黃陵二號煤礦瓦斯發電技術設計及應用

王鵬飛，馬功社

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業公司是陜煤集團所屬核心骨干企業，“十三五”期間公司堅持發展循環經濟，形成煤矸石發電、粉煤灰制磚、制水泥的循環經濟產業鏈，實現了高碳產業低碳運營，黑色資源綠色開采的環保型經營模式。近年來，黃陵礦業公司響應國家號召，深化綠色礦山示范礦井建設，在礦井開采過程中在廢棄物上下功夫，尤其把煤礦的“第一殺手”瓦斯當作一種新的資源開發和利用，率先在黃陵二號煤礦實施瓦斯發電，堅持企業發展生態優先的戰略思想，減少瓦斯排空對大氣造成的污染。

1 工程概況

黃陵二號煤礦屬于黃陵礦業公司的二級企業，位于陜西省延安市黃陵縣雙龍鎮境內，屬于煤油氣共生礦井，災害十分嚴重。瓦斯發電選址在黃陵礦業公司二號煤礦二號風井瓦斯抽采站附近境內，實現就地抽采就地利用。可用于發電的瓦斯純量為2 267 Nm3/h，混合后平均甲烷濃度9.98%左右，二號風井瓦斯抽采站根據多年來的檢測數據，氣源比較穩定并有增大趨勢，加之頂底板油型氣抽采，使甲烷燃燒得更加充分。

依據中煤科工集團西安研究院編制的黃陵礦區《陜西省煤層氣開發利用有限公司“十二五”“十三五”煤層氣開發利用規劃》文件，黃陵二號煤礦含氣面積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。二盤區瓦斯儲量2.5×108m3，可抽采量1.875×108m3。所建瓦斯發電年耗純甲烷量1.632 2×107m3/a，由陜西新泰能源有限公司負責建設和運營，并在黃陵縣注冊成立了陜西新泰能源有限公司黃陵分公司，專門負責黃陵二號煤礦二號風井瓦斯綜合利用工作。

2 瓦斯發電技術

2.1 瓦斯發電工作原理

以瓦斯作為燃料，空氣經過濾清器過濾，進入渦輪增壓器增壓，導入內燃機氣缸內的混合器，瓦斯經過壓力調節閥也進入混合器，兩者混合后，通過電子點火爆燃做功后，推動活塞移動和曲軸轉動，產生動力，帶動發電機[1-3]。再由發電機將動力轉換成電能，經輸變電裝置輸出，機組出線電壓10 kV升壓至35 kV接入黃陵縣北溝35 kV變電站35 kV側，自發自用[4-6]。再利用機組排出的高溫煙氣通入余熱鍋爐生成蒸汽供二號風井廣場采暖，高溫缸套水利用板換置換出熱水，供二號風井廣場職工生活洗浴使用。其生產工藝如圖1所示。

圖1 低濃度瓦斯發電系統生產工藝Fig.1 Production process of low concentration gas power generation system

2.2 設備選型及測算

2.2.1 方案對比

目前，國內技術成熟、運行穩定可靠的中大功率瓦斯發電機組有500 kW、600 kW、700 kW等，部分廠家開發出1 000 kW和1 200 kW機型，但運行機組較少。根據市場運行情況和場地情況，選擇合適機型，對比分析見表1。

表1 700 kW瓦斯發電機組和1 000 kW瓦斯發電機組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

黃陵二號煤礦二號風井廣場有3套抽排系統，根據統計，1號系統年均瓦斯濃度為15%，2號系統4.39%，3號系統2.44%；將1號和2號系統抽排氣摻混后瓦斯濃度為9.98%，適合瓦斯燃氣內燃機組用氣要求。15年內瓦斯抽采量只增不減，保證了瓦斯電廠運行的連續性。根據2017年8月—2018年7月12個月(365 d)的統計數值，1號和2號抽排純瓦斯量為1 986萬Nm3，合2 267 Nm3/h。

2.2.3 設備選型

項目選用大功率國產瓦斯發電內燃機組，按照每方純瓦斯發電2.8 kWh計算，每小時可發電6 348 kWh，可安裝7臺1 000 kW燃氣機組或10臺700 kW燃氣機組。瓦斯排量最大月為2018年3月，1號、2號混合后瓦斯量合計2 716 Nm3/h，發電量為7 605 kWh，可安裝8臺1 000 kW燃氣機組或11臺700 kW燃氣機組。考慮未來瓦斯抽排量的增加，并結合現場用地緊張等情況，決定安裝8臺集裝箱式1 000 kW燃氣發電機組，年運行時間7 200 h，現有瓦斯氣量年發電量約4 570.3萬kWh。機組排煙溫度約550 ℃，利用高溫煙氣，每2臺機組配1臺蒸發量1.4 t/h的余熱鍋爐，鍋爐產生1.25 MPa的飽和蒸汽，4臺爐產汽量為5.6 t/h。全廠總裝機規模為81 000 kW瓦斯燃氣發電機組+41.4 t/h余熱鍋爐。在冬季，余熱鍋爐蒸汽和燃氣發電機組高溫缸套水的熱量為風井廣場建構筑物供暖[7-8]。項目建成后可減少瓦斯排放，降低環境污染，同時，瓦斯電廠所發電力供煤礦生產使用，余熱蒸汽和熱水免費供礦區采暖使用，原采暖鍋爐房停運，是變廢為寶、保護環境、利國利民的好項目。

