低濃度瓦斯發(fā)電工藝分析

馬志國

山西焦煤華晉焦煤公司瓦斯發(fā)電廠 山西柳林 033300

根據(jù)相關(guān)資料記載[1]，1m3含量100%的瓦斯，可以發(fā)電3.2-4kWh；1m3含量30%的瓦斯大約可以發(fā)電1kWh。利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)電能和利用余熱鍋爐產(chǎn)生熱能的瓦斯發(fā)電技術(shù)日趨瓦斯，這也是近些年瓦斯發(fā)電站建設(shè)數(shù)目增加、規(guī)模拓展的主要原因之一。加強(qiáng)瓦斯發(fā)電站的建設(shè)，燃燒瓦斯的主要成分CH4，生成主要成分是CO2和H2O的尾氣排放，由于CH4對大氣的影響是CO2的21倍，因此，加強(qiáng)瓦斯發(fā)電工程的建設(shè)及相關(guān)工藝的研究，對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有很大現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

沙曲礦井為高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井，各煤層均有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。2006年度全礦井生產(chǎn)原煤2.4Mt/a，絕對瓦斯涌出量為306m3/min，平均瓦斯抽放純流量165.6 m3/min。預(yù)計(jì)到2011年礦井生產(chǎn)能力達(dá)到5 Mt/a時(shí)，預(yù)計(jì)抽采瓦斯純量達(dá)564.0 m3/min。隨著瓦斯涌出量的增加，沙曲礦目前正在進(jìn)行瓦斯抽采系統(tǒng)的改造，改造工程完成后，沙曲礦將建成北翼、南翼2套瓦斯抽采系統(tǒng)。其中，北翼抽采站現(xiàn)裝備有2BEC67A型水環(huán)式真空泵4臺，單臺電機(jī)功率450kW，額定流量是350m3/min。南翼抽采站現(xiàn)裝備有CBF410A—2BV3型水環(huán)式真空泵2臺，電機(jī)功率185kW，對應(yīng)的額定流量為150m3/min。隨機(jī)抽出的瓦斯取樣成分分析結(jié)果見表1[2]：

表1 瓦斯取樣成分分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2 構(gòu)建電力系統(tǒng)

2.1 計(jì)算瓦斯發(fā)電站氣量

瓦斯發(fā)電站一期工程裝機(jī)14MW，燃用現(xiàn)有北翼瓦斯抽采系統(tǒng)抽采的瓦斯，機(jī)組效率按3kWh/m3，機(jī)組平均出力按90%計(jì)算，其總用氣量大概為69m3/min，扣掉瓦斯發(fā)電站一期工程用氣后，瓦斯發(fā)電站二期工程可用氣量見表2[3]。

表2 瓦斯發(fā)電站二期工程氣量統(tǒng)計(jì)[單位：（m3/min）]

2.2 系統(tǒng)概況

沙曲礦坐落于柳林縣中，隸屬于呂梁地區(qū)電網(wǎng)管轄。地區(qū)總發(fā)電容量大概為300MW，其中柳林電廠裝機(jī)容量2×100MW，4座小型熱電廠總裝機(jī)容量51MW，4所變電站依次為沙曲礦、青龍、三交及穆村110kV變電所，后3所變電站均由屬呂梁地區(qū)電力公司管轄。沙曲礦變電所內(nèi)設(shè)有2臺變壓器，容量是2×25MVA，有110kV、35kV和10kV三個(gè)電壓級別。

2.3 預(yù)算電力負(fù)荷

呂梁電網(wǎng)屬典型的受電網(wǎng)，無大型電源點(diǎn)支撐，只有柳林電廠和4座小型電廠，總裝機(jī)容量251MW。為迎合地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的腳步，電力需求量有逐年上升趨勢，預(yù)計(jì)2010年的最大用電負(fù)荷達(dá)950MW，“十一五”期間用電負(fù)荷年增長率均值為9.7%。

2.4 電力平衡

現(xiàn)已知沙曲礦瓦斯發(fā)電站二期工程裝機(jī)容量為62MW，結(jié)合本地區(qū)歷年間電力平衡檢測情況，發(fā)現(xiàn)二期工程建成以后，依然無法滿足本地區(qū)的供電需求，但可以為本地區(qū)電網(wǎng)提供較大的電源支持。

2.5 接入系統(tǒng)

因?yàn)樯城V110kV站內(nèi)只剩有1個(gè)110kV間隔的擴(kuò)建位置，且和二期工程間距只有1.5km，故而建議二期工程暫時(shí)用1回110kV電壓輸電線路并網(wǎng)于沙曲礦110kV變電所內(nèi)，在接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作結(jié)束后，將審批后的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)。二期工程接入系統(tǒng)方案見圖1[4]。

2.6 擬定裝機(jī)方案

沙曲礦在北翼瓦斯抽采站周邊現(xiàn)已建成14MW（20×700）的瓦斯發(fā)電站（一期工程），耗氣量大概為69m3/min。二期工程可發(fā)電氣量大概為253.2m3/min。確定裝機(jī)容量時(shí)遵照如下原則[5]：（1）機(jī)組的發(fā)電效率依照3.5kWh/m3計(jì)算；（2）結(jié)合高原環(huán)境特征，機(jī)組出力均值依照90-96%分析。（3）加強(qiáng)瓦斯發(fā)電的利用度。依照如上原則，并分析有關(guān)因素，擬定二期工程的裝機(jī)規(guī)模為選用單機(jī)容量4000kW的進(jìn)口機(jī)組，共計(jì)14臺。

