西銘煤礦瓦斯發電項目研究分析

張 琦

(西山煤電公司發電分公司， 山西 太原 030024)

1 前言

煤層的開采會伴隨有瓦斯的釋放，而直接排放瓦斯則會對環境產生污染，且瓦斯含量達到一定濃度范圍時，遇明火極易發生爆炸事故，造成事故[1-3]。因此，煤炭行業逐步發展瓦斯發電技術，不僅能夠保護環境，還能降低企業的生產成本，減少瓦斯事故的發生[4]。

2 西銘煤礦瓦斯資源概況

根據西銘煤礦探明的地質資料可知，礦井瓦斯儲量達2638.952Mm3。其中2#煤層瓦斯儲量114.188Mm3，可抽放量42.272Mm3；3#煤層瓦斯儲量279.895Mm3，可抽放量103.416Mm3；8#煤層瓦斯儲量968.880Mm3，可抽放量397.102Mm3，9#煤層瓦斯儲量1029.809Mm3，可抽放量421.665Mm3。礦井瓦斯資源儲量及可開發瓦斯量較豐富。

西銘煤礦屬高瓦斯礦井，在2014年南二采區采掘工作臨近尾聲，南四采區進入9#煤回采期，北五采區進入8#煤回采期，故在2010年至2012年新形成采區尚未正式進行回采期間，礦井絕對瓦斯涌出量逐年下降，而在西十一2#煤42110工作面回采結束、北七8#煤48709工作面回采開始后，形成了上組煤2#、3#煤在不同采區合理配采、下組煤8#、9#煤在不同采區合理配采，且下組煤北七南六8#煤因埋藏深，瓦斯涌出量大，在2013年之后礦井絕對瓦斯涌出量呈現上升趨勢。

3 西銘煤礦瓦斯發電項目探究

3.1 項目概況

西銘煤礦井田位于山西省太原市境內，地面覆蓋王封鄉、化客頭街辦及古交市河南鄉一部分。西銘煤礦在冀家溝建有地面永久瓦斯抽放泵站，該項目建設地點位于冀家溝瓦斯抽放站東北側約30m的山坡上，安裝燃氣內燃發電機組進行瓦斯綜合利用，可以通過發電并網產生經濟效益。根據燃機廠家相關資料以及抽放泵站瓦斯抽放情況，公司決定建設一座8MW瓦斯發電廠，安裝16×500kW燃氣內燃發電機組+16×0.3MW余熱回收裝置，一次設計，分步實施。一期建設規模為12×500kW燃氣發電機組+12×0.3MW余熱回收裝置，余下為二期建設。設計總投資為5628.80萬元，其中一期為4788.65萬元，二期為840.15萬元；單位造價7036.00元/kW，其中一期為7981.08元/kW，二期為4200.75元/kW。

3.2 瓦斯抽放

(1)瓦斯抽放方法。西銘礦井整體上是通過在地面上設置固定泵站，在井下設置移動泵站互相配合抽采瓦斯。井下工作面采用本煤層抽采方法或邊采邊抽的方法，采空區則采用鉆孔抽采等方式。

(2)瓦斯抽放量預計。預計預抽瓦斯量19m3/min，邊采邊抽瓦斯量19.5m3/min，鄰近層瓦斯抽采量23m3/min，掘進瓦斯抽采量12m3/min，采空區瓦斯抽采量30m3/min，全礦井瓦斯的抽采總量為103.5m3/min。

(3)瓦斯抽放泵站。西銘煤礦的永久瓦斯抽放泵站建立在冀家溝山坡上，采用雙系統即高負壓和低負壓系統進行抽放。其中三臺型號為2BEC-72的水環真空泵用在高負壓抽放系統中，電機功率為560kW，兩臺運行一臺備用，用于礦井本煤層瓦斯抽放；而鄰近層和采空區瓦斯主要由低負壓抽放系統進行抽放，水環真空泵的型號為2BEC-100，準備兩臺，一臺使用，一臺作為備用。其服務年限為37年，與礦井的服務年限保持一致。

3.3 發電機組選型

依據礦山資料，擬將現階段西銘煤礦冀家溝瓦斯抽放泵站的低負壓抽放系統抽采的瓦斯混合到高負壓抽放系統抽采的瓦斯中，得到瓦斯濃度為11%，總量為2149Nm3/h(即25.82Nm3/min)，多余部分對外排放。依據國內外目前的瓦斯燃燒技術，再結合礦井抽放瓦斯的參數，最終決定將國產燃氣內燃機發電機組應用于本次瓦斯發電項目中，因其對燃料具有較強的適應性，對瓦斯濃度和壓力的要求較低，且價格便宜。為了盡可能將抽采的低濃度瓦斯全部利用，確定本工程總裝機容量為8MW，裝機規模為16×500kW國產低濃度燃氣內燃發電機組，機組布置方面采用低噪、內部空間大、通風效果好的廠房式。