3 實踐應用

3.1 設備布置

由于地處林區，建廠征地困難，只能采用二號風井廣場自用地，選用集裝箱式燃氣發電機組，在保證安全間距的情況下，最大可能地減少占地面積，廠區布置總平面圖如圖2所示。8臺集裝箱機組布置在綜合樓東南側的空地上；配電室布置在污水處理站南側的狹長空地上；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1 000 kW集裝箱式低濃度瓦斯發電機組按東、西兩列布置，兩列之間間距8.6 m，列間距內布置2根瓦斯輸送母管路和支氣管路及其附屬設施。集裝箱前后排之間間距2.5 m。集裝箱長12.5 m，寬3.2 m；集裝箱內有發電機組、板式換熱器、機旁柜；集裝箱頂部布置臥式風扇散熱器、排氣管路。

圖2 二號風井瓦斯發電廠廠區總平面Fig.2 General layout of gas power plant in No.2 air shaft

3.2 安全保護設施

煤礦瓦斯發電廠利用低濃度瓦斯作為發電燃料，瓦斯氣年混合甲烷濃度為9.98%。瓦斯濃度處于易爆區間，為防止發生爆炸事故，保證抽放站水環真空泵及礦井的安全生產運行，燃氣瓦斯不能送入儲氣罐儲存，抽排系統與瓦斯利用輸送系統只能直接連接，所以利用低濃度瓦斯發電最重要的環節是安全問題[9-10]。

3.2.1 瓦斯輸送系統

為了保證瓦斯輸送安全，保證燃氣發電機組正常運行，黃陵二號煤礦二號風井1號、2號、3號抽排系統，瓦斯氣經DN900瓦斯管線混合后，用2條DN500的瓦斯輸氣管線輸送到燃氣發電機組，DN500的瓦斯輸氣管線到發電機組接口之間采用帶自動噴粉抑爆裝置的輸送系統，將瓦斯氣供給8臺低濃度瓦斯發電機組。全部過程由計算機監控運行，并確保輸送系統壓力正常，實現安全放散。

3.2.2 進氣工藝簡要流程

主管路：抽排泵站放散管預留接口→水位自控式水封阻火泄爆裝置→濕式放散閥→絲網過濾器→干式阻火器→瓦斯自動阻爆裝置→自動噴粉抑爆裝置→水位自控式水封阻火泄爆裝置→機組進氣支管→阻火器→放散管。

機組進氣支管路：主管→氣水分離器→火焰傳感器→阻火器→調壓閥→電磁閥→瓦斯發電機組。

3.2.3 瓦斯輸送系統主要保護設施

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、雷達液位計、水位自動監控系統、工控機等部分組成，實現水封阻火罐水位的全自動監控。水位自控式水封阻火器泄壓閥開啟壓力為50 kPa。

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

瓦斯管道專用阻火器：瓦斯管道專用阻火器是為瓦斯發電的專用安全裝置，屬于干式阻火器中的一種。其阻火芯結構為不銹鋼波紋板式。其作用是阻止可能產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中所有設備(包括發動機組本身)和礦井的安全，防止因發動機氣缸的回火或其他部位可能產生的火花點燃瓦斯造成意外火焰向瓦斯管網蔓延，從而引起的爆炸災害。同時它應當具有盡可能小的氣體流動阻力，以便瓦斯能夠順利通過阻火器。

濕式放散閥：當系統用氣量突然減少時(如瓦斯發電機組突然停機或突然降低負荷)，為保證礦井水環真空泵的安全運行和整個輸送系統的壓力穩定，在輸送系統的輸氣主管道上設置濕式放散閥。當輸送系統管道壓力增高時，瓦斯便通過水溢出排空。放散壓力可通過改變放散閥內的水量或水面來調整或設定。通過液位變送器可以實現計算機遠程控制。瓦斯的排空是通過水而放散到空中的，因此該放散閥能夠將外部可能產生的火源與系統內瓦斯隔離，實現安全放散。

自動噴粉抑爆裝置：自動噴粉抑爆裝置技術原為軍用技術，后引入民用礦業領域，是針對煤炭行業低濃度瓦斯管道輸送專門設計開發的超高速主動抑爆設備，具有主動監測、高速啟動、自動抑爆等突出特點，能有效彌補被動隔爆方式的不足，消除或減少瓦斯爆炸事故造成的人員傷亡和財產損失。主要優點是電耗低、瓦斯含水量少、維護量小。

脫水器：通過脫水器將瓦斯中水分脫離。脫水采用旋風脫水器，設置在機組入口，防止游離態水進入機組保護機組安全。

3.3 設備運行情況

黃陵二號煤礦二號風井瓦斯發電項目于2020年元月開工建設，2020年7月23日并網發電運行，目前處于試運轉階段，機組各項指標正常良好，日發電量15萬kWh以上，日消耗純瓦斯53 571 Nm3，在發電過程中產生的余熱供二號風井廣場采暖及洗浴使用。預計年發電量4 570萬kWh，年消耗煤礦純瓦斯量1 632.2萬Nm3，年減排CO2的量25.85萬t，年可提供10.2萬GJ熱量供礦區采暖及洗浴使用。

4 結論

(1)瓦斯發電技術在黃陵二號煤礦二號風井的應用和實踐，年利用純瓦斯1.632 2×107Nm3，年發電量4.57×107kWh，年供熱量為1.02×105GJ，減少排放的CO2量約為25.85萬t。此項技術值得在黃陵二號煤礦其他風井乃至黃陵礦業公司其他高瓦斯礦井推廣和應用。

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

(3)利用瓦斯發電技術產生余熱可直接給風井廣場供應采暖蒸汽，燃氣機組高溫缸套水通過板換換熱后生成的熱水也可以作為風井廣場冬季采暖熱源，解決了風井廣場冬季采暖問題。