瓦斯輸送壓力對瓦斯發電機組發電功率的影響研究

張明豪

（山西凱嘉煤層氣發電有限公司，山西介休 032000）

0 引言

瓦斯是煤炭生成過程中的伴生氣體，雖然在一定程度上是制約煤礦生產安全的不利因素，但也是一種寶貴的清潔能源[1]。煤礦井下抽采的瓦斯中含有氮氣、氧氣以及甲烷等，瓦斯的溫室效應約為二氧化碳的21倍，若將瓦斯直接排放，則會給生態環境造成顯著的不利影響[2-3]。通過將抽采瓦斯合理利用，不僅可以減少化石燃料消耗，而且還有利于環境保護。現階段瓦斯最常用的方式有瓦斯發電、液化、氧化等[4]。

由于受到煤礦井下條件影響，大部分礦井抽采出的瓦斯濃度在30%以下，這種濃度瓦斯適合于瓦斯發電[5]。現場通過對瓦斯發電機組發電功率的監測發現，瓦斯發電機組實際效率要顯著低于設計效率，主要是由于受到瓦斯中的水分、溫度、壓力、甲烷濃度等影響，其中瓦斯壓力對瓦斯發電機組運行效率影響顯著[6-8]。因此，本文以山西某瓦斯發電廠為工程背景，采用理論分析及現場測試方法，分析瓦斯壓力對瓦斯發電機組發電功率的影響，以期能在一定程度上提升瓦斯發電機組的運行效率。

1 瓦斯發電機組工作原理

現階段，瓦斯發電主要采用內燃機發電技術，基本的運行原理如圖1所示。

圖1 瓦斯發電機組工作原理示意圖

采用真空泵將瓦斯從井下抽采之后，瓦斯流經瓦斯泵房，在瓦斯泵房內裝有加壓泵，可以對抽采的瓦斯進行加壓。對瓦斯加壓后，瓦斯壓縮會造成瓦斯溫度上升，因此在進入瓦斯發電機組前，需要采用預冷機組對輸送管道內的瓦斯溫度進行降低。在瓦斯進入內燃機組后，內燃機根據進入的瓦斯濃度對吸入空氣量進行調整，從而使瓦斯濃度與空氣間的比值達到最佳，讓瓦斯燃燒更為充分。瓦斯燃燒產生能量推動活塞做往返運動，隨后帶動曲軸做旋轉，曲軸通過聯軸器與發電機組聯接，從而帶動發電機組轉子運轉，發出的電能經過變壓器后給用電載荷供電。

2 瓦斯壓力對瓦斯發電機組發電效率影響理論分析

礦井抽采的瓦斯主要成分為氮氣、氧氣以及甲烷，其中甲烷含量直接關系到瓦斯發電效率。當瓦斯發電機組設計以及安裝完畢后，對瓦斯發電機組實際發電效率影響最為顯著的就是單位時間內進入到內燃機中的甲烷流量。提高進入到內燃機內的甲烷流量的方式有3種：（1）降低輸送管道內的瓦斯氣體溫度；（2）提高瓦斯輸送壓力；（3）提高瓦斯中的甲烷濃度。

瓦斯氣體溫度降低效果與預冷機組制冷效果密切相關；甲烷濃度跟礦井生產條件、瓦斯抽采方式密切相關，受礦井條件限制明顯。可以通過適當增加加壓泵運轉速度來替代瓦斯管道輸送壓力，但是受瓦斯壓力提升與安全因素限制，瓦斯壓力提升時會增大甲烷爆炸極限范圍，如若瓦斯爆炸極限范圍擴展至甲烷實際含量，當條件合適時，甲烷就可能會發生爆炸，給瓦斯發電帶來嚴重安全隱患。因此，瓦斯壓力提升受限制明顯。

