影響低濃度瓦斯發電機組運行功率的主要因素

摘 要：低濃度瓦斯發電站正式投入生產后，究竟哪些因素影響機組在相同監測濃度下的運行功率，而哪些因素又占主導地位，本文結合鐵法煤業集團小青低濃度瓦斯發電站5年來的運行情況，對影響機組運行功率的因素進行全面分析，并具體研究其中的主要因素。

關鍵詞：低濃度瓦斯發電；環境溫度；功率

一、概述

2007年11月鐵法煤業礦業集團煤層氣公司在小青煤礦建成并試運轉成功了遼北煤田第一座低濃度瓦斯發電站。隨著電站運行時間的增加，公司發現機組達到額定功率所需要的最低瓦斯濃度在不斷變化，呈越來越高的趨勢。至2012年7月份，機組需要在監測瓦斯濃度13.5%以上時，才能以正常負荷運行，而瓦斯濃度在8%時，機組甚至不能正常啟動，這與建站初期機組在瓦斯濃度8%時正常運行的情況大相徑庭。為此，對影響低濃度瓦斯發電機組運行功率的因素進行全面分析顯得尤為重要。

二、環境溫度對機組功率的影響

成立的排查小組在2011年10月31日和12月28日分別對實驗機組做了兩次濃度變化實驗，整理有關溫度的實驗數據如下各表，2011年10月31日對1#和2#機組做的橫向/縱向對比實驗，當天1#機組和2#機組保養良好.

表1 2011年10月31日14時13分 環境溫度：18℃ 機房溫度：22℃ 瓦斯濃度：12.6%

表2 2011年10月31日16時00分 環境溫度：18℃ 機房溫度：22℃ 瓦斯濃度：7.6%

2007年12月28日對1#機組單獨做的兩次縱向對比實驗，1#機組保養良好

表3 2011年12月28日9時30分至10時30分 環境溫度：11℃ 1#機組

注：①抽排站瓦斯溫度：測量口位于雷達水封和干式阻火器后，經過測量口，瓦斯開始進入遠程細水霧輸送系統。②進站瓦斯溫度：在這個測量口，瓦斯結束遠程細水霧輸送系統，開始進入現場細水霧輸送系統。③機組前溫度：瓦斯經過全部細水霧輸送系統和脫水裝置，經過測量口后，進入發電機組。④進缸溫度：測量口位于發電機組進氣管上，瓦斯經過測量口后進入發動機氣缸，也就是進入氣缸時氣體的溫度。

分析這次實驗的結果，結合以下數據，可以證明兩點：

1.環境溫度對最終進入燃氣發動機缸內做功的氣體溫度有決定性的影響。對比表①和表③中的數據就可以看到：在環境溫度18℃時，混合后進入發動機氣缸的氣體溫度是38℃；在環境溫度11℃時，進入氣缸的溫度也下降到24℃。環境溫度7℃（18℃-11℃）的溫差就造成了最終進入氣缸的氣體溫度溫差達到14℃（38℃-24℃）。可以推測，盛夏時節高達45℃和寒冬時0℃以下的環境溫度差，會使最終進入氣缸的氣體溫度產生非常大的差別。

2.環境溫度對機組功率有很大影響。結合表4進行分析：

表4記錄了1#機組在10月31日（環境溫度18℃）和12月28日（環境溫度11℃）實驗中的運行記錄。同樣是在18℃的環境溫度，混合后溫度也一樣，當瓦斯濃度由12.6%下降到7.6%時，機組左燃氣和右燃氣開度分別由40和43增加到82和85，左空氣和右空氣開度也分別由38和63下降到5和2，可以看出瓦斯濃度降低后，機組的燃氣進氣量大幅增加，而空氣進氣量大幅減少，使混合后的瓦斯濃度滿足做功的要求；在24℃的進缸溫度下，當瓦斯濃度由14.4%降至8.0%時，機組左燃氣和右燃氣開度則分別由41和26增加到61和48，左空氣和右空氣開度分別由51和64下降到34和38。燃氣進氣量的增加幅度和空氣進氣量的減少幅度比前者要小的多，同時機組功率的變化幅度（0.037）比前者（0.085）卻要小的多，說明機組對濃度變化的敏感程度變小了，也就是說機組對濃度的適應性變強了。換個角度，對比第2組和第4組的數據，也就是同樣在8%范圍內的瓦斯濃度，不同進氣溫度（38℃和24℃）下，發動機組的表現。可以看到，進氣溫度38℃，瓦斯濃度7.6%時，機組的燃氣開度（82、85）已經接近上限（90），空氣的開度（5、2）也接近下限（0），說明燃氣和空氣的進氣量配比已經接近最上限，機組的功率366kw，這時再想將機組功率提高，或者是瓦斯濃度再降低而想要保持同樣的輸出功率的空間已經非常小了；而在第4組數據中，進氣溫度24℃，瓦斯濃度8%時，機組的燃氣開度（61、48）和空氣開度（34、38）分別離自己的上限值和下限值還很遠，燃氣和空氣的進氣量配比距最上限還有空間，如果這時候瓦斯濃度降低，機組依然還可以提高燃氣和空氣的進氣量配比，在一定范圍內保持輸出功率。

三、減小環境溫度對機組功率影響的方案

結合上面的數據及結論分析，解決溫度對機組功率影響的有效辦法是對進入發動機氣缸的氣體降溫，并使這部分氣體的溫度盡量少受環境溫度的影響，整個瓦斯供氣流程中，具體到每一段，氣體的溫度差別很大。分析在整個氣體輸送的過程中，瓦斯溫度變化最大的一段是在遠程細水霧輸送環節，系統中輸送的氣體溫度最容易受到環境溫度影響的也是遠程細水霧輸送環節，所以，將發動機組的進缸氣體溫度降下來的最有效的方法就是在遠程細水霧輸送過程中將氣體溫度降低。

