煤層氣發電增容改造項目可行性研究

摘 要：伴隨著煤礦高效生產，大量煤層瓦斯隨著井下抽放和礦井通風直接或間接排放到空氣中，煤層瓦斯排放不僅浪費了潔凈能源，而且也對環境造成了嚴重的不良影響。煤層瓦斯發電提高了礦井的瓦斯利用率，對煤礦實現安全發展、清潔發展、節約發展和促進區域能源可持續發展都具有重要意義，同時具有減緩短期氣候升溫速度的氣候效益、協同控制空氣污染的環境效益，還具有良好的經濟效益。鑒于此，通過對某煤層氣發電增容改造進行系統分析，提出了一些可行性對策，以提高煤層瓦斯的利用率，達到可持續發展的目的。

關鍵詞：煤層氣；發電；增容；改造

中圖分類號：TD712+.67" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0073-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.017

1" " 項目概述

本研究項目隸屬某集團下屬煤層氣發電公司，是礦井瓦斯綜合利用項目，該公司位于某集團甲瓦斯抽采站南側，煤層氣發電氣源主要來自甲抽放站。一期工程安裝4×3 044 kW顏巴赫JGS620瓦斯發電機組，二期工程安裝4×4 000 kW曼海TCG2032V16瓦斯發電機組，以上瓦斯發電機組均使用濃度≥25%的高濃瓦斯氣。

目前，甲瓦斯抽采站提供的煤層高濃瓦斯氣源不足，抽采出的煤層瓦斯氣以濃度10%左右的低濃瓦斯為主，現有的煤層高濃瓦斯發電機組無法利用。電站面臨減產、停產的同時，還造成了煤層瓦斯氣排空浪費[1]。為提高煤層氣發電公司對低濃煤層瓦斯這一清潔能源的利用率，減少煤層瓦斯對空排放造成的大氣環境污染，擬對煤層氣發電公司的增容改造，即在原有電站場地內新建4臺1 500 kW低濃煤層瓦斯機組的可行性進行研究。煤層氣發電公司主要利用礦井高、低濃煤層瓦斯，采用不同處理方式進行能量轉換，最終將發電機發出的電送入電網，主要支撐某集團公司內部電網。另外，煤層氣發電公司承擔著所在工業園區的供熱任務。

1.1" " 項目建設的必要性

煤炭是我國的主要能源，2023年約占中國一次能源消費結構的55.3%，發電用煤占煤炭消費的50%以上。受經濟發展水平的影響和自然條件的制約，煤炭行業一直是我國的高危險行業，而瓦斯抽采是確保煤礦安全生產必不可少的環節。2020年全國煤礦共發生事故122起，死亡225人。其中，煤礦瓦斯事故7起，死亡30人，與2019年相比分別下降74.1%和74.6%。

近年來，煤炭產量略有增長，但瓦斯事故大幅下降，最主要的原因是強力推進瓦斯“零超限”和煤層“零突出”目標管理、瓦斯超前治理和專項監管監察。我國所有正常生產建設煤礦全部實現了安全監控系統升級聯網、在線監測；且法規標準不斷完善，不具備瓦斯防治能力的煤礦加快淘汰退出，強化“瓦斯超限就是事故”理念等也為瓦斯治理奠定了良好基礎。

習近平主席在第75屆聯合國大會一般性辯論大會上發表重要講話，提出中國力爭在2030年前實現二氧化碳排放達峰，力爭在2060年前實現碳中和，這是中國協同應對全球氣候變化，推動構建人類命運共同體的莊嚴承諾，體現了大國擔當。

2016年11月24日，國家能源局發布的《煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十三五”規劃》中明確要求，2020年煤礦瓦斯抽采140億m3，利用率達50%以上。利用礦井煤層氣發電，符合我國環保政策和資源綜合利用政策的要求。

該煤層氣發電公司所利用的抽采站所在煤礦屬煤與高瓦斯礦井，煤層氣地質儲量豐富，必須抓住機遇，將煤層氣作為新能源加以開發利用，以創造更好的經濟效益和環境效益。多年來，集團公司合理規劃煤層氣瓦斯發電產業，本著“吃干榨盡”的原則，實施“煤礦瓦斯跟隨戰略”，發展綠色經濟、變廢為寶，產生了較好的經濟利益、社會利益和環保利益。伴隨著煤礦高效生產，大量煤層瓦斯隨著井下抽放和礦井通風直接或間接排放到空氣中，不僅浪費了潔凈能源，而且成為影響全球氣候變暖的重要因素之一。因此，減少煤礦瓦斯排放是集團公司實現碳達峰目標和碳中和愿景的重要途徑之一。

