低濃度瓦斯發電技術在峻德煤礦的應用

劉洪雨

摘 要：煤礦瓦斯是一種新型能源，主要成分是甲烷，儲量豐富，與天燃氣儲量相當。開發利用瓦斯具有節能、環保、增效等重要意義。煤礦瓦斯發電具有極佳的市場前景，通過對峻德煤礦瓦斯抽采現狀的分析，對煤礦瓦斯發電設備進行選型，闡述了低瓦斯發電機組的關鍵技術特點和發電技術安全性。為煤礦瓦斯發電技術的運用提供技術支撐，促進我國煤礦瓦斯發電事業的健康發展。

關鍵詞：煤礦瓦斯 發電技術 能源

引言

煤礦瓦斯是儲藏在煤層里的以甲烷氣體為主要構成物的非常規天然氣能源。它無色無味、易燃 易爆并且有較大的毒性，在煤炭資源開采中會 自動散發到礦井內。特別是在其主要成分甲烷氣體占空氣體積的5%～16 %范圍時，遇到明火將引起爆炸的發生。正因如此在業界也把煤礦瓦斯稱之為安全殺手，但與此同時煤礦瓦斯以甲烷為主要成分，也可以作為一種具有較高經濟價值的新型清潔能源被利用。當前在全球資源日益匱乏的大環境下，合理地開發和利用煤礦瓦斯具有極其重要的現實意義。

1 礦井概況及瓦斯抽采現狀

峻德煤礦是東北地區最大的國有井工煤礦，全國瓦斯治理示范礦井，行業一級安全高效礦井。礦井位于黑龍江鶴崗煤田最南端，1981年11月26日投產，煤質為氣煤和肥氣煤，是優質的動力煤，礦井生產能力300余萬噸，綜合機械化開采。已探明礦井剩余可采儲量共計5.3億噸，按目前開采能力可采130年。該礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯剩余儲量約20億立方米，氣體儲量非常豐富。地面運行兩套瓦斯抽采系統，實現礦井高、低濃度分源抽采，利用礦用坑道鉆機打穿層鉆孔技術，分別對二水平南一、二區及三水平的21#、22#、23#、27#、30#、33#可采煤層進行瓦斯預抽。瓦斯抽采純量為2040萬 m3/a ，瓦斯平均濃度25%左右，屬于低濃度瓦斯。

2 機組選型

目前國內瓦斯發電站普遍采用瓦斯內燃發電機組，其中應用較多的國產機組主要有勝動集團、濟柴動力、無錫開普等公司生產的燃氣發電機組，功率有1000KW、600KW和500KW三種容量機型。低濃度瓦斯發電必須解決兩個問題：一是發電機組要適應瓦斯濃度和壓力的變化要求；二是要有安全的瓦斯輸送系統，保證安全發電。由于峻德煤礦瓦斯氣體濃度相對不高，發熱量較低，適應性差等特點，瓦斯平均濃度20%-25%，而勝動機組設計為CH4≥9%即可發電，因此選擇8臺勝動500GF1-3RW型低濃度瓦斯發電機組及其配套設施。

3 500GF1-3RW瓦斯發電機組主要技術特點

3.1空燃比自動調節技術

通過計算機實現發動機空燃比閉環控制，對于低濃度瓦斯，設計大口徑瓦斯進氣通道。瓦斯與空氣分別由電動蝶門進行控制。當CH4的濃度變化時，發動機自動實時監控燃燒狀況，由中央控制單元發出指令，執行器調整燃氣通道，從而改變燃氣進氣量，達到自動調節混合比的目的，使發動機空燃比始終保持在理想狀態，整個過程自動實現。

3.2 低壓進氣技術

針對抽排瓦斯壓力低的特點，機組采用瓦斯與空氣先混合后增壓技術適應煤礦瓦斯壓力低的特點。該技術的應用，可實現直接應用煤礦抽排瓦斯發電的目的。瓦斯壓力到調壓閥前達到3kPa以上就可以達到使用條件，不需要增加加壓裝置，減少投資。

3.3 稀薄燃燒技術

通過合理匹配配氣系統，利用自主知識產權的新概念燃燒室技術和缸溫控制技術，共同實現稀薄燃燒，降低熱負荷，提高了機組對燃氣的適應性和機組的熱效率，其動力性和可靠性大大提高。

