礦井地面瓦斯發電機組冷卻系統優化

李日成

（山西汾西礦業（集團）新產業發展有限責任公司， 山西 介休 032000）

引言

為確保礦井煤炭回采安全，降低采面瓦斯涌出量并避免煤與瓦斯突出等安全事故的發生，瓦斯礦井一般需要對煤層進行預抽[1-2]。抽采系統中大量的高濃度瓦斯若直接排放不僅會導致資源浪費，而且污染礦區環境。瓦斯發電是實現瓦斯高效利用的重要途徑之一[3-4]。現階段瓦斯發電多通過內燃機串聯異步電機實現，發電機組冷卻系統目的是平衡燃燒室金屬結構溫度，避免燃燒室溫度較大變化降低發電效率[5]。現階段發電機組冷卻系統多為外循環冷卻水，一套冷卻系統可同時為多臺發電機組降溫，但是也不同程度面臨能耗高問題[6-8]。為此，文中從節能、節水兩個方面為出發點，在分析現階段瓦斯發電機組冷卻水循環系統基礎上，依據瓦斯發電機組運行參數，對冷卻水系統運行控制進行優化，現場取得較好優化改造效果。

1 山西某礦發電機組概況及其冷卻水系統運行存在問題

山西某礦設計產能為600 萬t/年，開采的煤層均為高瓦斯礦井，采用煤層預抽、采空區埋管、高位鉆孔等方式對瓦斯進行抽采。在礦井回風井位置配套的瓦斯發電站，共計布置3 臺瓦斯發電機組（發電機組型號為500GF1-3RW）。

冷卻系統結構包括冷卻水開放式循環、玻璃鋼冷卻塔、內外兩套循環冷卻系統等，其中外循環冷卻系統包括兩套獨立運行的低溫、高溫部分。礦井瓦斯發電機組采用外循環冷卻方式，外循環冷卻泵是冷卻系統主要電能消耗設備。單臺瓦斯發電機組高溫、低溫換熱器冷卻水分別為30 m3/h、25 m3/h。采用的循環冷卻泵型號為KQL100/150-11/2，單臺設備流量為93.5 m3/h，功率11 kW，揚程28 m。按照冷卻系統運行設計要求，瓦斯發電機組運行時需要啟動2 臺循環水泵，分別為一臺低溫換熱器、高溫換熱器提供冷卻水，循環水泵流量較大，從而使得冷卻水系統存在較大裕量，具體瓦斯發電機組循環冷卻系統結構如圖1 所示。正常情況下發電機組運行時，循環水泵A、C 分別為發電機組低溫換熱器、高溫換熱器提供冷卻水，循環水泵B 則為備用設備。

圖1 冷卻系統運行示意圖

2 冷卻系統優化改造

2.1 改造方案

為降低循環冷卻系統能耗以及冷卻水消耗量，對冷卻水系統進行改造，具體改造后情況如圖2 所示。將單臺循環水泵同時為高、低溫換熱器提供冷卻水。現場改造方式也較為簡單，具體措施為將循環水泵原低溫供水管路分為兩路，一路為發電機組低溫熱換器供水、一路為高溫熱換器功能，并將低溫熱換器回水并入到高溫回水管路中；高溫回水管路在循環泵作用下泵送至高溫冷卻塔；在高溫冷卻塔、低溫冷卻塔間布置管線連接，冷卻水經高溫冷卻塔冷卻降溫后流入到低溫冷卻塔，為瓦斯發電機組冷卻系統提供冷卻水，從而實現冷卻水循環利用。

圖2 改造后冷卻系統運行示意圖

對瓦斯發電機組冷卻系統改造后，可實現單瓦斯機組、單循環泵運行，并可降低冷卻水消耗量。將冷卻系統循環水泵由“兩用一備”方式改為“一用兩備”方式，除可降低循環水泵電能消耗外，還可降低冷卻系統磨耗以及后續的維護保養費用；將高溫冷卻塔以及低溫冷卻塔間采用管線連接，將冷卻塔運行方式由滿水單獨運行改為低水位串聯運行，可顯著降低冷卻水消耗量。采用的冷卻系統優化改造方案不會給原有的冷卻水系統有顯著改動，僅需要增加管線即可滿足優化改造需要，同時管線間布置有閥組，通過關閉閥組可將冷卻系統改為改造前的狀態。

2.2 改造可行性分析

2.2.1 冷卻水需求量分析

單臺瓦斯發電機組冷卻水需求量55 m3/h（高溫、低溫冷卻水分別為30 m3/h、25 m3/h）。單臺冷卻水循環泵額定運行可提供93.5 m3/h 冷卻水，由此可見單臺冷卻水循環泵完全可滿足單臺瓦斯發電機組冷卻需要。

2.2.2 冷卻系統水冷卻能力分析

高、低溫換熱器供水溫度分別為40～45℃、30～35℃，冷卻水進入到換熱器后水溫增加約10℃。冷卻水經過低溫換熱器后的回水溫度普遍在40 ℃以內，可滿足溫度換熱器冷卻降溫需要。

2.2.3 冷卻塔水冷能力分析

瓦斯發電機組冷卻系統配套使用的冷卻塔為GBNL3-125 玻璃冷卻塔，共有高溫冷卻塔、低溫冷卻塔兩臺，單臺冷卻塔水處理能力為106 m3/h，配套使用的冷卻風機功率為4 kW。一臺冷卻塔完全可滿足單臺循環水泵供水以及瓦斯發電機組冷卻水需要。表明冷卻塔水冷能力可滿足冷卻系統改造需要。

2.3 改造效果分析

對瓦斯發電機組冷卻系統進行改造后，在節能以及節水等方面均表現出顯著優勢。受到瓦斯供應濃度、流量等制約，一般情況下瓦斯發電機組均運行單臺機組，運行一臺水管泵泵即可滿足冷卻需要，水冷卻系統電能消耗降幅約50%，預計全年可節省電能消耗超過1.6 萬元。

將兩座冷卻塔串聯后，冷卻塔水量消耗每月可降低約150 m3，預計全年可節水約1800 m3。同時由于礦井所在區域冬季寒冷，瓦斯發電機組在冬季停機運行時，需要排放冷卻塔內冷卻水，由于以往冷卻塔均是滿水運行，而改造后冷卻塔處于低水位運行，就此項而言，年可減少放水量約1200 m3。粗略估算，冷卻水系統改造后年可節省水量約3000 m3。

同時冷卻水系統改造較為簡單，僅需要在原有的供水管路中增加管線、閥門等即可，整個改造投入成本少。

3 結語

針對礦井瓦斯發電站以及冷卻水系統工作特點，以及瓦斯發電機組冷卻水系統功率遠大于單體機組運行需要的問題，對冷卻水系統進行優化。具體優化改造方案為：采用一臺循環水泵同時為高溫、低溫冷卻水管供水，實現高、低溫冷卻器冷卻需要；將兩臺冷卻塔采用管線串聯。并具體針對改造方案可行性以及實施措施進行設計。現場應用后，改造后的冷卻系統不僅可滿足瓦斯發電機組冷卻需要，而且在降低電能消耗以及節約水資源等方面表現出顯著優勢。