論低濃度瓦斯發電經濟可行性與必要性

田海港

[摘要]根據《煤礦安全規程》要求，瓦斯抽放是煤礦安全生產必不可少的環節。煤礦瓦斯分低濃度和高濃度瓦斯，甲烷濃度低于30%以下的瓦斯屬于低濃度瓦斯，國家規定低濃度瓦斯不能直接利用，但可以用來發電。文章以重慶永福實業有限公司論低濃度瓦斯發電的經濟可行性。

[關鍵詞]低濃度瓦斯；發電；經濟可行性

[DOI]1013939/jcnkizgsc201730082

煤層氣是指賦存于煤層及其圍巖石中與煤炭資源伴生的非常規天然氣，也稱煤礦瓦斯。煤炭是中國的主要能源，占中國一次能源消費結構的70%左右。發電用煤占煤炭消費的50%以上。受經濟發展水平的影響和自然條件的制約，煤炭行業一直是我國的高危險行業。在煤礦生產中，常見的瓦斯災害事故有瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故等。礦井瓦斯事故具有破壞性強、傷亡大、損失慘重的特點，往往導致礦毀人亡的慘劇。2016年10月31日，永川區金山溝煤礦發生特大瓦斯爆炸事故，爆炸沖擊波從700多米的深部生產工作面直接沖到了地面，導致井下33人全部罹難，井下巷道和設備遭到大面積損毀，礦井被直接關閉。因此，防治瓦斯事故是煤礦防止重特大事故的重中之重。

重慶永福實業有限公司是開采深度大的低濃度瓦斯礦井，煤層瓦斯含量在4～7m3/t，礦井通過風井抽排的瓦斯達到12 m3/min。如果只采取常規的通風措施排放瓦斯，井下采煤工作面回風流、采區回風流、礦井總回風流瓦斯濃度長期處于臨界點，礦井面臨著靠通風措施治理瓦斯難以為繼的局面。從礦井安全生產角度而言，建設抽采瓦斯可以說勢在必行。瓦斯抽采系統，開辟了一條煤礦井下瓦斯排出地面的專用通道，從根本上降低了煤層瓦斯含量，減少了涌入礦井工作面和巷道的瓦斯源。就防治煤礦瓦斯事故而言，是釜底抽薪之舉。建設和安裝低濃度瓦斯發電機組，充分利用抽采系統抽出的瓦斯進行發電，滿足企業生產用電和生活用電需求，同時還有盈余電量上網，創造了新的經濟增長點，達到以利用促抽采的目的，提高抽采瓦斯的積極性，從而也可助力礦井安全生產。按照國內某煤礦的純瓦斯抽排量7Nm3/min，甲烷濃度9%～30%，進行低濃度瓦斯發電進行論證。

1機組選型

根據煤礦瓦斯抽放情況，采用2臺700GFZ-PWD-TEM2-3型瓦斯發電機組。機組冷卻采用閉式冷卻，輸出電壓等級為63kV。

2電站建設規模

利用煤礦低濃度瓦斯發電，根據700GFZ-PWD-TEM2-3型低濃度瓦斯發電機組的性能參數，單臺發電機組持續運行消耗的瓦斯純量約為32Nm3/min。

3電站總平面布置

電站選址要求滿足與其他各建構筑物的安全距離及防火間距要求。站區內各廠房布置滿足建筑安全間距要求，管線工藝走向合理，交通運輸便利。電站內設置發電機房，低壓配電室、高壓配電室、余熱泵房、值班室、辦公室、霧化水池安裝區、休息室等附屬廠房。低壓配電室內布置站用電配電柜設備。高壓配電室內布置機組斷路器柜、高壓PT柜及高壓輸出開關柜。余熱泵房內設置熱水循環泵、落地膨脹水箱、全自動軟水器、軟水器補水泵等設備。霧化水池安裝區內設置霧化水池及霧化水泵。綜合泵房內設置冷卻循環水泵、消防水泵等。

4燃氣進氣系統

項目共敷設1條DN500的瓦斯輸送主管線，為電站內上2臺發電機組輸送瓦斯。瓦斯輸送采用低濃度瓦斯細水霧輸送系統，首先經過水位自控式水封阻火器、絲網過濾器、瓦斯管道專用阻火器、低溫濕式放散閥、防爆電動蝶閥，然后通過細水霧輸送系統輸送。每臺發電機組進氣支管的管徑為DN200，在每臺發電機組的進氣支管線上安裝一套降溫脫水模塊進行脫水，脫出的水通過降溫脫水模塊回水總管流回霧化水池。

5余熱部分

為了提高機能源效率，利用發電機組排氣余熱，在每臺機組排煙管上配套安裝1臺針形管換熱器。發電機組排煙溫度為550℃左右，經針形管換熱器換熱后排煙溫度約為150℃。針形管換熱器的進水通過針形管換熱器與機組煙氣換熱，產生95℃熱水，通過水水換熱器，與礦區送過來的20℃冷水換熱，產生65℃熱水送至礦區水箱供礦區職工洗浴。

電站軟化水系統采用一套全自動軟化處理系統，站區自來水引入全自動軟水器進行處理，處理后產生的軟化水為余熱利用系統及機組冷卻內循環系統補水。處理后的給水總硬度≤06mmol/L，含氧量≤01mg/L，滿足《工業鍋爐水質標準》GB 1576—2001的要求。