煤層瓦斯發電提高了礦井的瓦斯利用率，對煤礦實現安全發展、清潔發展、節約發展和促進區域能源可持續發展都具有重要意義，同時具有減緩短期氣候升溫速度的氣候效益、協同控制空氣污染的環境效益，還具有良好的經濟效益。能夠減少網上用電的瓦斯發電項目建設，對于礦井的供電節約起著重大作用，既可保證礦井部分系統電力供給，又可減少網上用電，降低企業成本。

目前，煤層氣發電公司安裝的煤層瓦斯發電機組均為高濃機組。一期工程發電機組設計濃度大于30%正常啟動，二期工程發電機組設計濃度大于25%正常啟動，濃度大于30%穩定運行，對于濃度為10%左右的低濃瓦斯無法利用。為提高低濃煤層瓦斯利用率，本期工程研究1 500 kW低濃煤層瓦斯機組，其是近年來市場上新推出的機型，具有發電效率高、故障率低的特點，可以有效彌補因高濃煤層瓦斯氣源不足造成的瓦斯氣浪費和發電產能損失。

1.2" " 技術研究的主要原則

本項目的宗旨是新建4臺1 500 kW低濃煤層瓦斯機組，以充分利用瓦斯抽采站抽出的瓦斯氣進行發電，利用發電機組尾氣并入原有余熱利用系統。各系統的研究要符合國家相關的政策及標準、法令、法規。煤層瓦斯發電項目的建設規模應與可利用煤層瓦斯抽放量相匹配，采用技術先進、成熟的生產工藝，以達到節約能源、減少排放、改善環境質量、節約用地的目的。煤層瓦斯發電項目的布置應充分利用現有場地，最大限度地減少挖方與填方。發電機組尾氣排放要滿足相關環保要求。辦公、生活福利盡可能利用現有設施，生產環節自動化、智能化。

2" " 瓦斯氣源及供應方式分析

2.1" " 瓦斯儲量和抽采情況

該集團6個礦13對礦井中，除1對為瓦斯突出礦井外，其余全部為超級瓦斯礦井。煤層最大含氣量為21.7 m3/t（煤），平均17.2 m3/t（煤）。在煤炭生產過程中有大量煤層氣涌出，最大涌出量達781.36 m3/min。

煤層氣發電公司所在煤礦目前有采區4個，分別為甲采區、乙采區、丙采區、丁采區；回采工作面6個。甲抽放站所帶兩個工作面正常生產，混合濃度10%左右的煤層瓦斯放空；乙抽放站所帶一個工作面拆架中，濃度45%左右，乙儲配站利用，一個工作面末采，濃度9%左右，某乏風發電廠利用；丙抽放站所帶兩個工作面均已末采，混合濃度8%左右，其他利用。

由以上資料可知，該煤礦煤層瓦斯氣量充足。

2.2" " 氣源情況

煤層氣發電公司的氣源主要來自甲抽采站。高濃煤層瓦斯氣源由甲抽采站通過兩條DN600的輸氣管路直接輸送至儲配站儲氣柜，甲抽采站25%的瓦斯抽采量大約130 m3/min（純量）。目前甲抽采站抽采的兩個工作面正常生產，煤層瓦斯濃度維持在10%以上，最高達到15%?；鞖饬科骄S持在360 m3/min，純量維持在45 m3/min。目前低濃度瓦斯直接排放，沒有有效利用。

甲抽采站今后能提供的低濃度煤層瓦斯氣源純量為30 m3/min左右，持續時間大概2年，然后氣源濃度會逐步提高，今后較長時間內抽采的瓦斯濃度將會形成連續2年較低，之后1年較高的情況。

