薄煤層低濃度瓦斯發電總體系統方案設計及應用

甘業忠

摘 要：煤層瓦斯作為重要的能源資源，可供人們使用。低濃度瓦斯具有不可民用、熱爆炸、熱值低等特點，為了加快低濃度瓦斯的有效開發，應從源頭上降低其安全事故發生頻率，增加能源供應。本文將對低濃度瓦斯發電技術展開研究，對其實際應用對策加以闡述。

關鍵詞：低濃度瓦斯；瓦斯發電系統；瓦斯利用

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0177-02

瓦斯是一種清潔高效能源，1m3純瓦斯燃燒熱值相當于1.13kg汽油，1.21kg標準煤，可以與天然氣混合輸送，是工業、民用極好的燃料。我國煤礦每年抽放的瓦斯氣體總量達到130億m3，其中可利用的總量達80億m3直接排入空氣，造成巨大的溫室效應，同時等于浪費掉1000萬噸標準煤的能源，少發電300億kw·h。低濃度瓦斯發電是一項綠色環保高效清潔，有利于降低安全事故的瓦斯利用技術，值得大力發展和推廣。

低濃度瓦斯發電是采用抽采的低濃度瓦斯，采用安全輸送方式和空氣混合進入內燃機中，在內燃機中發生爆炸，利用爆炸的能量帶動電動機轉動，產生電流，實現電能輸出。

1 低濃度瓦斯發電系統組成

小河嘴煤礦低濃度瓦斯發電項目采用內燃式低濃度瓦斯發電機組。該方案具有發電量大，投資小，運行維護方便，占地少、電站自用電少，要求進氣壓力低（3～20kPa即可），適用瓦斯濃度范圍廣（濃度7%以上即可利用），發電效率高（一般在30%～38%），啟動時間短、運行靈活等特點等優點，而且目前國內有多項工程應用投產，已積累了成熟的經驗。

低濃度瓦斯發電機組由潤滑系統、空氣過濾系統、點火系統、冷卻系統、排氣系統及發電機組控制系統等組成。全套裝置包括：燃氣發動機、發電機、空氣過濾器、排氣消音器、機組輔助系統，燃氣調壓裝置、機組系統同期控制屏等裝置。

本系統設計為：本項目敷設1條DN400的進氣管線為電站輸送瓦斯為電站輸送瓦斯。為了確保發電機組的正常運行，在瓦斯輸送主管線上安裝水封阻火器、藍式過濾器、瓦斯管道干式阻火器、濕式放散閥、防爆電動蝶閥等設備，并通過瓦斯與細水霧混合輸送系統，將低濃度瓦斯輸送到發電站。瓦斯輸送系統工藝流程如下圖1所示。

2 低濃度瓦斯發電機組系統

本項目確定采用內燃式低濃度瓦斯發電機組。該方案具有發電量大，投資小，運行維護方便，占地少、電站自用電少，要求進氣壓力低（3～20kPa即可），適用瓦斯濃度范圍廣（濃度7%以上即可利用），發電效率高（一般在30%～38%），啟動時間短、運行靈活等特點等優點，而且目前國內有多項工程應用投產，已積累了成熟的經驗。

根據小河嘴煤礦抽放泵站附近場地和現場水源的實際情況，小河嘴煤礦低濃度瓦斯發電項目采用閉式冷卻機組。同時通過對國內主要燃機廠家的介紹和技術參數對比，針對小河嘴煤礦抽放的低濃度瓦斯氣進行燃機設備選型，浙江紐恩潔瑞動力股份有限公司作為本項目投資方的控股公司，擁有低濃度瓦斯發電機組的專利技術和軟件著作權，生產的低濃度瓦斯發電機組可以針對目前的瓦斯狀況進行針對性開發，具有適用性強、技術先進、性價比高和維護成本低等優勢。故本工程選用浙江紐恩潔瑞動力股份有限公司生產的500kW低濃度瓦斯發電機組為發電主機設備。

3 低濃度瓦斯發電并網系統

3.1 電網現狀

小河嘴煤礦在地面設有35kV變電站，分別由川東電業局盤石變電站和集團公司電網雙回路供電，全礦供電方式采用平行雙回路供電。主變為2臺SZ11-3150kVA變壓器，由35kV變6kV向全礦各點供電。由35kV站向中變采用雙回路供電，由地變所雙回路向主通風機供電。±0水平設有中央變電所分別向101、201、301、402采區變電所供電。

