分布式低濃度瓦斯發電技術運用實踐
——以中國首座分布式低濃度瓦斯電站為例

程志遠

晉能控股裝備制造集團金駒煤電化有限責任公司, 山西 晉城 048000

0 前言

煤層氣(瓦斯)是一種非常規天然氣，資源儲量高，開發潛力大。煤層氣資源開發利用是天然氣能源消費重要的一部分。中國兩大煤層氣產業化基地之一的山西沁水氣田的2.8×104km2礦區內,有十幾家企業進行煤層氣開采,盲目開采造成大量煤層氣排空浪費[1]。如何從產業現狀、開發與利用的角度研究中國煤層氣產業的發展顯得極其重要。受益于沁水氣田的高儲量煤層氣及政府政策的扶持,沁水地區煤層氣產業蓬勃發展,集中表現為瓦斯發電產業的新興，其中包括高濃度瓦斯發電、低濃度瓦斯發電、乏風熱氧化發熱發電及其衍生輔助工藝(如ORC低溫余熱發電)等。

1 中國煤層氣開發利用的現狀

中國煤層氣勘探開發始于20世紀70年代,在借鑒國外經驗的基礎上,結合國內實際情況,初顯成效[2]。但受制于“富煤、缺油、少氣”的能源稟賦特征[3],中國一次性能源消費同發達國家相比是不平衡的。最明顯的是煤炭能源消費占比高,石油、天然氣、核能消費均不及發達國家。作為一種非常規天然氣、煤層氣消費水平同樣低于發達國家水平。

2011年,中國制定能源消費結構調整目標:將傳統化石能源消費占比從2009年的70%以上降低到2015年末的65%左右[4]。同時鼓勵在工業生產和日常生活中使用天然氣[5],將其在能源消費占比從2010年的4.4%提高到“十二五”末的7.5%。中國政府出臺的《能源發展戰略行動計劃2014—2020》[6]指出,到2030年,傳統化石能源消費占比將下降至68%,而清潔能源占比將從19%升至32%,其中天然氣占比將從2015年的6%升至11%,對優化能源結構具有重要意義。

2 分布式低濃度瓦斯發電技術的意義

2009年、2015年和2030年中國一次能源消費占比見圖1。由圖1可看出,到2015年末,中國天然氣消費占比為5.9%,未達到《能源發展戰略行動計劃2014—2020》中制定的天然氣占比7.5%的既定目標。因此加大天然氣的勘探力度,并以各種形式、多措并舉地加以開發更廣泛利用天然氣,是十分重要且緊迫的任務。

圖1 2009年、2015年和2030年中國一次能源消費占比圖Fig.1 Proportion of primary energy consumption in2009, 2015 and 2030 in China

中國天然氣儲量豐富,已探明地質儲量為5.44×1012m3,而煤層氣埋深2 000 m以淺地質資源量30×1012m3,可采資源量12.5×1012m3[7]。2015年中國煤層氣產業基地占比中,山西省沁水氣田所占份額高達69%，見圖2。結合中國國家發展和改革委員會關于印發的《分布式發電管理暫行辦法》(發改能源〔2013〕1381號)的通知,分布式低濃度瓦斯發電應運而生。

圖2 2015年中國煤層氣產業基地占比圖Fig.2 Proportion of coalbed methane industrial bases in 2015 in China

3 分布式低濃度瓦斯發電技術實際應用

分布式發電[8],是指裝機容量小、分布廣泛、無需進行調峰的小型發電站,包括太陽能發電、風力發電,以及瓦斯發電等。中國瓦斯發電主要分為高濃度瓦斯發電和低濃度瓦斯發電(另外還有乏風發電)。高濃度瓦斯發電技術是指濃度高于30%的瓦斯通過脫水、除塵后,同空氣混合,進入發動機內發生燃燒,釋放能量,帶動發動機轉動,進而發電。低濃度瓦斯從煤礦礦井下抽采到地面,因為濃度低、危險性高、提純成本高,煤礦礦井通常直接對空排放,不僅污染環境,同時浪費資源,因此合理利用低濃度瓦斯很重要，也更環保。低濃度瓦斯發電采用稀薄燃燒發電技術[9],將濃度10%～30%甚至更低的瓦斯用作發電,廢物利用,變廢為寶。

2016年9月,中國首座分布式低濃度瓦斯電站——蘆家峪瓦斯電站順利通過帶電調試,正式并網發電,可就地利用濃度15%的瓦斯,并實現自發自用、多余上網,標志著中國瓦斯利用進入更高效階段[10]。

蘆家峪瓦斯電站采用6臺國產1 MW靜音型集裝箱式低濃度瓦斯發電機組,配套建設低濃度瓦斯安全輸送系統和配電控制系統,以一回路10 kV電纜在蘆家峪110 kV變電站10 kV側并網運行。同時配套6臺余熱鍋爐與6臺板式換熱器為蘆家峪瓦斯電站與蘆家峪工業場地供熱。分布式低濃度瓦斯電站主要技術經濟指標見表1。