2.3" " 瓦斯供應方式

根據已頒布的GB 40881—2021《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》規定，在可能有火源點附近的管路上應設置安全保障設施。當瓦斯濃度大于3%而小于30%時，發電機組內為火源點，進入發電機組前，必須設置泄爆、阻爆、抑爆三種不同原理的阻火防爆裝置。甲抽采站放散管為可能火源點，故在甲抽放站放散管后的氣源接口管道設置水封阻火泄爆和抑爆裝置。甲抽采站系統放散管后安裝有三防系統，瓦斯氣源接口接自甲抽采站三防系統后，因此只考慮進入發電機組前的阻火防爆裝置。

根據本項目的具體情況，抑爆擬采用自動噴粉抑爆裝置?？紤]本項目在煤層瓦斯輸送管道上設置如下安全設施：阻火泄爆裝置——采用水封阻火泄爆裝置；抑爆裝置——采用自動噴粉抑爆裝置（自動噴粉抑爆裝置采用七氯丙烷類型）；阻爆裝置——采用自動阻爆裝置。

本項目低濃煤層瓦斯安全輸送工藝流程為：抽采站瓦斯利用管→電動蝶閥→防逆流裝置→干式阻火器→均壓放散裝置→自動阻爆裝置→自動噴粉抑爆裝置→水封阻火泄爆裝置→脫水器→干式阻火器→瓦斯發電機組[2]。

2.4" " 輸送壓力核定

瓦斯輸送管道長度約為150 m，瓦斯發電機組入口一般需要3 kPa的供氣壓力，甲抽采站提供的壓力在10.5～11.5 kPa，能保證機組的穩定運行。抽放站的背壓可以滿足瓦斯輸送系統的要求。

為了便于檢查、維護，瓦斯管道敷設方式采用架空敷設，并設有一定坡度，可保證瓦斯管道內水能自然回流到水封泄爆裝置內。

2.5" " 輸送管徑選擇

本項目為低濃煤層瓦斯發電工程，利用的瓦斯一般為濃度10%以上的低濃瓦斯。考慮到抽采站后期可提供高濃瓦斯氣源，為盡可能利用瓦斯氣資源，考慮將2種濃度的瓦斯摻混使用，摻混后濃度低于30%。設一套瓦斯摻混系統，瓦斯配氣及輸送工藝流程擬定如圖1所示。

本項目為4×1 500 kW機組，按最不利的機組30%發電效率核定，單臺機組最大耗氣純量為496 m3/h，瓦斯濃度按10%最不利考慮的混合量為4 964 Nm3/h。根據GB 51134—2015《煤礦瓦斯發電工程設計規范》中的規定，瓦斯輸送管道的設計流速不宜超過15 m/s，按此計算瓦斯輸送管徑為DN800，最大輸送氣量為27 000 Nm3/h，最大可滿足5×1 500 kW機組的用氣要求。

3" " 裝機規模及方案

3.1" " 裝機容量

由氣源分析可知，本項目可利用低濃度瓦斯純氣量為30～45 m3/min。根據計算，現有高濃機組用氣量為117 m3/min?？鄢F有機組用氣量還有剩余，考慮將剩余的高、低濃瓦斯摻混使用。裝機規模與可利用的氣量平衡如表1所示。

由表1可知，按發電效率30%計算，未來可建設的規模為5.44～7.67 MW。

3.2" " 機組選型及裝機方案

由于今后若干年抽采的瓦斯既有濃度10%～30%的低濃瓦斯，也有30%以上的高濃瓦斯，在機組選型上要求適應性更強。不同的瓦斯機組耐受不同，高濃機組不能接受低濃氣體發電，低濃機組可以接受高、低濃發電，低濃機組發電效率略低于高濃機組。為適應以后抽放瓦斯濃度的變化，機組選型按能耐受高、低濃瓦斯的低濃機組配置。市場上低濃度瓦斯發電機組主要有三類：國產機組、進口機組、引進機組。三種機組優缺點比較如表2所示。

由表2可知，進口機組價格高，備品備件價格高，但單機功率、年運行小時數大；引進機組維修費用適中、發電效率較高、氮氧化物排放適中，尾氣脫硝成本低，且設備價格適中。國產機組根據廠家不同差別較大，有的發電效率低、排煙溫度高、氮氧化物排放濃度高、年運行小時數少。但個別廠家技術較為先進，不論從單機容量還是發電效率看，均與引進機組在同一水平，故可采用技術較為先進的國產1 500 kW低濃瓦斯發電機組。