（一）方案1

在現有的系統上，做一些改動，將細水霧的水溫降下來，并且在環境溫度高時，盡量減少細水霧水在輸送過程中從環境中吸收熱量。通過細水霧水將管道中瓦斯的溫度降下來，進而降低進缸氣體的溫度。

（1）使用更大更深的細水霧水池，一方面改善水池的散熱效果，降低水溫；另一方面更深的水池水溫更接近地溫，更能有效的穩定水池水溫。

（2）在細水霧水池上使用涼水塔，降低水溫。

（3）對細水霧輸送管道進行保溫，減少高溫天氣下細水霧水從環境中吸收的熱量，同時也有助于穩定水溫。

1.方案優點：投資小，工程量也相對較少；不會產生安全隱患；更深更大的水池有利于水垢及其它摻雜物的沉積。

2.方案缺點：降溫效果有限；大水池同時需要泵房的面積增大；涼水塔會加大系統中水的消耗量。

（二）方案2

將遠程細水霧輸送管路改為地埋管道，在安裝細水霧噴頭的地方設置窨井以方便檢修。利用地溫對瓦斯起到降溫和恒溫的作用。詳見附圖。

1.方案優點：相對方案3投資小，相對方案2效果好；并且可以起到輔助脫水的作用。

2.方案缺點：檢修困難；管道防腐要求高；需要更深的回水池，回水困難；管道存在下沉的可能。

（三）方案3

在機組前加裝氣體預處理系統，從根本上解決氣體的降溫、脫水、穩壓問題。

1.方案優點：系統、根本的解決問題。

2.方案缺點：投資大；低濃機組以前未安裝過氣體預處理裝置。

四、其他影響低濃機組運行功率的因素

對于瓦斯爆炸極限的影響因素有：（1）可燃氣體的加入；（2）煤塵的混入；（3）惰性氣體；（4）混入氣體的初始壓力、溫度。在對小青煤礦抽采的低濃度瓦斯進行氣樣分析后發現：氣體中主要的可燃成分是CH4，其它可燃氣體的混入量幾乎為0。

因為有細水霧輸送系統，在整個瓦斯輸送環節中，氣體都非常的潮濕，煤塵進入氣缸的量很少，對做功的影響也非常小。瓦斯中的主要惰性氣體是N2。CO2不參與燃燒，對做功影響也很大，但其含量非常少。瓦斯中N2的含量增加，也會影響做功，經過對礦抽采的低濃瓦斯的抽樣分析，其可利用瓦斯濃度范圍內，瓦斯中N2含量很少高于73%，遠低于空氣中N2的含量（78%）。而這個比例的N2含量，對機組功率的影響很小。采樣中發現小青礦抽采的可利用的低濃度瓦斯中O2的含量也比較充分。壓力對機組功率的影響分為兩部分：進入機組的瓦斯壓力和進入氣缸前的混合氣體壓力。出于安全的考慮，小青低濃度瓦斯發電站的氣源壓力不會高于10kpa，低濃度瓦斯發電機組要求的最低啟動氣源壓力是3kpa，機組正常運行所需要的最低壓力也在3kpa左右。如果瓦斯濃度較低，機組正常運行所需要的壓力也會更高，一般在5kpa。正常運行的低濃度瓦斯發電機組增壓器出口的混合氣體壓力在30kpa—40kpa，經過兩個干式阻火器和中冷器后，進入氣缸前的混合氣體壓力在20kpa—30kpa，低于15kpa就肯定會影響到機組的輸出功率。有時候同樣的瓦斯氣源和運行環境，發電機組的功率也會有很大差別。

綜合以上，除進氣溫度外，在固定瓦斯濃度范圍內對低濃機組功率影響的其他因素包括：瓦斯中除CH4外其他可燃氣體的混入量、煤塵的混入量、混合氣體中惰性氣體和其它不能參與燃燒氣體的含量、O2的含量、氣體的壓力（包括進入機組的瓦斯壓力和進入氣缸前的混合氣體壓力）以及將在后面提到的瓦斯中水的含量。其中影響小青低濃度瓦斯發電機組功率的主要是后三者。

五、總結

結合前5個月對低濃機組運行功率和溫度的記錄數據和實驗數據，排查小組分析了對機組功率造成影響的相關因素，除氣源濃度以外，氣源壓力、氣源溫度、氣源成分以及發動機組的保養程度都會對發動機組的輸出功率產生影響。在氣源的氣體成份無法改變的前提下，只有通過加強對發動機組的保養，同時對發動機氣源進行脫水、降溫、穩壓來提高發動機的輸出功率。

參考文獻

[1]蘇石川，元廣杰，楊宗明.現代柴油發電機組的應用與管理.北京：化學工業出版社.2005.

[2]孫茂遠，黃盛初等.煤層氣開發利用.北京：煤炭工業出版社.1998.

[3]鮮保安.中國煤層氣開發關鍵技術及綜合利用.天然氣工業出版社.2004

作者簡介

王托（1978年-），男，高級工程師。2001年畢業于沈陽工程學院熱能與動力工程專業，現在鐵法煤業集團煤層氣公司瓦斯發電場從事管理職務。

（作者單位：鐵法煤業集團煤層氣開發利用分公司）