單臺發電機組余熱回收可利用熱量為1311萬kJ/h，年余熱回收熱量為1148×106萬kJ，本項目2臺發電機組年余熱回收可利用熱能總量為2296×106萬kJ。標煤熱值為29308kJ/kg，標煤熱利用效率按60%考慮，則4臺發電機組年余熱回收利用可節約標煤量：2296×106×10000÷29308÷60%÷1000=13055噸。

6冷卻循環系統

根據700GFZ-PWD-TEM2-3瓦斯發電機組的性能要求，燃氣發電機組機組熱量通過機組配帶的臥式多風扇水箱進行散熱，冷卻循環分為高、低溫冷卻循環系統。高溫冷卻循環主要是冷卻發動機機體、氣缸蓋等部件，低溫冷卻循環主要是冷卻機油和混合氣。機組冷卻循環使用軟化水，在機房內安裝一高架軟化水箱，通過自然壓差向機組的冷卻內循環系統補水。冷卻循環水使用軟化水（溫度低時應考慮使用防凍液），軟化水接自余熱利用系統內的軟化水處理裝置，單臺機組的消耗量約為 5kg/d。

7電氣部分

電站共安裝2臺700GFZ-PWD-TEM2-3型高壓發電機組，總規劃裝機容量為14MW，機組出口電壓為63kV。本工程所發電能送至煤礦變電所供電系統供用戶使用。

電站低壓配電室內設置1臺400kVA降壓變壓器，用于給電站內的設備供電。機組所發電能將變壓器降壓后由低壓配電柜為站內冷卻循環水泵、熱水循環泵、軟水器補水泵、軸流風機、消防水泵等輔助系統配電，并預留檢修電源等回路。配電柜型號為GCK通用型。為了保證電站的一級負荷的用電可靠性，由用戶提供一路低壓電源為站區一級負荷供電。

8控制部分

每套發電機組配置一套由設備廠家自行設計、制造的TEM2機組自動控制系統，TEM2機組自動控制系統主要由機組就地控制柜、機組斷路器柜和遠程控制柜組成。系統具備燃氣發電機組數據采集、機組控制、空燃比自動控制、機組測試系統、人機交互、程序恢復、事件記錄等功能，是一套完整的燃氣機組控制系統。能夠實現機組全部參數的顯示功能，實現超速、油壓低、逆功率、過電流、油水溫高等保護功能。

電站設置一套中央監控系統，中央監控系統由監控軟件、工控系統及各類附屬通信設備構成，可以實現對多臺機組的運行控制、狀態監視及參數調整。

在發電機房內設置可燃氣體探測器，實現發電機房和霧化水池安裝區燃氣泄漏濃度檢測及報警。

9消防

依據《建筑設計防火規范》GB 50016的要求，按照“預防為主，防消結合”的原則站內消防以移動式滅火器消防為主，室外設置消火栓進行安全保護，冷卻水池兼做消防水池。

10建筑結構

發電機房采用輕鋼彩板結構。綜合泵房、高壓配電室、低壓配電室、冷卻水池及辦公室、休息室、配件室、維修室均為磚混結構。

11電站定員測算

發電機組運行工，4班制，每班2人，包括值長一名；鍋爐運行工，4班制，每班1人，由發電運行工兼；燃機維修工1人；技術員1人；管理人員1人（兼財會人員），共需11人。

12投資估算

本項目預計投資1150萬元，其中廠房建設150萬元，發電機組700萬元，高低柜配套150萬元，其他費用150萬元。

13從投資回收期來看效益分析

（1）總投資1150萬元

（2）電站收入

電站收入合計：7116萬元。其中包括：①售電收入：電價按07元/kW·h計算。電量計算：按每臺機組發電功率700kW計算，2臺機組發電功率為1400kW。年運行時間按7200h計算，年發電量為：1400×7200=1008萬kW·h，站用電按5%計算，實際售電量1008萬kW·h×（1-5%）=958萬kW·h。年售電收入為：958萬kW·h×07元/kW·h=6706萬元。②余熱收入（熱水型鍋爐）：標煤按照400元/噸計算。1kg標煤熱值為29300kJ，每臺機組可回收余熱131萬kJ/h，熱損失按5%考慮，煤的熱效率按60%計算，每小時節約標煤量為：1310000×095÷（29300×60%）=0071噸/每小時，則年余熱收入為：400×0071×7200×2=41萬元。

（3）經營成本

經營成本合計：858萬元。其中包括：①人員工資：電站運行及維護人員按11人考慮，人員工資平均按4萬/年。共計：4萬元/人年×11人=44萬元。②五險一金保險：4×（20%+9%+1%+5%）+01=15萬元，11人共計165萬元。③設備維護：每臺機組5萬元/年，2臺機組共計10萬元。④年機油消耗：00008kg/kW·h×958萬kWh×20元/千克=15萬元。⑤年水消耗：5元/m3×006萬m3=03萬元。

（4）效益分析

年收益=年總收入-年總成本費用=7116-858=6258萬元。折舊費用=150/20+850/117/5=75+14530=15280萬元。企業所得稅=（6258-15280）×25%=11825萬元。2臺700GFZ-PWD-TEM2-3機組電站投資為1150萬元，投資回收期約為1150/50755=227年。

綜上所述，低濃度瓦斯發電，對于環境保護、節約能源、創造效益等方面，都具有十分的必要性和可行性，國家對低濃度瓦斯發電的支持將會持續加大力度。經過前幾年的市場調價和國家運控，目前煤炭市場區域穩定，落后產能基本淘汰完畢，低濃度瓦斯發電勢必將會迎來一個更大的發展契機。

參考文獻：

重慶市煤炭協會重慶地區煤與瓦斯突出防治技術[M].北京：煤炭工業出版社，2005：454-455