談煤礦瓦斯發(fā)電站設計與應用

沈先福 李 麗

(兗礦集團貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州六盤水 553017)

1 瓦斯發(fā)電站項目建設必要性

煤層瓦斯氣體是一種潔凈能源，又是一種溫室氣體，其溫室效應為CO2的21倍。我國煤層瓦斯氣資源豐富，分布區(qū)域廣，位居世界第三，儲量與我國30萬億m3的天然氣資源量基本相當，相當于450億t標準煤。過去因為沒有找到合理的利用手段，使得我國每年瓦斯的實際利用率不到4%，煤礦開采中所抽放的瓦斯多排入大氣中，既浪費了資源，又污染了環(huán)境。

隨著我國建設節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)經濟的大力推進，煤礦瓦斯的規(guī)模開發(fā)、分質利用是配合礦產開發(fā)的必然趨勢，在促進礦井安全生產、節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面具有顯著的經濟效益和社會效益。

我國是世界上煤礦瓦斯災害最嚴重的國家，在現有重點煤礦576處礦井中，高瓦斯礦井、瓦斯突出礦井就有277處，占48%。發(fā)耳礦井屬高瓦斯礦井，要進行安全采煤，就必須抽放瓦斯，而抽放瓦斯又需要一定的經濟投入，加大了開采成本。因此利用煤層瓦斯氣發(fā)電，“以用促抽、以抽促安全”，是瓦斯氣體資源綜合利用最有效的途徑之一。

另外根據《國務院辦公廳關于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》(國辦發(fā)［2006］47號)和《關于利用煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電工作的實施意見》(發(fā)改能源［2007］721號)，要求做好煤層氣(煤礦瓦斯)綜合利用工作，變害為寶，保障煤礦安全，節(jié)約利用能源，保護生態(tài)環(huán)境。

綜上所述，利用煤礦瓦斯氣發(fā)電是建設節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)型經濟的需要，是促進煤礦安全生產，降低煤礦開采成本的需要，同時也是減少環(huán)境污染，促進生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的需要。

2 發(fā)電站瓦斯氣來源及輸送

1)瓦斯氣來源。

礦井瓦斯電站氣源來自礦井的瓦斯抽采系統(tǒng)。根據某礦井提供的年鉆場抽放參數報表，目前井區(qū)高負壓瓦斯抽放總純量為17．1 Nm3/min，抽放濃度為12% ～13%，低負壓瓦斯抽放總純量為2．42 Nm3/min，抽放濃度為8% ～9%，因低負壓瓦斯抽放量極少，故工程只利用高負壓瓦斯，抽放濃度按12．5%考慮。

2)瓦斯氣的輸送。

低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設計時應遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多級防護、確保安全”的基本原則。

瓦斯氣由礦井抽放泵站負責抽放，利用瓦斯抽放泵的背壓作為動力，采用細水霧輸送技術輸送到瓦斯電站，經旋風重力脫水器脫水后送入燃氣發(fā)動機。

3 裝機方案確定

根據瓦斯抽采量確定礦井瓦斯發(fā)電站裝機容量的原則為:

1)瓦斯發(fā)電站可用氣量按礦井瓦斯抽采站目前最大抽采量的80%計取。

2)根據國產600 kW集裝箱式低濃度瓦斯發(fā)動機的額定負荷熱耗率計算發(fā)電效率為3．3 kWh/m3，機組理論連續(xù)出力按0．9考慮。

機組選型計算如下:

小時平均供氣量:Q=17．1 Nm3/min ×0．8 ×60=820．8 Nm3/h。

小時發(fā)電量:W=820．8 Nm3/h×3．3 kWh/m3=2 709 kW。

計算裝機容量:P=2 709 kW/0．9=3 010 kW。

選用600 kW的國產機組6臺，投產后5臺運行，待瓦斯供氣量充足，6臺機組全部運行，發(fā)電量共計3 600 kW。

某礦井2012年～2017年平均用電負荷見表1。

表1 某礦井2012年～2017年平均用電負荷

瓦斯發(fā)電站正式投產后，只需網供電量1 677．5 kW，從而極大地降低礦井的電費支出。

發(fā)電設備年利用小時按6 000 h計算，6×600 kW瓦斯機組年發(fā)電量為2 160萬kWh，年消耗純瓦斯654．6萬Nm3/年，折合標煤0．8 萬 t/年。

4 燃氣系統(tǒng)及其主要輔助設備選擇

本次瓦斯發(fā)電項目中設計的6×600 kW集裝箱式低濃度瓦斯發(fā)電機組運行，瓦斯總耗氣量為1 090．92 m3/h(純量)，折合成混合氣體，其流量為8 727．36 m3/h，輸氣主管線管內徑為 D=18．8 ×(8 727．36/15)0．5=453．5 mm，綜合考慮計算管線內徑時選用的瓦斯氣體的流速、排水占用管道截面等因素，故本次設計中從瓦斯抽放站原放散閥后接一根DN500的螺旋縫弧焊鋼管用來輸送一期工程所耗瓦斯氣體。

為確保安全，瓦斯輸送母管與每臺水環(huán)真空泵出口管均采用防爆蝶閥隔離。瓦斯輸送管道上設置手動切斷閥、水封阻火器、放散裝置和自動切斷閥。自動切斷閥受瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測儀控制，并與放散裝置放散管閥門連鎖。

每臺機組的供氣支管均采用D219×5．0的螺旋縫弧焊鋼管。瓦斯氣體從母管進入每一根支管，然后經防爆蝶閥、旋風重力脫水器、調壓閥、阻火器等進入機組預燃室，由火花塞點燃出現多個著火點，然后由機組程控裝置將預燃的瓦斯氣通過電控混合器送入各個氣缸燃燒做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。

做功后的廢氣經機組排氣口排出，排氣口上設有消聲器，廢氣經消聲器后排入大氣。

5 經濟效益評價及分析

通過對本項目生產成本的計算，并參照同類煤層氣電廠電價0．54元/kWh(含稅)，發(fā)電設備年利用小時按6 000 h計算，6×600 kW瓦斯機組年發(fā)電量為2 160萬 kWh，年消耗純瓦斯654．6萬Nm3/年，折合標煤0．8萬t/年?？梢杂嬎愠霰卷椖康耐顿Y財務內部收益率為50%以上，高于行業(yè)基準收益率8%，項目可行并有很強的抗風險能力。

采用瓦斯氣作為燃料發(fā)電，可以減少瓦斯事故、保障煤礦職工生命安全，是實現安全高產高效礦井的有力保障措施，有效改善周邊環(huán)境，節(jié)約能源，具有明顯的環(huán)境效益和社會效益，符合當前國家相關能源開發(fā)利用政策。

通過以上技術、經濟分析可以看出，煤礦瓦斯發(fā)電站項目選擇瓦斯內燃發(fā)電機和余熱回收系統(tǒng)，熱電聯供，發(fā)電效率高。同時，將原本是有害氣體的瓦斯作為潔凈燃料，變害為利，變廢為寶，本身就是一個典型的節(jié)能工程。煤礦瓦斯發(fā)電站項目為煤炭工業(yè)的綜合利用，能源的可持續(xù)發(fā)展起到了示范作用，為資源綜合利用項目，有利于礦區(qū)循環(huán)經濟的發(fā)展，具有良好的社會效益和環(huán)境效益。