，利用余熱制冷，實現井下降溫，是煤層氣冷熱電三聯供與治理礦井熱害相結合的一次重要探索，具有重大的實踐和指導意義。

圖1 煤層氣發電聯供系統配置方案一

2）方案二：內燃機配余熱鍋爐及蒸汽輪機，系統主要流程詳見圖2。方案二為常規的熱電聯產機組配置，高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱給水，產生的蒸汽驅動蒸汽輪機做功，從而實現能量的梯級利用。蒸汽輪機的冷凝水，可先通過缸套水板式換熱器加熱后，再進入余熱鍋爐，提高余熱鍋爐給水的初溫，充分利用內燃機的余熱，實現更高的能源綜合利用效率。此方案也可向用戶提供蒸汽介質。

但由于內燃機單機容量均較小，煙氣溫度也不高，單臺內燃機可產生的蒸汽量較小，一般當煤層氣電站裝機容量小于30MW，采用熱電聯產配置的經濟性不高。目前國內規模較大的煤層氣電站較多采用這種裝機方案。

圖2 煤層氣發電聯供系統配置方案二

3）方案三：內燃機配溴化鋰機組、余熱鍋爐及蒸汽輪機，系統主要流程詳見圖3。方案三與方案二的主要區別在于內燃機缸套水余熱的利用，方案三采用了熱水型溴化鋰機組，利用內燃機缸套水余熱的利用對外供熱水和冷水，雖然蒸汽輪機的發電量有所降低，當可對外供熱水和冷水，產品更豐富，能滿足用戶更多樣化的需求。

圖3 煤層氣發電聯供系統配置方案三

4）方案四：內燃機配煙氣-熱水換熱器和水-水換熱器，系統主要流程詳見圖4。方案四采用板式換熱器，對外提供的介質只有熱水，熱用戶受限制較大，但整體的初投資及后期運行管理費用均較低。在用戶的熱水負荷需求穩定，需求量較大時，采用此方案較為經濟。

圖4 煤層氣發電聯供系統配置方案四

4 結語

煤層氣是一種存儲豐富、清潔、高效的能源，采用煤層氣發電也越來越普遍。基于內燃機的煤層氣發電聯供系統，也衍生出了多種配置。煤層氣發電站，可單一采用一種聯供系統配置，也可同時采用多種聯供系統配置，因地制宜，滿足業主對電、蒸汽、熱水、冷的多元化供能需求。已投入運營的煤層氣發電站，也可根據自身及周邊用戶需求，結合電站條件，改造煤層氣發電聯供系統，從而提高煤層氣發電站的綜合利用效率。

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【2】譚超,白紅彬.我國煤層氣發電產業發展現狀[J].能源研究與利用, 2010(1):9-11.

【3】王勇.煤礦瓦斯發電及熱電冷聯供技術研究[J].工礦自動化,2006 (5):8-11.

【4】樊金璐,吳立新,王春晶,等.中國煤層氣發電技術發展和應用現狀[J].潔凈煤技術,2012,18(1):1-4.

Configuration of CMM Power Generation Combined System Based on Internal-Combustion Engine

WANG Hua-chao，CHEN Lu
(Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China)

CMM power generation is one of the most important ways to utilize CMM resources. After years of development, the gas internal combustion engine power units are widely applied in China's CMM Power generation.This paper describes variety configurations of CMM powergeneration combined system based on internal-combustion engine,and various configurations are briefly introduced.

CMM power generation;internal-combustion engine;system configuration

TK403

A

1007-9467（2016）12-0115-03

2016-11-08

王華超（1982～），男，湖北武漢人，工程師，主要從事火力發電及新能源研究。