低濃度煤層氣發電提效系統設計

黃克海

(1.煤層氣災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶400037;2.中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司,重慶400039)

1 概述

依據甲烷體積分數可將煤層氣分為低濃度煤層氣和高濃度煤層氣,煤礦抽采的煤層氣中70%以上屬于低濃度煤層氣,低濃度煤層氣的甲烷體積分數大于等于3%且小于30%[1-3]。低濃度煤層氣主要用于內燃機發電。低濃度煤層氣中甲烷體積分數較低且波動較大,同時低濃度煤層氣中含有大量水分,經常造成發電機組頻繁停機,導致發電機組年開機率不足50%,發電效率低于30%,降低了煤層氣發電站的發電量和經濟效益[4-5]。對進入煤層氣發電機組的低濃度煤層氣進行預處理,對于提高低濃度煤層氣發電效率具有積極意義。

2 低濃度煤層氣發電效率影響因素

① 甲烷體積分數

煤層氣抽采泵站一般建有高負壓和低負壓兩套抽采系統[6]。高負壓抽采系統主要用于工作面預抽或掘進面煤層氣抽采,低負壓抽采系統用于采空區抽采。兩者抽采的煤層氣組分包括甲烷、二氧化碳、氮氣等,其中高負壓抽采系統抽采的煤層氣中甲烷體積分數相對較高,低負壓抽采系統抽采的煤層氣中甲烷體積分數相對較低。抽采過程受井下抽采管網接續等因素影響,煤層氣的甲烷體積分數變化速率較大,常常大于2% min-1,一旦甲烷體積分數變化速率大于2% min-1,就會引起發電機組停機,有效發電時間減少,發電量降低。另外,發電機組要求低濃度煤層氣的甲烷體積分數不小于7%,低負壓抽采系統抽采過程中煤層氣的甲烷體積分數存在小于7%的情況,會造成發電機組停機,影響發電量。

② 含水量

低濃度煤層氣中含有大量液態水和飽和水,這些水分來自抽采泵站的濕式水環真空泵工作水和煤層中裂隙水等。大量水分進入發電機組增加了發電機組氣缸、活塞、缸蓋、增壓器等零部件的故障率,機組零部件發生故障需停機維修,降低發電機組開機率,影響發電量。

含有大量水分的煤層氣進入發電機組還將造成熱能損耗,影響發電機組的發電效率。水分占據了發電機組的進氣體積,單位時間進入發電機組的甲烷減少,用于做工的熱量減少,造成發電機組發電效率降低。另外進入發電機組的水分還會損耗熱量,有效做功熱能減少,發電機組發電效率降低[7-8],水分熱能損耗計算式為:

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

式中Q——進入發電機組的水分引起的熱能損耗,kJ

Q1——液態水升溫造成的熱能損耗,kJ

Q2——水的汽化潛熱熱能損耗,kJ

Q3——水蒸氣升溫熱能損耗,kJ

3 低濃度煤層氣發電提效系統工藝設計

低濃度煤層氣的甲烷體積分數及含水量是影響發電效率的兩個主要因素,故低濃度煤層氣發電提效系統旨在通過以穩濃(穩定煤層氣的甲烷體積分數)、脫水達到煤層氣發電提效目的,低濃度煤層氣發電提效系統工藝流程見圖1。

圖1 低濃度煤層氣發電提效系統工藝流程

高負壓抽采系統抽采的煤層氣和低負壓抽采系統抽采的煤層氣先通入穩濃裝置,再通入安全保障裝置,低濃度煤層氣易燃易爆,需要設置安全保障裝置[9],保證輸送安全。安全保障裝置由水封阻火泄爆裝置、抑爆裝置和阻爆裝置構成。低濃度煤層氣進入水封阻火泄爆裝置后水分會增加,因此凈化脫水裝置設置在安全保障裝置之后。凈化脫水裝置脫除煤層氣中的水分,最后,脫水后的煤層氣進入發電機組發電。

3.1 穩濃裝置

穩濃裝置設置在整個工藝流程的最前端,見圖2。流量計采用威力巴流量計,其傳感器插入管道中。穩濃裝置主要作用為調控煤層氣的甲烷體積分數,保障輸出煤層氣的甲烷體積分數相對穩定,同時穩濃裝置還具有摻混功能,使兩路煤層氣均勻混合。摻混器采用中國煤碳科工集團重慶研究院有限公司研制的動態連續混氣裝置,采用雙螺旋結構增加兩股氣流的擾動,達到均勻混合的目的[10]。穩濃裝置由摻混器、調節閥、流量計、甲烷體積分數傳感器、快關閥及可編程控制器等構成。低濃度煤層氣發電機組入口處氣源品質要求甲烷體積分數大于或等于7%,甲烷體積分數變化速率小于或等于2% min-1。

1、2—甲烷體積分數傳感器; 3、4—流量計; 5、6、7、8—調節閥; 9—甲烷體積分數傳感器; 10—流量計; 11、12、13、14—快關閥。

穩濃裝置減小了低濃度煤層氣甲烷體積分數的波動程度,保障穩濃后煤層氣的甲烷體積分數變化速率小于或等于2% min-1,同時摻混系統使低負壓抽采過程中抽采的甲烷體積分數低于7%的低濃度煤層氣得到利用,增加了發電量。

