黃陵二號(hào)煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王鵬飛，馬功社

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業(yè)公司是陜煤集團(tuán)所屬核心骨干企業(yè)，“十三五”期間公司堅(jiān)持發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，形成煤矸石發(fā)電、粉煤灰制磚、制水泥的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了高碳產(chǎn)業(yè)低碳運(yùn)營(yíng)，黑色資源綠色開(kāi)采的環(huán)保型經(jīng)營(yíng)模式。近年來(lái)，黃陵礦業(yè)公司響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，深化綠色礦山示范礦井建設(shè)，在礦井開(kāi)采過(guò)程中在廢棄物上下功夫，尤其把煤礦的“第一殺手”瓦斯當(dāng)作一種新的資源開(kāi)發(fā)和利用，率先在黃陵二號(hào)煤礦實(shí)施瓦斯發(fā)電，堅(jiān)持企業(yè)發(fā)展生態(tài)優(yōu)先的戰(zhàn)略思想，減少瓦斯排空對(duì)大氣造成的污染。

1 工程概況

黃陵二號(hào)煤礦屬于黃陵礦業(yè)公司的二級(jí)企業(yè)，位于陜西省延安市黃陵縣雙龍鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于煤油氣共生礦井，災(zāi)害十分嚴(yán)重。瓦斯發(fā)電選址在黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井瓦斯抽采站附近境內(nèi)，實(shí)現(xiàn)就地抽采就地利用。可用于發(fā)電的瓦斯純量為2 267 Nm3/h，混合后平均甲烷濃度9.98%左右，二號(hào)風(fēng)井瓦斯抽采站根據(jù)多年來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，氣源比較穩(wěn)定并有增大趨勢(shì)，加之頂?shù)装逵托蜌獬椴?，使甲烷燃燒得更加充分?/p>

依據(jù)中煤科工集團(tuán)西安研究院編制的黃陵礦區(qū)《陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司“十二五”“十三五”煤層氣開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃》文件，黃陵二號(hào)煤礦含氣面積311.86 km2，總資源量為3.716×109m3，平均資源豐度為1.2×107m3/km2，屬于特低豐度中型氣田。二盤(pán)區(qū)瓦斯儲(chǔ)量2.5×108m3，可抽采量1.875×108m3。所建瓦斯發(fā)電年耗純甲烷量1.632 2×107m3/a，由陜西新泰能源有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，并在黃陵縣注冊(cè)成立了陜西新泰能源有限公司黃陵分公司，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)黃陵二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井瓦斯綜合利用工作。

2 瓦斯發(fā)電技術(shù)

2.1 瓦斯發(fā)電工作原理

以瓦斯作為燃料，空氣經(jīng)過(guò)濾清器過(guò)濾，進(jìn)入渦輪增壓器增壓，導(dǎo)入內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的混合器，瓦斯經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥也進(jìn)入混合器，兩者混合后，通過(guò)電子點(diǎn)火爆燃做功后，推動(dòng)活塞移動(dòng)和曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)[1-3]。再由發(fā)電機(jī)將動(dòng)力轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)輸變電裝置輸出，機(jī)組出線電壓10 kV升壓至35 kV接入黃陵縣北溝35 kV變電站35 kV側(cè)，自發(fā)自用[4-6]。再利用機(jī)組排出的高溫?zé)煔馔ㄈ胗酂徨仩t生成蒸汽供二號(hào)風(fēng)井廣場(chǎng)采暖，高溫缸套水利用板換置換出熱水，供二號(hào)風(fēng)井廣場(chǎng)職工生活洗浴使用。其生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)工藝Fig.1 Production process of low concentration gas power generation system

2.2 設(shè)備選型及測(cè)算

2.2.1 方案對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的中大功率瓦斯發(fā)電機(jī)組有500 kW、600 kW、700 kW等，部分廠家開(kāi)發(fā)出1 000 kW和1 200 kW機(jī)型，但運(yùn)行機(jī)組較少。根據(jù)市場(chǎng)運(yùn)行情況和場(chǎng)地情況，選擇合適機(jī)型，對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 700 kW瓦斯發(fā)電機(jī)組和1 000 kW瓦斯發(fā)電機(jī)組2種方案比較Table 1 Comparison of 700 kW and 1 000 kW gas generator set

