煤礦低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)及經(jīng)濟性研究

文-宿元強 郭英強 郭洪波 山東良莊礦業(yè)有限公司

瓦斯氣體作為煤礦開采過程中產(chǎn)生的伴生氣，對于井下作業(yè)人員的生命安全影響重大。一方面，瓦斯?jié)舛冗^高會導(dǎo)致井下工作人員窒息死亡；另一方面，在瓦斯?jié)舛鹊竭_15%的臨界值后，極易發(fā)生爆炸，造成井毀人亡的結(jié)果。因此，合理利用井下低濃度瓦斯，不僅可以保障生產(chǎn)的安全進行，還能夠產(chǎn)生客觀的經(jīng)濟效益，利用低濃度瓦斯進行熱電聯(lián)產(chǎn)，是當(dāng)前較為科學(xué)的處理方式。

1 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)必要性

低濃度瓦斯發(fā)電目前作為國家布局分布式能源的重要一環(huán)，其技術(shù)具有技術(shù)密集性和資金密集性。一般采用燃氣發(fā)電機組對低濃度瓦斯進行利用，主要技術(shù)特點是瓦斯?jié)舛纫蟮停蛇_到8%濃度，部分負荷或氣質(zhì)波動情況下6%濃度亦可短時間正常運行），運行難度中等，檢修方便。目前國內(nèi)燃氣發(fā)電機組廠家以濟柴動力有限公司和勝利油田動力有限公司等為代表，對低濃度瓦斯發(fā)電市場貢獻突出。國外燃氣發(fā)電機組廠家主要有瓦克夏、瓦錫蘭等，其機組具有更高的經(jīng)濟性和更好的排放特性，但價格方面較國內(nèi)廠家高，且售后服務(wù)難以滿足客戶要求。

出于安全性考慮，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)對于降低礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛茸饔妹黠@。《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，0.75%瓦斯?jié)舛茸鳛榭偦仫L(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋虼送ㄟ^抽取井下瓦斯，可降低井下瓦斯?jié)舛龋雇咚節(jié)舛冗h離爆炸限值。而出于經(jīng)濟性考慮，采用低濃度瓦斯發(fā)電，一方面可供礦場生產(chǎn)自用和生活自用；另一方面，富裕的電量可外銷至電網(wǎng)，從而產(chǎn)生一部分收益。

2 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)方案

2.1 發(fā)電機組方案

低濃度瓦斯用于發(fā)電目前常用燃氣發(fā)動機機組實現(xiàn)。主要技術(shù)路線為：對低濃度瓦斯氣體進行除硫、除濕、穩(wěn)壓處理后，通入管道；燃氣發(fā)動機通過控制燃氣電磁閥和空氣閥開度，對瓦斯氣和空氣比例進行調(diào)節(jié)，以滿足發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的適當(dāng)空燃比，即λ值。λ值控制的穩(wěn)定程度，一方面代表機組控制水平；另一方面對于電能質(zhì)量也有重要影響。發(fā)電機組各子系統(tǒng)構(gòu)成及功能如下所述。

（1）電磁閥

電磁閥包括燃氣電磁閥、空氣閥、防爆閥等。燃氣電磁閥通過控制閥口開度控制進入燃氣管系的瓦斯量，同理，空氣閥用于控制發(fā)動機的空氣進氣量。而防爆閥，則是在進氣管壓力到達一定程度時開啟，避免燃氣空氣的混合氣體在進入發(fā)動機氣缸之前發(fā)生燃燒和爆炸。

（2）點火系統(tǒng)

在發(fā)動機缸內(nèi)的混合氣體在活塞到達壓縮上止點時，壓力和溫度并不足以使燃氣點燃，需要給壓縮后的混合氣體進行額外的點火。點火系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括火花塞、點火控制器、點火線圈等部分。點火控制器通過控制點火能量、點火持續(xù)期以及點火時間等參數(shù)實現(xiàn)對發(fā)動機點火的控制。點火線圈為高低壓線圈，通過電磁感應(yīng)將低壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏海瑥亩ㄟ^火花塞放電擊穿從而點燃混合氣體，實現(xiàn)燃氣化學(xué)能的釋放。

（3）控制系統(tǒng)

發(fā)電機組控制系統(tǒng)分為兩部分。一部分為發(fā)動機單機控制系統(tǒng)（ECU），該部分主要完成對燃氣進氣量、空氣進氣量、轉(zhuǎn)速控制、節(jié)氣門開度等參數(shù)的控制，從而實現(xiàn)發(fā)動機的穩(wěn)定運行。由于低濃度瓦斯氣源的波動特性，故而在發(fā)動機控制系統(tǒng)中需增加負荷突變的自適應(yīng)模塊，以滿足在氣源質(zhì)量發(fā)生波動導(dǎo)致λ變化引起的功率突變適應(yīng)。控制系統(tǒng)另一部分為發(fā)電機組并網(wǎng)的控制，用以控制發(fā)電機組和電網(wǎng)的合閘分閘，同時控制包括無功因數(shù)、電壓、電流以及頻率等參數(shù)在內(nèi)的電能質(zhì)量，解決逆功、掉線等問題。