3.4 瓦斯輸送系統

(1)工藝流程。本項目實施過程中，將西銘煤礦礦冀家溝瓦斯抽放泵站的低負壓抽放系統抽采的瓦斯混合到高負壓抽放系統抽采的瓦斯中，使高負壓系統中的瓦斯得到充分利用，最終得到瓦斯濃度約為11%，然后通過細水霧輸送系統對其進行輸送，該輸送系統能夠在瓦斯管道內利用水霧發生器達到連續成霧的效果，從而降低了瓦斯管道在通往燃機間時的危險程度，最大限度地保證生產安全。瓦斯首先通過配備的旋風重力脫水器，充分脫水之后進入機組。

(2)安全保護措施。在輸送系統中，除利用細水霧輸送技術以外，還設置有多級阻火器來控制爆炸火焰的傳播，另外還通過濕式放散技術來保障系統的穩定運行。

(3)燃氣系統。經管道將瓦斯引至燃氣內燃發電機組，在機組進氣口處進行空氣混合，通過渦輪增壓器進行增壓，由中冷器進行冷卻，由與進氣管相連的進氣門控制進入氣缸，火花塞將混合氣體引燃，使活塞做功以達到發電的目的。

(4)空氣系統。空氣在進入箱體之前首先經過消音器，然后再通過配置在燃機上的空氣濾清器進行過濾，最后進入到燃機本體。

(5)循環冷卻系統。將封閉式冷卻技術應用于燃氣內燃發電機組的冷卻系統，機組各配備1臺水箱，水箱為多風扇臥式，承載散熱水箱的鋼平臺布置在燃機間室外，為達到減少水損失量的目的，水箱直接與發動機通過管道連接。高溫水冷卻系統和低溫水冷卻系統，配被的冷卻水管道相互獨立。

(6)余熱利用系統。本著資源綜合利用原則，本工程每臺燃氣發電機組均配套一臺余熱回收裝置，回收機組尾部高溫煙氣的余熱，產生100℃的熱風，送往風井場地現有熱風鍋爐房，補充井下暖風。余熱回收裝置與機組一一對應，主廠房燃機間內每排8臺余熱回收裝置產生的熱風匯入廠房外風道平臺上布置的1.5m×1.5m風道干管，再一同匯入2.0m×2.0m的風道母管，架空送至廠外1m處。每臺機組的高溫水通過各自的支管匯入高溫水母管并送至散熱水箱區進行冷卻，本次設計將從高溫水母管上引出一路支管(DN32)送往聯合建筑輔助間內設置的一臺高效智能水- 水換熱機組進行換熱，換熱后的冷卻水通過管道(DN32)返回至高溫水母管，進入散熱水箱區繼續進行冷卻，換熱機組兩側產生的75℃/50℃熱水用做廠區采暖。

3.5 經濟評價

財務評價中的各種參數參數發改投資〔2006〕1325號《建設項目經濟評價方法與參數》(第三版)，計算依據2009年中華人民共和國住房及城鄉建設部公告第366號文的有關規定進行選取。主要評價指標見表1。

表1 財務評價指標一覽表

由表1可看出，稅后內部收益率為14.02%，略大于行業基準收益率12%，財務凈現值為590萬元，大于零。表明本項目除能滿足行業最低要求外，還有盈余，因而在財務上是可以接受的。由盈虧平衡點可得出凈值進入情況下，只要發電量達到年總發電量的33.25%，即0.128×108kW·h，企業就可以保本。對市場需求變化有較強的適應能力，并具備較強的抗風險能力，綜上所述，本項目的投資規模合理。

4 節能效果

(1)生態環境：本項目燃用井下抽放瓦斯，年消耗瓦斯1 279.68萬Nm3(折純)，折當量CO2(CER)19.28萬t，區域環境空氣污染物明顯減少，減少了因瓦斯排放所造成的環境污染和溫室效應。

(2)節能損耗：本項目年消耗瓦斯1 279.68×104Nm3(折純)，年發電量為0.384×108kW·h，單位水耗為0.172kg/kW·h，單位氣耗為0.333Nm3/kW·h，年節約標煤量約為1.55萬t。

(3)經濟效益：本項目建成發電后，正常年份每年可發電0.384×108kW·h，年上網電量0.362×108kW·h，上網電價執行0.499元/kW·h(含稅價)，估算得本項目年銷售收入可達1 807萬元。

5 結語

西銘煤礦冀家溝瓦斯抽放泵站的高、低負壓抽放系統，將抽采的瓦斯進行混合，然后利用混合后的低濃度瓦斯為燃料，通過燃氣內燃發電機組進行發電。該項目的建成，使得年瓦斯減排量折純為1 279.68×104m3，折合年節約標煤1.55×104t，使煤炭附屬資源得到充分綜合利用，既減輕了溫室氣體對環境的污染，又通過電力并網使企業提高了經濟效益，拉長了煤炭生產產業鏈，帶動了地方經濟的發展。