2.2.2 瓦斯抽采量

黃陵二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井廣場(chǎng)有3套抽排系統(tǒng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1號(hào)系統(tǒng)年均瓦斯?jié)舛葹?5%，2號(hào)系統(tǒng)4.39%，3號(hào)系統(tǒng)2.44%；將1號(hào)和2號(hào)系統(tǒng)抽排氣摻混后瓦斯?jié)舛葹?.98%，適合瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組用氣要求。15年內(nèi)瓦斯抽采量只增不減，保證了瓦斯電廠運(yùn)行的連續(xù)性。根據(jù)2017年8月—2018年7月12個(gè)月(365 d)的統(tǒng)計(jì)數(shù)值，1號(hào)和2號(hào)抽排純瓦斯量為1 986萬(wàn)Nm3，合2 267 Nm3/h。

2.2.3 設(shè)備選型

項(xiàng)目選用大功率國(guó)產(chǎn)瓦斯發(fā)電內(nèi)燃機(jī)組，按照每方純瓦斯發(fā)電2.8 kWh計(jì)算，每小時(shí)可發(fā)電6 348 kWh，可安裝7臺(tái)1 000 kW燃?xì)鈾C(jī)組或10臺(tái)700 kW燃?xì)鈾C(jī)組。瓦斯排量最大月為2018年3月，1號(hào)、2號(hào)混合后瓦斯量合計(jì)2 716 Nm3/h，發(fā)電量為7 605 kWh，可安裝8臺(tái)1 000 kW燃?xì)鈾C(jī)組或11臺(tái)700 kW燃?xì)鈾C(jī)組?？紤]未來(lái)瓦斯抽排量的增加，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)用地緊張等情況，決定安裝8臺(tái)集裝箱式1 000 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，年運(yùn)行時(shí)間7 200 h，現(xiàn)有瓦斯氣量年發(fā)電量約4 570.3萬(wàn)kWh。機(jī)組排煙溫度約550 ℃，利用高溫?zé)煔?，?臺(tái)機(jī)組配1臺(tái)蒸發(fā)量1.4 t/h的余熱鍋爐，鍋爐產(chǎn)生1.25 MPa的飽和蒸汽，4臺(tái)爐產(chǎn)汽量為5.6 t/h。全廠總裝機(jī)規(guī)模為81 000 kW瓦斯燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組+41.4 t/h余熱鍋爐。在冬季，余熱鍋爐蒸汽和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組高溫缸套水的熱量為風(fēng)井廣場(chǎng)建構(gòu)筑物供暖[7-8]。項(xiàng)目建成后可減少瓦斯排放，降低環(huán)境污染，同時(shí)，瓦斯電廠所發(fā)電力供煤礦生產(chǎn)使用，余熱蒸汽和熱水免費(fèi)供礦區(qū)采暖使用，原采暖鍋爐房停運(yùn)，是變廢為寶、保護(hù)環(huán)境、利國(guó)利民的好項(xiàng)目。

3 實(shí)踐應(yīng)用

3.1 設(shè)備布置

由于地處林區(qū)，建廠征地困難，只能采用二號(hào)風(fēng)井廣場(chǎng)自用地，選用集裝箱式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，在保證安全間距的情況下，最大可能地減少占地面積，廠區(qū)布置總平面圖如圖2所示。8臺(tái)集裝箱機(jī)組布置在綜合樓東南側(cè)的空地上；配電室布置在污水處理站南側(cè)的狹長(zhǎng)空地上；抽排站東墻拆除后向西移3 m，最大限度地滿足瓦斯電廠用地要求；采暖熱水泵房布置在綜合樓后。8臺(tái)1 000 kW集裝箱式低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組按東、西兩列布置，兩列之間間距8.6 m，列間距內(nèi)布置2根瓦斯輸送母管路和支氣管路及其附屬設(shè)施。集裝箱前后排之間間距2.5 m。集裝箱長(zhǎng)12.5 m，寬3.2 m；集裝箱內(nèi)有發(fā)電機(jī)組、板式換熱器、機(jī)旁柜；集裝箱頂部布置臥式風(fēng)扇散熱器、排氣管路。