目前小河嘴煤礦供電最大負荷2230kW，架空線采用LGJ-120鋼芯鋁絞線，其中盤河線共5.1kM，小斌線12.2kM。兩線路電桿型號為SLZ（19.5），避雷線型號為GJ-35，礦井供電電力調度接受集團公司統一調度。

3.2 電力平衡

小河嘴煤礦低濃度瓦斯發電項目裝機容量為2.125MW，充分考慮到礦井由于生產規模的擴大和瓦斯抽放量的斷增加，為后續擴大瓦斯發電規模留有發展余地。由于低濃度瓦斯發電裝機規模都比較小，對當地電網供電能力和對電網的影響非常有限，因此本可研的電力平衡僅在礦井供電區域范圍內研究。根據煤礦提供資料，小河嘴煤礦正常生產時預計平均電力負荷為1500kW。新建低濃度瓦斯發電項目所發電能全部供給礦區自用。

3.3 電站接入系統

電站附近變電所有川東電業局盤石變電站和小河嘴煤礦35kV變電所。由于川東電業局盤石變電站距電站較遠，且電站性質按自備電廠考慮，發電機組發出的電力主要用于滿足煤礦用電需求，故接入系統推薦電站采用35kV電壓等級接入小河嘴煤礦35kV變電所。最終接入系統方案以供電部門接入系統專項設計為準。

3.4 電氣接入系統

小河嘴煤礦瓦斯電站共設4臺500GF-WK2發電機組，單機額定功率為500kW，持續運行功率450kW，發電機組出口電壓為400V；螺桿膨脹發電機組額定功率為125kW，持續運行功率100kW，發電機組出口電壓為400V。4臺發電機組及1臺螺桿膨脹發電機組所發電量通過2臺1250kVA升壓變壓器（0.4/38.5kV）升壓到35kV。高壓接線方式采用單母線分段接線方式。電站所發電量經高壓出線柜以一回高壓架空線接入小河嘴煤礦35kV變電所35kV母線側與之并網。

4 效果分析與結論

基于低濃度瓦斯發電系統設計，以及綜合應用低濃度瓦斯發電技術，瓦斯發電主干管路內的瓦斯濃度基本穩定在10%～15%，流量在200～260m3/min，純瓦斯抽出量達到20m3/min左右，為瓦斯發電機組正常運轉發電提供了保障。通過該項目的發電運行，實現了年發電量2000kW的發電規模，實現發電銷售收入722.8萬元，實現利潤222.07萬元，上交利稅74.02萬元，產生了顯著的經濟效益，實現了四川省低濃度瓦斯發電零的突破。

5 結語

（1）根據低濃度瓦斯發電設計原則，提出了低濃度瓦斯發電系統方案設計，確定了熱機系統參數、煤氣發生爐技術參數、燃機本體系統、燃氣輸送系統等。

（2）根據小河嘴煤礦廠區位于山區，地形復雜，不適宜建大型廠區的客觀條件，分別分析了無法滿足聯合循環系統廠區設備較多、占地較大、汽輪發電機組最小發電機型限制的弊端；也無法滿足乏風氧化裝置制熱發電需要的占地面積較大，且需要靠近乏風出口的客觀條件要求；綜合比較分析，確定小河嘴礦發電站采用內燃式低濃度瓦斯發電機組，方案具有發電量大，投資小，運行維護方便，占地少、電站自用電少，要求進氣壓力低（3～20kPa即可），適用瓦斯濃度范圍廣（濃度7%以上即可利用），發電效率高（一般在30%～38%），啟動時間短、運行靈活等優點，而且目前國內有多項工程應用投產，已積累了成熟的經驗。

（3）發電系統采用自主研發的控制系統將發動機的空燃比控制、點火控制、調速控制、并網并機自動控制進行了高度集成，空燃比智能控制技術，低壓大流量先導調壓電子控制技術低濃度瓦斯發動機要求調壓閥調壓精度高，智能網電無隙備用技術可以實現對電網反送電，會對大網造成任何影響。

（4）低濃度瓦斯低溫置換安全輸送技術在細水霧輸送系統的基礎上，本系統增加了管線調壓系統和低溫脫水系統，從而進一步提高了瓦斯發電機組的發電穩定性和發電效率。

參考文獻

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