3.4 防回火技術

針對低濃度瓦斯的特點，研制了金屬波紋帶瓦斯管道專用的阻火器，用于發動機的三處阻火點，防止發動機回火。

3.5 數字點火技術

點火系統與美國ALTRONIC公司的產品配套使用，通過在世界范圍內的使用證明：該系統具有較高的可靠性，尤其適用于大功率機組，保證燃氣燃燒充分，機組可靠運行。此點火系統尤其適合多缸機型，使每個氣缸都能在最佳狀態工作，發揮機器的最佳性能。

3.6電子調速技術

選用美國WOODWARD電調系統，該系統是當前世界最先進的大功率調速系統，經過20多年燃氣機研發經驗和國內外機組的使用驗證，該調速系統的使用性能優越，具有高穩定性和反應快速等優點，適合多臺機組并車或并網時使用，可達到精確的速度控制，使機組調速率穩定。

3.7 TEM（工控計算機）技術

利用TEM（工控計算機）系統對瓦斯濃度、發動機缸溫、排溫、混合器轉角、監控儀測量參數、電量參數進行采集記錄與故障報警，并能自動調節混合器控制閥開度，使機組始終處于最佳工作狀態。進氣總管裝甲烷傳感器，符合煤礦防爆要求。TEM系統還可以根據用戶的需要實現信息遠傳和遠程監控。

4低濃度瓦斯發電技術的安全性

500GF1-3RW瓦斯發電機組在設計時充分體現了最初的設計原則，充分考慮瓦斯氣體的易燃、易爆性，尤其低濃度瓦斯。機組本身具有多種安全保護裝置：

短路保護：利用主回路低壓斷路器的延時脫扣器做短路保護電器，動作電流整定8-10倍額定電流。

過電流保護：利用機組上的過流繼電器檢測過流信號，按照發電機額定電流的1.25倍整定。

欠壓保護：在主回路低壓斷路器裝設失壓脫扣器，當發電機電壓低于50%—60%額定電壓時，使主斷路器分閘。

逆功率保護：采用反時限逆功率保護機組，并聯運行時發生5%-15%額定功率的逆功率時，10s內逆功率保護裝置使主斷路器分閘。

發電機熱保護：定子溫度超過145℃，發出聲光預告報警信號，超過155℃使主斷路器分閘。

TEM保護系統：交流電流表、電壓表、功率表、功率因數表、頻率表、電能表、轉速表、運行時間累計表及相應配套的電流互感器、電壓互感器、測量轉換開關；燃氣機的進口氣壓、水溫及排煙溫度、油溫、機油壓力、缸溫、同期測量儀表及同期控制設備、運行狀態預告、故障報警信號、水溫、油溫過高報警。

發動機的狀態信號：潤滑油壓過低、超轉速故障報警并停車。

5 排氣余熱利用

利用循環泵將礦區自來水經軟化處理送至鍋爐，利用瓦斯發電機組排放的尾氣進行加熱，可以生成1.0MPa、120℃的飽和蒸汽，再通過管道送入熱交換器轉換成60℃的熱水后，供峻德職工浴池洗澡和更衣室烘干用水。煙道式余熱鍋爐，單機額定出力為0.4t/h，總出力為8×0.4t/h，可節約供蒸汽氣量3.2t/h。

6 經濟效益、社會效益：

1.發電機組每年發電2040萬KWh，所發電量全部供礦區內部使用，每年為我礦節約電費1264萬元。余熱利用4400GJ，節約煤炭720噸，加上人工費、設備維護費等每年可節省資金300萬元；

2.實現了能源的綜合利用及公司的可持續發展；

3.減少溫室氣體排放，保護生態環境

7 結論

煤礦瓦斯發電在一定程度上改善能源結構，實現“以利用促抽采、以抽采保安全”的煤礦良性循環發展；在抽放站附近建立瓦斯發電站，實現“就地發電，就地使用，多余上網”的模式 ，緩解區域性電力短缺，提高煤礦企業生產效益。具有安全、環保、節能的顯著特點，經濟效益和社會效益都十分顯著。

參考文獻 ：

[1] 陳宜亮. 低濃度煤層氣發電機組技術及其應用[J ]. 山東理工大學學報（自然科學版） ，2003 （4） ：1082110.

[2] 王竹南. 煤礦瓦斯發電技術綜述[ J].科技創新導報，2013（12）：0042-01