圖2 二號(hào)風(fēng)井瓦斯發(fā)電廠廠區(qū)總平面Fig.2 General layout of gas power plant in No.2 air shaft

3.2 安全保護(hù)設(shè)施

煤礦瓦斯發(fā)電廠利用低濃度瓦斯作為發(fā)電燃料，瓦斯氣年混合甲烷濃度為9.98%。瓦斯?jié)舛忍幱谝妆瑓^(qū)間，為防止發(fā)生爆炸事故，保證抽放站水環(huán)真空泵及礦井的安全生產(chǎn)運(yùn)行，燃?xì)馔咚共荒芩腿雰?chǔ)氣罐儲(chǔ)存，抽排系統(tǒng)與瓦斯利用輸送系統(tǒng)只能直接連接，所以利用低濃度瓦斯發(fā)電最重要的環(huán)節(jié)是安全問(wèn)題[9-10]。

3.2.1 瓦斯輸送系統(tǒng)

為了保證瓦斯輸送安全，保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，黃陵二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)抽排系統(tǒng)，瓦斯氣經(jīng)DN900瓦斯管線混合后，用2條DN500的瓦斯輸氣管線輸送到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，DN500的瓦斯輸氣管線到發(fā)電機(jī)組接口之間采用帶自動(dòng)噴粉抑爆裝置的輸送系統(tǒng)，將瓦斯氣供給8臺(tái)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組。全部過(guò)程由計(jì)算機(jī)監(jiān)控運(yùn)行，并確保輸送系統(tǒng)壓力正常，實(shí)現(xiàn)安全放散。

3.2.2 進(jìn)氣工藝簡(jiǎn)要流程

主管路：抽排泵站放散管預(yù)留接口→水位自控式水封阻火泄爆裝置→濕式放散閥→絲網(wǎng)過(guò)濾器→干式阻火器→瓦斯自動(dòng)阻爆裝置→自動(dòng)噴粉抑爆裝置→水位自控式水封阻火泄爆裝置→機(jī)組進(jìn)氣支管→阻火器→放散管。

機(jī)組進(jìn)氣支管路：主管→氣水分離器→火焰?zhèn)鞲衅鳌杌鹌鳌{(diào)壓閥→電磁閥→瓦斯發(fā)電機(jī)組。

3.2.3 瓦斯輸送系統(tǒng)主要保護(hù)設(shè)施

水位自控式水封阻火泄爆裝置：水位自控式水封阻火泄爆裝置由水封阻火罐、雷達(dá)液位計(jì)、水位自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、工控機(jī)等部分組成，實(shí)現(xiàn)水封阻火罐水位的全自動(dòng)監(jiān)控。水位自控式水封阻火器泄壓閥開(kāi)啟壓力為50 kPa。

絲網(wǎng)過(guò)濾器：主要是用于過(guò)濾由瓦斯帶來(lái)的水汽和灰塵，防止瓦斯管道專(zhuān)用阻火器堵塞，延長(zhǎng)其清洗周期的裝置。其過(guò)濾材料采用不銹鋼絲絨，利用攔截、碰撞機(jī)理過(guò)濾瓦斯中的粉塵顆粒和機(jī)械水。

瓦斯管道專(zhuān)用阻火器：瓦斯管道專(zhuān)用阻火器是為瓦斯發(fā)電的專(zhuān)用安全裝置，屬于干式阻火器中的一種。其阻火芯結(jié)構(gòu)為不銹鋼波紋板式。其作用是阻止可能產(chǎn)生的火焰沿著瓦斯輸送管道傳播，以便有效保障瓦斯管道網(wǎng)中所有設(shè)備(包括發(fā)動(dòng)機(jī)組本身)和礦井的安全，防止因發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的回火或其他部位可能產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃瓦斯造成意外火焰向瓦斯管網(wǎng)蔓延，從而引起的爆炸災(zāi)害。同時(shí)它應(yīng)當(dāng)具有盡可能小的氣體流動(dòng)阻力，以便瓦斯能夠順利通過(guò)阻火器。