2.7 余熱利用

瓦斯發(fā)電機(jī)組利用煤礦瓦斯實(shí)現(xiàn)發(fā)電，燃燒發(fā)電后排放的高溫?zé)煔鉁囟燃s為430℃，合理應(yīng)用方能將不可再生資源的價(jià)值充分發(fā)揮出來。為實(shí)現(xiàn)對該部分余熱的有效應(yīng)用，將余熱利用鍋爐安裝于尾氣排放管道上，其能有效吸收高溫?zé)煔庵械臒崃浚ⅰＩa(chǎn)具備一定參數(shù)的蒸汽，鍋爐的額定出力為14t/h。

2.8 測算供熱量

二期瓦斯發(fā)電站采暖期年供熱量為北194919GJ/a。

3 發(fā)電工藝分析

3.1 工藝程序

由瓦斯儲配系統(tǒng)來的瓦斯氣體通過調(diào)壓閥進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，與空氣在氣缸內(nèi)混合后點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳至交流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能輸出。瓦斯氣體在瓦斯發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔猓谂艢夤苌辖尤胗酂徨仩t回收高溫?zé)煔獾臒崃浚a(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。為保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，務(wù)必配備進(jìn)氣與燃?xì)庀到y(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)等輔助系統(tǒng)[5]。

3.2 內(nèi)燃機(jī)輔助系統(tǒng)

（1）進(jìn)氣與燃?xì)庀到y(tǒng)：斯入口管道安裝有阻火器、隔離閥、速斷閥等，速動(dòng)閥在各種事故中起快速關(guān)斷作用。

（2）循環(huán)冷卻系統(tǒng)：獨(dú)立循環(huán)的中冷器冷卻系統(tǒng)可以更好地冷卻進(jìn)氣溫度，增加空氣進(jìn)氣密度，借此方式提升發(fā)電機(jī)的效率。

3.3 余熱發(fā)電輔助系統(tǒng)

（1）煙氣系統(tǒng)：主廠房7臺燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)共用1臺余熱鍋爐。

（2）主蒸汽系統(tǒng)：為單母管系統(tǒng)。

（3）給水系統(tǒng)：設(shè)有低壓及高壓給水母管，高、低壓給水系統(tǒng)均采用單母管系統(tǒng)。

（4）回?zé)嵯到y(tǒng)：熱力噴霧除氧器和除氧器貯水箱各設(shè)有1臺。

（5）凝結(jié)水系統(tǒng)：設(shè)有2臺凝結(jié)水泵，1臺運(yùn)行，1臺以備用。

3.4 單元主廠房

電氣間、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)間、管道間中間柱距為5m，兩端柱距為6.5m，共7個(gè)柱距，全長為38m，電氣間跨度為5.0m，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)間跨度為13.5m，管道間跨度為3.5m。控制室柱距為6.0m，柱距2個(gè)，全長為12m，跨度為12.0m。汽機(jī)間柱距為6.0m、共3個(gè)柱距全長為18.0m，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為0.0m，汽機(jī)間跨度為12.0m[6]。

3.5 瓦斯儲配

為確保為保證瓦斯發(fā)電機(jī)組的正常連續(xù)運(yùn)行，二期工程考慮建設(shè)2座20000m3的瓦斯儲氣罐，供北翼瓦斯發(fā)電站一、二期工程運(yùn)營使用。本期工程儲氣罐設(shè)計(jì)壓力3-4kPa（表壓），容積是20000 m3。瓦斯預(yù)處理流程如下：經(jīng)由儲氣罐運(yùn)送到廠區(qū)的瓦斯氣體，經(jīng)冷干機(jī)降溫脫水后送到羅茨風(fēng)機(jī)加壓到9.8kPa，加壓后的瓦斯氣體進(jìn)入燃?xì)膺^濾器予以凈化除塵處理（粉塵粒度＜2μm，濃度＜5mg/Nm3），通過2根DN800管道輸送到各單元主廠房。

3.6 電氣系統(tǒng)

二期工程裝機(jī)容量偏大，隸屬于公用性電廠，假定其所發(fā)電力整體被導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)，并網(wǎng)電壓采用110kV，發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5kV。

站內(nèi)設(shè)110kV升壓站，設(shè)2臺40000kVA 121/10.5kV升壓變壓器。以主廠房為單位，每7臺機(jī)組和1臺汽輪發(fā)電機(jī)組接入1臺升壓變壓器升壓后接入110kV母線。110kV母線采用單母線接線，以1回110kV線路送入沙曲礦110kV變電所和系統(tǒng)相銜接。

低壓廠用電低壓用380/220V，各單元主廠房中均安設(shè)2臺10/0.4kV，1250kVA廠用低壓變壓器，1用1備。高壓電源取自10kV母線。

圖1 二期工程并網(wǎng)方案地理接線示意圖

4 結(jié)語

總之，建設(shè)瓦斯發(fā)電站并加強(qiáng)推廣，工程內(nèi)的余熱鍋爐利用發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫尾氣產(chǎn)生蒸汽，為礦井的生產(chǎn)和生活熱負(fù)荷提高熱源，可降低礦井鍋爐房的出力，減少原煤消耗和降低煙氣排放量，有益于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。