高濃度煤層氣發電低濃度適應性技術研究

［摘 要］煤層氣內燃發電機組作為我國清潔能源體系的重要組成部分，為國家經濟發展和人民生活提供了巨大的能源支持。然而，我國作為能源供應大國，在發展的過程中其能源消耗大和利用率低等問題也日益凸顯，亟需采取措施來實現能源的高效利用。文章分析了高濃度煤層氣內燃發電機組系統，并提出了針對性的提高煤層氣利用率和增加發電量的對策，以促進高濃度煤層氣內燃發電機組的可持續利用。

［關鍵詞］煤層氣；發電機組；低濃度；對策

［中圖分類號］TM619 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0025–03

1 煤層氣內燃發電機系統概述

煤層氣也稱煤礦瓦斯，是煤礦井安全生產的重大危險所在，所以煤礦企業要生產，必須按照安全操作規程要求先抽采瓦斯后開采，抽采的煤層氣一直以來都是直接對大氣排放。煤層氣的主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷及丁烷，此外一般還含有H2S（一種僅次于氟利昂的溫室氣體，能破壞大氣的臭氧層，其溫室效應是CO2 的21 倍，嚴重破壞人類的生存環境）。同時，煤層氣也是燃燒值與天然氣相當的清潔能源，用煤層氣發電并充分利用其余熱，通過以用促抽、以抽促采，可降低煤礦企業煤層氣災害事故。煤層氣開發利用有著良好的經濟效益和環境效益。

煤層氣內燃發電機是一種高效、可靠的發電設備。煤層氣內燃發電機組的主要組成部分包括內燃機、發電機及煤層氣供應系統，一般工藝流程為：瓦斯升壓→混氣→預處理系統→瓦斯→發電機組→余熱發電機組。內燃機采用火花塞點燃煤層氣和空氣的混合物，產生爆炸推動活塞運動，通過連桿將動力傳遞到發電機。發電機將機械能轉化為電能，通過輸出電纜輸送到負載或電網。煤層氣供應系統包括煤層氣儲配系統、調壓裝置及供氣管道，負責提供適宜壓力的煤層氣到內燃機。

煤層氣內燃機發電機具有高效、可靠、環保等優勢。其發電效率通常在30%～40%，相比其他類型的發電機具有更高的能效。同時，其結構簡單、維護方便、成本低廉，使其在許多場景下成為一種優選的發電方式。此外，煤層氣內燃發電機在燃燒過程中產生的污染物較少，對環境影響較小。煤層氣內燃發電機適用于各種需要發電或供暖的場景，特別是在缺乏電力供應、需要移動便攜式發電設備或需要較高能效的場景下。例如，其在工廠、商場、酒店、農村等場所得到廣泛應用，為各種設備提供電力和熱力。此外，在災害救援、野外作業、車載電源等領域，煤層氣內燃機發電機也具有重要應用價值。

2 開發現狀和發展趨勢

目前，煤層氣內燃發電機組分為高濃機組和低濃機組兩種類型。隨著礦區煤炭的不斷開采，高濃度煤層氣量逐年減少。同時，由于居民用氣量增加，且隨著煤改氣等設備設施的大量投入，導致高濃度（30%以上濃度）煤層氣量逐漸緊缺。隨著高濃氣源的緊缺，現有的高濃度內燃發電機組負荷水平逐年下降，煤層氣利用率和發電效率也隨之下降。機組的啟動及運行穩定性受到了很大沖擊，煤層氣濃度在25% 左右時，負載只能達到65%，發電效率低下，運行的穩定性、經濟性下降。在這種現狀下，有必要開展燃氣發電機組低濃度適應性技術研究。這既能提高發電機組負荷水平，也可利用現有的設備，充分高效利用低濃度煤層氣，承擔企業節能減排的責任。

隨著高濃度能源的逐步緊缺，高濃度機組利用低濃度煤層氣進行發電，是今后煤層氣發電行業的大勢所趨。國內外對高濃度煤層氣內燃機組在低濃度環境下的運行開展了研究，并取得了階段性成果。

3 高濃度煤層氣發電機組低濃度適應性的項目研究

3.1 項目目標

本項目的目標是，在某煤層氣發電公司現有的4臺顏巴赫620 系列高濃度燃氣發電機組基本結構、輔助設備、上游供氣方式等不作改變的情況下，通過對進氣系統、控制系統及點火系統的開發研究，提升預燃壓縮系統的安全性能，使得煤層氣濃度在25% 左右時，機組能夠正常啟動，并且負載達到80% 左右穩定運行。

3.2 研究內容

本項目的研究內容是，顏巴赫620 系列高濃度燃氣發電機組的空燃比調節、點火控制系統開發、進氣系統的研究，以及預燃壓縮系統的研究。

3.3 本項目的關鍵技術解決方案

（1）對燃氣發電機組文丘里混合器進行核算，重新研究開發調節范圍更廣的文丘里空燃比調節器，使得空燃比的配氣范圍增大，當煤層氣濃度下降到25%及以下時，文丘里混合器仍能有效調整。通過信息化實現發動機空燃比閉環控制，對于低濃度煤層氣，研究設計口徑較大的煤層氣進氣通道，煤層氣與空氣分別由電動裝置進行控制。當煤層氣的濃度變化時，發電機組自動實時監控傳感燃燒工況，由控制單元發出指令，執行器調整燃氣通道的大小，從而改變燃氣進氣量，達到自動調節空燃比的目的，使發電機組空燃比始終保持在理想狀態，整個過程自動實現。

（2）根據煤層氣濃度，重新計算核定點火系統點火提前角和凸輪夾角等數據，優化閉環控制模式點火提前角的控制方法，使發動機始終處于最佳點火工作狀態。保證在低濃度情況下，合理的點火時刻控制和爆燃控制，缸內的壓縮、點火沖程更加高效，燃料能量更加充分釋放。