表1 分布式低濃度瓦斯電站基本指標表

3.1 電力負荷的應用

蘆家峪瓦斯電站位于山西省高平市西北部長平礦蘆家峪工業場地北側,屬晉城電網的供電范圍。晉城電網位于山西電網的東南端,是山西電網南部環網的重要組成部分。晉城電網沒有大型電源點,主要靠省網供電,是典型的受端電網。

《山西省分布式發電監管實施細則(試行)》的通知(晉監能市場〔2014〕133號)等規定：“煤礦企業利用煤層氣(瓦斯)發電優先自發自用,富裕電量需要上網的,由電網企業全部收購”的政策精神,蘆家峪瓦斯電站為礦井資源綜合利用電站,裝機規模6 MW,對電網影響較小;同時,蘆家峪110 kV變電站10 kV側用電負荷為15.5 MVA,蘆家峪瓦斯電站所發電力可在蘆家峪110 kV變電站10 kV側供電范圍內全部消化。

3.2 熱力負荷的應用

低濃度分布式瓦斯電站一般采用熱電聯產的方式運行[11],不僅可以提高熱效率,還能代替原有供熱源,為周邊地區進行供暖,減少能源消耗。蘆家峪瓦斯電站同樣采用了熱電聯產的方式運行，熱力負荷的應用分為兩種。

第一種:利用發動機高溫尾氣(680 ℃)對余熱鍋爐進行加熱,產生170 ℃的蒸汽對熱用戶供熱。蘆家峪瓦斯電站投運前,工業場地原有2臺4 t/h的瓦斯蒸汽鍋爐,一用一備,即供暖季熱力負荷最大值為4 t/h；蘆家峪瓦斯電站投運后,6臺余熱蒸汽鍋爐并聯運行,每臺鍋爐蒸發量為0.8 t/h,供暖季熱力負荷最大值為4.8 t/h,完全滿足工業場地供暖。

第二種:利用板式換熱器將發動機冷卻液(80 ℃)與供暖熱水進行熱交換供暖(75 ℃)。相比蒸汽供熱,熱水供熱更節能,還能降低冷卻液溫度。根據運行經驗,6臺低濃度瓦斯發電機組的冷卻液換熱能力可達4.7 MW,比蒸汽供熱量高,可提供工業場地外居民冬季供暖。

3.3 多余熱力負荷的再應用——瓦斯深度脫水

余熱鍋爐僅在供暖季使用,利用率低。蘆家峪瓦斯電站依據熱力負荷情況,使用蒸汽型雙效溴化鋰吸收式制冷機組(以下簡稱溴化鋰機組)對未處理的低濃度瓦斯進行冷凍脫水[12]。40 ℃的低濃度瓦斯從煤礦礦井下抽采上來,與溴化鋰機組出口的8 ℃冷水在換熱器中進行冷凍脫水,可將低濃度瓦斯中游離態水分100%清除,再經過升溫(熱媒來自于板式換熱器的75 ℃供暖水),最終將低濃度瓦斯變得相對干燥,相對濕度小于80%,很大程度上避免了因水分潛熱對發動機燃燒工況的影響。

溴化鋰機組制冷原理較復雜,涉及多種熱交換,其中重要的一點是要有穩定熱源,余熱鍋爐170 ℃以上的飽和蒸汽為其提供穩定熱源。根據運行經驗,非供暖季僅需同時運行2臺0.8 t/h余熱鍋爐互為備用,便可滿足溴化鋰機組用熱需求。

溴化鋰機組制冷脫水不僅可以進一步提高熱效率,還能降低廠用電率。與最常見的電制冷脫水相比,平均節省廠用電率約2%。

分布式低濃度瓦斯電站采用溴化鋰機組制冷脫水的缺點:溴化鋰機組本身屬于節電不節能型產品,適合有余熱情況,對于山西、鄂爾多斯等缺水地區,需要進行認真評估;另外，溴化鋰機組制冷脫水是瓦斯發電閉環系統中必不可少部分,一旦機組出現故障,會影響整個系統運行,需要通過一用一備的形式實現系統連續運行。

3.4 氣水兩相流安全輸送技術的應用

分布式低濃度瓦斯電站的氣源與高濃度瓦斯電站的氣源不同,10%～30%低濃度瓦斯更接近爆炸極限,所以低濃度瓦斯在進入發動機之前,需要設置較多的安全裝置[13]。根據AQ 1076—2009《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》中相關規定,目前國內低濃度瓦斯安全輸送技術分為細水霧安全輸送技術、自動噴粉抑爆安全輸送技術和氣水兩相流安全輸送技術三種，三種低濃度瓦斯安全輸送技術的優缺點見表2。