3.2 凈化脫水裝置

低濃度煤層氣常采用機械脫水,機械脫水能夠脫除大部分煤層氣中的液態水,部分液態水及飽和水無法通過機械方式脫除。由于進入發電機組的低濃度煤層氣相對濕度應小于或等于80%且不含液態水,為了保護發電機組不因水分損壞,提高發電效率,設計了機械+冷凍脫水的復合凈化脫水方式。機械脫水裝置是由重力與絲網過濾相結合的立式氣液分離裝置構成[11]。冷凍脫水利用發電機組高溫煙氣進行溴化鋰吸收式制冷脫水,提高了發電機組高溫煙氣余熱利用率,克服了電制冷脫水耗電量大、運行成本高等缺點[12]。凈化脫水裝置見圖3。

1、2—壓力傳感器; 3、4—溫度傳感器; 5、6—壓力傳感器; 7—溫度傳感器; 8—壓力傳感器; 9、10—溫度傳感器;11—調節閥; 12、13—溫度傳感器。

低濃度煤層氣先經過一級機械高效脫水裝置除去煤層氣中大部分液態水,再進入降溫換熱器,將煤層氣中的飽和水降溫析出,形成液態水,降溫析出的液態水和之前未脫除的少量液態水經過二級機械深度脫水裝置進一步脫水,脫水后的低濃度煤層氣經過升溫換熱器提升溫度,實現無液態水和低濕度要求,最后進入發電機組發電。

3.3 甲烷體積分數調控系統邏輯控制流程

低濃度煤層氣的甲烷體積分數調控系統邏輯控制流程見圖4。

圖4 甲烷體積分數調控系統邏輯控制流程

4 設計案例分析

某實際案例,高、低負壓抽采系統抽采的低濃度煤層氣分別用DN 500 mm管路輸送至發電站,發電站設有8臺1 MW低濃度煤層氣發電機組。設置了低濃度煤層氣安全保障裝置和發電機組自帶的旋風式脫水器。低濃度煤層氣流速一般在10～15 m/s,流速較低,旋風式脫水器脫水效果不佳。經調查,安裝發電提效系統之前經常有2～3臺發電機組因低濃度煤層氣的甲烷體積分數變化速率大于2% min-1而停機。

4.1 發電提效系統設計

因安全保障裝置中的水封阻火泄爆裝置要求管道煤層氣流速不大于10 m/s,因此發電提效系統煤層氣設計處理量為14 130 m3/h。為了控制煤層氣中含水量,降溫換熱器后煤層氣設計溫度不大于15 ℃。根據設計處理量及降溫換熱器后煤層氣設計溫度,發電提效系統主要設備技術參數見表1。

表1 發電提效系統主要設備技術參數

4.2 低濃度煤層氣發電提效系統運行效果

高、低負壓抽采系統抽采的煤層氣經過穩濃裝置避免了煤層氣的甲烷體積分數低于7%以及甲烷體積分數變化速率大于2% min-1引起的停機;經過機械+冷凍脫水的復合凈化脫水方式去掉了煤層氣中的游離水和部分飽和水,實現進入發電機組的煤層氣相對濕度小于80%。為了比較煤層氣發電站安裝發電提效系統前、后的發電效率,統一將1天內發電量折算為單位體積純甲烷發電量進行比較。

單位體積純甲烷發電量計算式為:

(2)

式中Eper——單位體積純甲烷發電量,kW·h/m3

E——1天內發電量,kW·h

V0——1天內發電機組消耗的純甲烷體積,m3

采樣周期為1 s,1天內發電機組消耗的純甲烷體積計算式為:

(3)

式中T——采樣周期,s,取1 s

qi——1天內第i秒煤層氣流量,m3/s

φi——1天內第i秒煤層氣甲烷體積分數

未安裝發電提效系統時低濃度煤層氣發電站某10天運行數據見表2,安裝發電提效系統后低濃度煤層氣發電站某10天運行數據見表3。

表2 未安裝發電提效系統時低濃度煤層氣發電站某10天運行數據

未安裝發電提效系統時發電機組10天累計消耗純甲烷體積398 877 m3,累計發電量為1 127 930 kW·h,平均單位體積純甲烷發電量為2.83 kW·h/m3;安裝發電提效系統后發電機組10天累計消耗純甲烷體積395 526 m3,累計發電量為1 256 968 kW·h,平均單位體積純甲烷發電量為3.18 kW·h/m3;安裝發電提效系統后平均發電效率比安裝前提高12.37%。

5 結束語

① 分析了低濃度煤層氣甲烷體積分數和含水量對低濃度煤層氣發電機組發電效率的影響?；谶@兩個影響因素設計了穩濃+凈化脫水的低濃度煤層氣發電提效系統。

② 穩濃裝置將高負壓抽采系統抽采的煤層氣、低負壓抽采系統抽采的煤層氣經摻混器均勻摻混,保障穩濃后煤層氣的甲烷體積分數變化速率小于2% min-1,避免了甲烷體積分數波動造成停機,使甲烷體積分數低于7%的低濃度煤層氣得到利用。

③ 設計了機械+冷凍脫水的復合脫水裝置。機械脫水裝置采用重力與絲網過濾相結合的立式氣液分離裝置。冷凍脫水采用溴化鋰吸收式制冷脫水,其中溴化鋰吸收式制冷利用發電機組高溫煙氣,克服了電制冷方式耗電量大、運行成本高等缺點。

④ 針對某低濃度煤層氣發電站設計了發電提效系統。運行數據表明:安裝發電提效系統后平均發電效率比安裝前提高12.37%。