（3）重新設計曲軸箱呼吸器，研究曲軸箱油氣的最佳解決方案，通過提高曲軸箱油氣的凈化程度，保證中冷器的潔凈度，從而保證混合氣的進氣暢通。將原有壓風機與機組曲軸箱的呼吸器進行連接，通過壓風機的吸力將曲軸箱底部的氣體抽出，氣體內含有空氣、少量的瓦斯氣、水氣及油氣，壓風機抽出的氣體通過簡單的過濾將氣體帶出的潤滑油進行過濾，通過放油口進行回收，通過回油閥再次回到曲軸箱底殼內參與機組的潤滑，剩余的氣體排空。壓風機前端加1個吸風閥，用來調節油底殼壓力，即能保證潤滑不外滲，又能減少曲軸箱底殼內瓦斯氣聚集，使機組能夠安全穩定運行。

（4）提高渦輪增壓器的增壓壓力，保證進氣管路的高效運行。采取定期保養維修渦輪增壓器、增加渦輪增壓器旁通閥等方法，從而增加單位時間內的混合氣進氣量，使得煤層氣濃度下降時，缸內燃料也能充分燃燒。

（5）加裝安全的煤層氣輸送系統。低濃度、處于爆炸極限內的瓦斯在進入機組前的過程中不允許設置儲氣罐及羅茨風機等，而高濃度煤層氣在輸送過程中可不設計瓦斯安全輸送系統。所以需要增加1 套煤層氣安全輸送系統（包括霧化水系統、水封阻火器、安全閥等）。低濃度煤層氣發電流程如下：抽放泵站→電動調壓閥→水封阻火器→濕式放散器→絲網過濾器→液壓快關閥→水霧輸送系統→水封阻火器→燃氣重力汽水分離氣→冷凍脫水器→手動進氣閥→干式阻火器→瓦斯發電機組。

（6）為提高低濃度煤層氣的清潔度，可在霧化水系統基礎上增加過濾系統，對發動機進氣系統的前端管路加裝過濾系統，對煤層氣及空氣中的有害雜質進行清除，以避免進氣不純而導致燃燒不良使發電機組缸溫高或磨損。

（7）為改進煤層氣利用系統，提高低濃煤層氣的采集利用率，可采用高效的管道和泄漏檢測裝置，防止瓦斯泄漏。研究采用多級火箭發生器等設備將低濃度煤層氣進行濃縮，以提高瓦斯濃度，提高燃燒效率。

（8）設置加裝1 套合理的混合裝置及儲氣設備，由于瓦斯礦的抽放濃度不同，用于瓦斯發電之前必須將濃度不同的瓦斯氣體按一定比例進行均勻混合且無分層現象，使之達到一個相對平衡、穩定的熱值，之后在儲氣柜進行穩壓存儲。

表1 為某電站改造前后因不同原因導致的停機次數對比。

改造后，煤層氣濃度在25% 左右時，機組能正常啟動，負載在80% 左右安全穩定運行。

3.4 項目實施的風險及主要對策

（1）風險：燃氣發動機組無法啟動。措施：增加預燃壓縮系統燃氣濃度，必要時更換高能量火花塞。

（2）風險：瓦斯濃度下降時，燃氣發動機組負載不穩定。措施：修改機組控制程序及相關參數，適當降低負載高限設置。

（3）機械和電氣安全風險。措施：項目實施過程中，嚴格按照電力系統兩票三制制度、煤層氣管理相關制度進行現場安全管理，將現場安全風險降到最低。

（4）預燃壓縮系統安全風險。措施：通過系統加裝壓力、溫度及超限泄壓等安全裝置，將預燃壓縮系統安全風險控制到最低。

3.5 實施場地與技術基礎條件

上述煤層氣發電公司擁有國外三大品牌曼海姆、顏巴赫、卡特彼勒機組，同時還擁有國內濟柴、勝動兩大品牌機組，公司發電工藝涵蓋了高濃度、低濃度兩種工藝。且其產業結構完備，工藝系統齊全，是開展燃氣發電機組低濃度適應性研發和試驗的最佳場地。同時，該公司各種操作、檢修等工作已經形成標準化、制度化、流程化，各種配套設施和配套工藝齊全，滿足研發條件。

在燃氣發電機組低濃度適應性研究方面，該公司有深厚的產學基礎。由于日常運行中，煤層氣濃度、壓力等參數存在波動，在長期的實踐中，操作人員已熟知低濃度下如何調整機組參數，公司有完備的低濃度下機組穩定運行的的處置方案。且該公司和機組制造商、服務商等保持長期的技術合作關系，并和國內大型煤層氣發電兄弟單位保持長期的交流和溝通機制，在行業內的產學基礎優勢明顯。

本項目完成后，有效解決了煤層氣發電行業內，高濃度燃氣機組在低濃度環境下穩定運行的技術難題，特別是打破了進口煤層氣發電設備控制系統的技術壟斷，實現了技術本土化。本項目完成后，公司4臺顏巴赫620 系列高濃度燃氣發電機組由65% 負荷提升至80%，年發電量增加1350 萬kW · h。

4 結束語

綜上所述，煤層氣發電作為我國清潔能源體系的重要組成部分，必須提高煤層氣利用率，降低能源消耗和污染物排放。通過對煤層氣發電機組空燃比調節、點火控制系統開發等措施，優化煤層氣發電工藝，可以提高煤層氣發電的經濟性和環境效益，促進煤礦煤層氣等天然氣資源的有效利用，實現可持續發展，為我國能源安全和環境保護作出貢獻。

參考文獻

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