濕式放散閥：當(dāng)系統(tǒng)用氣量突然減少時(shí)(如瓦斯發(fā)電機(jī)組突然停機(jī)或突然降低負(fù)荷)，為保證礦井水環(huán)真空泵的安全運(yùn)行和整個(gè)輸送系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，在輸送系統(tǒng)的輸氣主管道上設(shè)置濕式放散閥。當(dāng)輸送系統(tǒng)管道壓力增高時(shí)，瓦斯便通過(guò)水溢出排空。放散壓力可通過(guò)改變放散閥內(nèi)的水量或水面來(lái)調(diào)整或設(shè)定。通過(guò)液位變送器可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。瓦斯的排空是通過(guò)水而放散到空中的，因此該放散閥能夠?qū)⑼獠靠赡墚a(chǎn)生的火源與系統(tǒng)內(nèi)瓦斯隔離，實(shí)現(xiàn)安全放散。

自動(dòng)噴粉抑爆裝置：自動(dòng)噴粉抑爆裝置技術(shù)原為軍用技術(shù)，后引入民用礦業(yè)領(lǐng)域，是針對(duì)煤炭行業(yè)低濃度瓦斯管道輸送專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的超高速主動(dòng)抑爆設(shè)備，具有主動(dòng)監(jiān)測(cè)、高速啟動(dòng)、自動(dòng)抑爆等突出特點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)被動(dòng)隔爆方式的不足，消除或減少瓦斯爆炸事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。主要優(yōu)點(diǎn)是電耗低、瓦斯含水量少、維護(hù)量小。

脫水器：通過(guò)脫水器將瓦斯中水分脫離。脫水采用旋風(fēng)脫水器，設(shè)置在機(jī)組入口，防止游離態(tài)水進(jìn)入機(jī)組保護(hù)機(jī)組安全。

3.3 設(shè)備運(yùn)行情況

黃陵二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井瓦斯發(fā)電項(xiàng)目于2020年元月開(kāi)工建設(shè)，2020年7月23日并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，目前處于試運(yùn)轉(zhuǎn)階段，機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)正常良好，日發(fā)電量15萬(wàn)kWh以上，日消耗純瓦斯53 571 Nm3，在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱供二號(hào)風(fēng)井廣場(chǎng)采暖及洗浴使用。預(yù)計(jì)年發(fā)電量4 570萬(wàn)kWh，年消耗煤礦純瓦斯量1 632.2萬(wàn)Nm3，年減排CO2的量25.85萬(wàn)t，年可提供10.2萬(wàn)GJ熱量供礦區(qū)采暖及洗浴使用。

4 結(jié)論

(1)瓦斯發(fā)電技術(shù)在黃陵二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井的應(yīng)用和實(shí)踐，年利用純瓦斯1.632 2×107Nm3，年發(fā)電量4.57×107kWh，年供熱量為1.02×105GJ，減少排放的CO2量約為25.85萬(wàn)t。此項(xiàng)技術(shù)值得在黃陵二號(hào)煤礦其他風(fēng)井乃至黃陵礦業(yè)公司其他高瓦斯礦井推廣和應(yīng)用。

(2)利用瓦斯發(fā)電技術(shù)，不僅能充分利用這種清潔能源，還減少了環(huán)境污染，必將給企業(yè)帶來(lái)良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。此外，利用瓦斯發(fā)電技術(shù)，解決了煤礦抽放瓦斯的排放問(wèn)題，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯的抽采，從根源上防止瓦斯事故，保障井下生產(chǎn)安全，同時(shí)可為煤礦提供雙電源支撐點(diǎn)，這也極大提高了井下生產(chǎn)安全，形成良性循環(huán)。

(3)利用瓦斯發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生余熱可直接給風(fēng)井廣場(chǎng)供應(yīng)采暖蒸汽，燃?xì)鈾C(jī)組高溫缸套水通過(guò)板換換熱后生成的熱水也可以作為風(fēng)井廣場(chǎng)冬季采暖熱源，解決了風(fēng)井廣場(chǎng)冬季采暖問(wèn)題。