（4）發(fā)電機部件

按照瓦斯電站的容量設(shè)計要求，選取相應(yīng)的發(fā)電機。以2000kW電站為例，可選用2臺1000kW發(fā)電機組，配1200kW左右單機，以滿足發(fā)電機組輸出功率需求。

2.2 發(fā)電機組安全運行保障措施

圖1 細水霧輸送系統(tǒng)

低濃度瓦斯在輸送利用過程中，由于其濃度較低，接近爆炸極限，故而對安全運輸和使用要求較高，通常在瓦斯電站中常用阻火裝置以及細水霧輸送系統(tǒng)進行以實現(xiàn)上述目的，詳見圖1。

（1）阻火技術(shù)

瓦斯電站常用被動式阻火技術(shù)，在爆炸發(fā)生時，阻止火焰及高溫?zé)煔庀蚝罄^續(xù)傳播。三級阻火系統(tǒng)由水封阻火器、瓦斯管道阻火器、溢流脫水阻火器等構(gòu)成。

（2）細水霧系統(tǒng)

在瓦斯管道每隔一段距離設(shè)置細水霧發(fā)生裝置，主要目的是防止在瓦斯輸送過程中產(chǎn)生靜電及著火點，從而引發(fā)爆炸。補加的細水霧通過發(fā)電機組進氣系統(tǒng)前的旋風(fēng)式重力脫水裝置進行脫水處理，保證燃氣進氣的濕度。

（3）發(fā)電機組安全設(shè)置

發(fā)動機進氣管設(shè)置有防爆電磁閥，能夠保證進氣壓力在安全的范圍之內(nèi)。此外，發(fā)電機組設(shè)置有超速保護、超功率保護以及逆功保護等功能，保障機組在運行過程中發(fā)生異常時能夠及時停機，確保機組和運行人員的安全。

3 低濃度瓦斯發(fā)電成本收益分析

應(yīng)用低濃度瓦斯發(fā)電主要成本分為：機組廠房建設(shè)費用、機組投資、高低柜配套費用和其他的管理人工等費用。以2000kW瓦斯電站為例，兩套燃氣發(fā)電機組總計投資900萬元，高低柜投資費用200萬元，廠房建設(shè)費用170萬元（包含電站設(shè)計、土建施工等費用），管理費用等投資年均150萬元，整個項目初期投資共計1420萬元。

3.1 低濃度瓦斯電站經(jīng)濟效益分析

（1）電站總投資約1420萬元。

（2）電站收入。電站年發(fā)電量計算以日均滿負荷發(fā)電22h，年均發(fā)電天數(shù)（除去故障、檢修等導(dǎo)致的停機）330d計算，總計發(fā)電量為1.452×107kWh，上網(wǎng)電價取0.509元/ kWh，上網(wǎng)電量取總發(fā)電量的90%，計算售電總收入為665.16萬元。

余熱利用收入計算對標(biāo)熱水鍋爐，標(biāo)煤價格按500元/t計算，標(biāo)煤熱值29300kJ/kg，每臺機組回收余熱按187萬kJ/h計算，燃煤熱效率62%，熱損失6%計算，每小時節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤96.763kg，年余熱收入為68.12萬元。

經(jīng)營成本計算分為5部分，以電站工作人員11人，人均年收入5.5萬元計算，總計費用支出60.5萬元，五險一金支出總額為21.18萬元；設(shè)備維護費用年均12萬元；機組機油消耗量以0.8g/kWh計算，單價20元/kg，計算機油消耗費用為23.23萬元；年均消耗用水主要為檢修用水和冷卻循環(huán)蒸發(fā)用水，取800m3，水費單價5.5元，總計0.44萬元。年均支出共計117.35萬元。

設(shè)備折舊費用計算，廠房以20a使用年限計算，年均折舊8.5萬元；機組及高低柜年均折舊率15%，計165萬元。

綜上，年均總收入為733.28萬元，年均總支出117.35萬元，年均收益為615.93萬元，企業(yè)所得稅率25%，計183.32萬元。年均投資回收為432.61萬元，總投資回收期為3.28年。

3.2 低濃度瓦斯電站其他效益分析

（1）環(huán)境效益

低濃度瓦斯發(fā)電機組的使用，可實現(xiàn)低濃度瓦斯的充分利用，一方面降低乏風(fēng)瓦斯的排放對環(huán)境的污染和危害；另一方面可以實現(xiàn)低濃度瓦斯再利用后的低排放指標(biāo)，機組排放尾氣經(jīng)后處理后可達到環(huán)保部門關(guān)于尾氣排放的相關(guān)限值，滿足排放法規(guī)。

（2）安全效益

低濃度瓦斯發(fā)電機組的應(yīng)用有效降低了巷道乏風(fēng)瓦斯氣體的濃度，降低瓦斯氣窒息死亡事故以及爆炸事故發(fā)生的可能性，為井下作業(yè)人員的生命安全提供保障，為實現(xiàn)礦區(qū)的安全生產(chǎn)提供助力。

（3）管理效益

低濃度瓦斯發(fā)電項目可增加礦區(qū)及工作人員收入，改善礦區(qū)盈利能力，確保礦區(qū)生產(chǎn)、生活用電安全和穩(wěn)定，有效降低人員和物資管理成本。