根據氣源條件，可先安裝4臺1 500 kW低濃瓦斯發電機組，總裝機容量達6 MW?？紤]到未來瓦斯抽采氣量增長和波動并存的可能性，預留1臺機組安裝場地，瓦斯輸配系統按滿足5臺1 500 kW低濃瓦斯機組考慮。

4" " 電力系統電網現狀

4.1" " 電力系統

集團公司現有一座礦井110 kV中心變電所，所內設3臺50 MVA主變，運行方式2用1備。兩回110 kV電源線引自省電網中陽長220 kV變電所，導線型號均為LGJ-240，總長約18.55 km。

集團內現有生產礦井6對，各生產礦井均建有35 kV變電所，礦井變電所電源線均引自礦井中心變電所。其中煤層氣發電公司位于甲抽放站所在礦地區，該礦建有35 kV變電所，電源線經35 kV站與礦井中心變電所相連。

4.2" " 電力負荷情況

根據實際情況，礦井年用電量約為13 601×104 kW·h，本次煤層氣發電低濃瓦斯發電項目擬安裝4×1.5 MW低濃瓦斯發電機組，發電量為3 600×104 kW·h，扣除廠用電外（廠用電率按6%），尚余電力3 384×104 kW·h供礦區使用。

本項目所發電力能全部在集團內部消納。集團利用自身優勢條件建設煤層瓦斯發電，不僅生態環境得到改善，而且資源利用效率顯著提高，既有利于環境保護又提供了電力能源，還緩解了礦區用電緊張狀況。

4.3" " 電廠接入系統

煤層氣發電公司一期工程已安裝4×3 044 kW高濃瓦斯發電機組、4×4 000 kW高濃瓦斯發電機組和1臺3 000 kW汽輪機，發電機出口電壓均為6.3 kV，發電機組經主變升壓后經2回35 kV聯絡線接入集團內網變電所35 kV母線并網。本期工程擬安裝4臺1 500 kW瓦斯發電機組，出口電壓均為6.3 kV。本期發電機組擬采用35 kV電壓接入電站一期35 kV母線，經一期工程聯絡線接入系統。

集團內網35 kV變電所給煤層氣發電公司的兩回間隔的刀開關為400 A，為滿足該開關的容量要求，煤層氣發電公司總供電容量不得超過38 MW。最終接入系統由其設計確定。

4.4" " 廠址條件

本工程的廠址位于煤層氣發電公司預留現有場地內，充分利用主廠房與氣體預處理車間之間場地進行建設。所在地對外公路、鐵路交通運輸均較為便利，給煤層氣發電分公司增容改造項目建設期間的大型設備和材料運輸提供了便利條件。

煤層氣發電公司用水引自甲抽放站區給水管網。項目場地已建有完善的生產、消防用水設施，故本項目期用水可直接使用原有供水設施。

本項目為煤層氣發電公司增容改造項目，為了能充分利用煤層氣發電公司的生產設施及生活福利設施能力，擬把煤層氣發電公司預留場地作為本期工程的廠址，選擇是合理、經濟、可行的。

5" " 結束語

本項目采用低濃瓦斯發電機組對未利用的低濃瓦斯進行利用，提高了瓦斯利用率，增加了瓦斯發電量，符合國家鼓勵資源綜合利用政策及環保要求。綜上所述，本項目低濃瓦斯發電能有效減少目前未利用的低濃瓦斯直排對環境的污染，確保煤礦安全生產，是集節約能源、資源綜合利用及環境保護于一體的環保工程，該項目具有良好的環境效益和社會效益[3]。

[參考文獻]

[1] 羅申國，宋沛鑫，馮大偉.我國煤層氣開發利用現狀及綜合利用途徑分析[J].煤炭加工與綜合利用，2020（7）：83-87.

[2] 梁福貴.關于低濃度煤層氣發電機組技術及其運用分析[J].數碼世界，2019（10）：280.

[3] 馮金山.煤層氣（瓦斯）發電技術與節能減排分析[J].數字通信世界，2018（5）：85.

收稿日期：2024-03-18

作者簡介：郭子文（1984—），男，甘肅天水人，機電工程師，研究方向：熱力機械工程和電氣工程等。