表2 三種低濃度瓦斯安全輸送技術的優缺點對比表

氣水兩相流安全輸送技術的原理是使水流在輸送管道內附壁連續流動,形成環形水流,低濃度瓦斯在環形水流腔中流動,完全處于環形水封之中,達到阻火的作用。

蘆家峪瓦斯電站采用了氣水兩相流安全輸送技術[14],保證了低濃度瓦斯發電機組的安全穩定運行,這是北方地區首例氣水兩相流安全輸送技術成功運行實例。

蘆家峪瓦斯電站使用的低濃度瓦斯壓力為10～16 kPa,滿足正常運行所需。但在實際運行中需要注意以下幾點。

1)供氣管路壓阻不能過大,否則會因為壓力不足而造成無法形成環形水封。

2)瓦斯濃度不宜過高。在實際運行中發現,如果瓦斯濃度增加(運行經驗值為22%),耗氣量相對減少,流量和壓力間接受到影響,同樣無法形成環形水封。

3)管路場地高差不能過大,如果高差過大,不僅造成氣壓降低,更嚴重的會造成供水紊亂,水環上薄下厚,無法完全隔絕火焰。

4)氣水兩相流安全輸送裝置(柱流裝置、環流裝置、前/后端穩壓放散裝置等)內有大量的液態水,南方環境溫度高,冬季可以保證不結冰；但北方因為環境溫度低,輸送裝置需要保溫及伴熱(輸送介質為瓦斯,無法使用電伴熱)。蘆家峪瓦斯電站采用蒸汽伴熱,熱源同樣來自于余熱鍋爐。

3.5 煙氣凈化裝置的應用

相較傳統化石能源,瓦斯稱為清潔能源是因為燃燒利用后,排放煙氣內無煙塵、無SO2、少當量的CO2,主要污染物為NOx(氮氧化物)。依據GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》中Ⅴ階段NOx排放限值≤2.0 g/kWh的要求,蘆家峪瓦斯電站設計安裝了SCR煙氣凈化裝置,可以清除煙氣中70%的NOx,實現脫硝后煙氣中NOx≤1.8 g/kWh。但發電脫硝成本較高,需要大量的尿素溶液進行反應。

4 分布式低濃度瓦斯發電的發展趨勢

4.1 高、低濃度瓦斯混摻發電

低濃度瓦斯發電要求瓦斯濃度高于10%,否則機組負荷產生波動,燃燒工況變差,甚至導致直接停機。而高濃度瓦斯發電在瓦斯濃度過高時,會導致空燃比調節受限,啟機困難。因此,將高、低濃度瓦斯混摻后[15],短板互補,提高瓦斯整體利用率,減少瓦斯排空，其工藝相對簡單,易實現。

瓦斯在抽采過程中,高、低濃度瓦斯共同產生。目前,大部分高濃度瓦斯基本能加以利用,少部分高濃度瓦斯及低濃度瓦斯則直接排空造成資源浪費。因此將高、低濃度瓦斯發電機組分區、分塊進行統一管理,不僅節約人力、財力,還能最大效率地利用瓦斯。

4.2 積極探索乏風利用

乏風又稱煤礦風排瓦斯[16],指瓦斯濃度低于0.75%的煤礦瓦斯。乏風濃度極低,總量巨大，據有關部門統計,中國每年排入大氣的乏風相當于西氣東輸的年輸氣量,產生的溫室氣體效應約2×108t CO2當量[17]。

乏風利用最重要的技術是熱氧化發熱發電,其原理是瓦斯在800 ℃以上的環境條件下與O2發生劇烈氧化放熱反應,產生熱能,通過氧化裝置制取過熱高壓蒸汽驅動蒸汽輪機發電,蒸汽余熱同時還可以進行供暖[18],經濟效益可觀。

此外,還有一種乏風利用,就是將乏風摻雜進空氣中,替代空氣與瓦斯在發電機組內部混合進行發電。據研究,此技術可降低燃氣發動機燃料量10%～45%[19]。

當前,中國石油、中聯公司、晉煤集團的瓦斯產量占中國瓦斯總產量的95%以上[20],應充分利用資金、人才和科技的優勢,依托國家科技重大專項及其他重點工程項目,努力創新,提高瓦斯的開發利用,讓分布式低濃度瓦斯發電占有一席之地。

5 結論

分布式低濃度瓦斯發電技術立足于中國能源稟賦特征,以一次能源消費占比為指導,適應相關政策及補貼共同創造的產物。隨著電力市場化進程的加快,分布式低濃度瓦斯發電技術也將進入快速發展階段。蘆家峪瓦斯電站的投運標志著中國瓦斯利用技術進入更高效、更節能階段。持續深化瓦斯發電技術的研究與應用,助推瓦斯發電技術普及與創新，進一步提高瓦斯利用效率,對改善能源結構、保障煤礦安全以及保護生態環境具有重要意義。