內燃機瓦斯燃燒缸內的體積是保持不變的，在一個周期內進入到內燃機瓦斯燃燒缸內的瓦斯體積保持不變，則理論情況下的平衡方程為：

式中：P為瓦斯壓力；V為瓦斯燃燒缸內體積；n為摩爾數；R為氣體常數；T為溫度。

由式（1）可知，當V、R、T保持不變的情況下，提高瓦斯壓力可以提升瓦斯摩爾數，即在保證瓦斯中甲烷濃度不變的情況下，提升瓦斯流量。

礦井瓦斯采用負壓抽采方式，抽采管道內的壓力通常為負值，瓦斯經過瓦斯泵房經加壓泵加壓后，瓦斯管道的瓦斯壓力通常可以達到數千Pa。

3 輸送壓力對瓦斯發電機組功率影響分析

3.1 瓦斯輸送壓力提高方法

為了提升瓦斯輸送機壓力，可以采取下述幾種方法。

（1）提升瓦斯抽采泵運轉速度，從源頭上提高瓦斯輸送壓力。通常采用變頻器來實現對瓦斯抽采泵的運行速度調節，從而達到提高瓦斯泵排氣壓力的目的。

（2）減少瓦斯輸送管路的輸送阻力，主要可以采用的方法為減少瓦斯輸送長度，減少輸送管理中彎頭、阻火器等數量。

（3）若瓦斯輸送管路線路過長，可以采用在輸送管路中增設增壓泵的方法來提高輸送壓力。

一般情況，礦井多是在瓦斯泵房加壓泵上增加布置一變頻器來實現提高瓦斯輸送壓力的目的。在瓦斯輸送長度、輸送阻力等其他條件不變的情況下，瓦斯管路輸送壓力與變頻器輸送頻率成正比。

3.2 瓦斯輸送壓力對瓦斯發電機組發電功率試驗分析

山西某礦地面瓦斯發電站布置有一臺發電功率700 kW的內燃機發電機組，如圖2所示；配備有預冷機組（氟利昂），如圖3所示。瓦斯泵站有變頻器可以實現對瓦斯輸送壓力進行調整。

以該瓦斯發電機組為研究對象，通過變頻器來對加壓泵運行速度進行調整，從而改變瓦斯輸送壓力。在瓦斯輸送管道上裝置有壓力表以及壓力傳感器，在監控中心即可實現對輸送管道壓力的變化進行記錄。瓦斯輸送溫度測量可以通過溫度傳感器在監控中心讀取，同時也可以采用紅外儀現場測量。

圖2 礦井瓦斯發電機組

圖3 瓦斯輸送管路預冷機組（氟利昂）

瓦斯發電機組發電功率數據讀取可以從控制中心獲取，在測試過程中通過改變變頻器輸送頻率來改變加壓泵運行速度，從而改變瓦斯輸送壓力。從監控中心獲取到的不同瓦斯輸送壓力下的發電機組發電功率如表1所示；具體瓦斯發電機組發電效率隨輸送壓力變化情況如圖4所示。

表1 不同瓦斯輸送壓力下的發電機組發電功率

圖4 瓦斯發電機組發電效率隨輸送壓力變化情況

從表1及圖4中可以看出，隨著瓦斯輸送壓力的增加，發電機組的發電功率也顯著提升，整體變化呈現出正相關趨勢。通過式（1）及上述理論分析也可以得出，隨著瓦斯輸送壓力的增加，瓦斯發電機組會呈現出增加趨勢。

以瓦斯輸送壓力為1.0 kPa及11.1 kPa兩種情況下，保持瓦斯輸送溫度、流量以及濃度穩定的情況下，輸送機的甲烷質量流量比值可以采用下式計算求得：

實際情況下，從1.0 kPa輸送壓力增加至11.1 kPa輸送壓力時，發電機組發電功率增加率為520 kW/486 kW=1.07。從上述分析可知，隨著瓦斯輸送壓力的增加，輸送至發電機組內的甲烷分子量增加顯著，但是甲烷分子增加量顯著高于發電機組功率的增加幅度，主要是由于實際瓦斯發電機組工作過程中受到諸多因素的影響，瓦斯中的含水量、發電機組的氣缸溫度過高等都會影響發電機組發電功率。

4 結束語

通過上述分析可知，通過提高瓦斯輸送泵的工作頻率來提升瓦斯輸送壓力，可以在一定程度上提升瓦斯發電機組發電功率。在煤層瓦斯含量較高的礦井，不需要額外增加設備投入，僅僅通過變頻控制措施，就可以大幅度增加瓦斯發電機組發電功率，提升瓦斯發電效果。但是，由于瓦斯輸送機的壓力增加會在一定程度上增加瓦斯爆炸的極限范圍、瓦斯輸送溫度，因此應做好相對應的安全防護及溫度降低措施，確保生產安全。