杜新宇 王效民 李 彬

（焦作煤業(yè)集團(tuán)供電分公司，河南省焦作市，454000）

淺析煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)和進(jìn)氣系統(tǒng)工藝流程改造

杜新宇 王效民 李 彬

（焦作煤業(yè)集團(tuán)供電分公司，河南省焦作市，454000）

介紹了煤礦低濃度瓦斯發(fā)電的工藝流程、低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)及發(fā)電技術(shù)。通過調(diào)研及技術(shù)交流，對安裝和試運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行了工藝創(chuàng)新改造。

瓦斯發(fā)電 水霧輸送系統(tǒng) 進(jìn)氣系統(tǒng) 循環(huán)水系統(tǒng) 焦作煤業(yè)集團(tuán)

AbstractProcess flow of power generation using low concentration methane gas of coal mines and conveying system ＆power generation technology of gas－water mist of low concentration have been introduced.Process renovation and upgrading have been carried out on the unreasonable steps through field investigations and technical exchanges aiming at the problems arising from the installation and commissioning.

Key wordsgas power generation，conveying system of water system，gas suppy system，water circulation system.

1 概述

為了充分利用能源，又不破壞環(huán)境，近年來我國加大了對瓦斯發(fā)電技術(shù)的研究。瓦斯發(fā)電技術(shù)就是把煤礦井下瓦斯氣體抽上送入內(nèi)燃機(jī)氣缸中，經(jīng)吸氣、壓縮、作功、排氣4個(gè)沖程來推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電的過程。而低濃度瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的成功在一定程度上改善了能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)以利用促抽采、以抽采促安全的煤礦良性循環(huán)發(fā)展。

2006年以前，焦煤集團(tuán)煤礦含瓦斯豐富，每年可抽放純瓦斯量約4000萬m3，但只有400萬m3濃度高于25%的瓦斯被送入到煤氣公司供居民使用，其余低濃度瓦斯被排放到大氣中，既浪費(fèi)了大量潔凈能源，又污染了環(huán)境。

2006年7月，焦作煤業(yè)集團(tuán)公司對瓦斯發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行考察立項(xiàng)，2006年11月，瓦斯發(fā)電工程開始動(dòng)工、設(shè)備安裝。經(jīng)過幾年運(yùn)行，積累了豐富的瓦斯發(fā)電技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。通過調(diào)研、技術(shù)交流等措施對工藝流程不合理的地方進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，取得了很好的效果。

2 煤礦低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)及發(fā)電技術(shù)介紹

2.1 煤礦低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)介紹

低濃度瓦斯水霧輸送是利用水位自控式水封阻火器、瓦斯管道專用阻火器及瓦斯與細(xì)水霧混合輸送等，實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯安全輸送供給瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電。進(jìn)氣工藝：抽放泵站→水位自控式水封阻火器→瓦斯管道專用阻火器→低溫濕式放散閥→防爆電動(dòng)碟閥→水霧輸送系統(tǒng)→溢流脫水水封阻火器→自動(dòng)放散閥→旋風(fēng)重力脫水器→發(fā)電機(jī)組。進(jìn)氣系統(tǒng)工藝見圖1。

在低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)把礦井瓦斯抽放站的瓦斯氣體送入始端水位自控式水封阻火器的過程中，通過雷達(dá)監(jiān)控水面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水和放水，保持水位不變，提高瓦斯輸送系統(tǒng)的安全可靠性能。水位自控式水封阻火器后面接瓦斯管道專用阻火器，安全阻火速度可以達(dá)到1210m／s，可有效阻火，從根本上保證了系統(tǒng)的安全可靠性。在瓦斯管道專用阻火器后面安裝低溫濕式放散閥，當(dāng)管道內(nèi)瓦斯壓力超過設(shè)定值時(shí)放散閥可自動(dòng)打開。在濕式放散閥后面安裝防爆電動(dòng)蝶閥，在防爆電動(dòng)蝶閥后面安裝水霧發(fā)生器。在溢流脫水水封阻火器后安裝自動(dòng)放散裝置，通過防爆電動(dòng)閘閥控制放散，調(diào)整壓力擾動(dòng)。每臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組配套一組旋風(fēng)、重力脫水裝置，脫水后的瓦斯經(jīng)手動(dòng)蝶閥和瓦斯專用阻火器后供發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

立式多級離心泵將霧化水池的水加壓后，利用給水管輸送到水霧發(fā)生器中，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)水霧與瓦斯混合輸送，沿程的凝水大部分匯集到細(xì)水霧輸送系統(tǒng)末端的溢流式水封阻火器內(nèi)，通過水封阻火器溢水管回流到霧化水池內(nèi)。低濃度瓦斯在進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前通過旋風(fēng)、重力脫水裝置脫出的水回流到霧化水池內(nèi)。從而實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)的水循環(huán)使用。

圖1 進(jìn)氣工藝

2.2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工作原理介紹

瓦斯氣體送入發(fā)電機(jī)組的內(nèi)燃機(jī)氣缸中，經(jīng)吸氣、壓縮、作功、排氣4個(gè)沖程，發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次，主軸連接發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)兩圈，產(chǎn)生電能。完成了化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，再把機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過機(jī)油冷卻和潤滑。機(jī)油在機(jī)組自帶的換熱器中循環(huán)，與外循環(huán)冷卻水進(jìn)行換熱。熱水經(jīng)逆流式玻璃鋼冷卻塔冷卻，從而保證機(jī)組長期可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 進(jìn)氣系統(tǒng)工藝流程創(chuàng)新改造

煤礦低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)在試運(yùn)行期間就暴露出很多問題，通過對淮南礦業(yè)集團(tuán)、平頂山煤業(yè)集團(tuán)的調(diào)研，以及與勝動(dòng)集團(tuán)等相關(guān)單位的技術(shù)交流，提出了幾項(xiàng)工藝改造，并達(dá)到預(yù)期的效果。

（1）把低溫濕式放散閥的位置調(diào)整在防爆電動(dòng)碟閥之前，以防止因發(fā)動(dòng)機(jī)故障跳閘自動(dòng)關(guān)閉防爆電動(dòng)碟閥、使運(yùn)行人員不能及時(shí)打開礦抽放站排空閥門放散瓦斯氣體、造成抽放泵的憋氣故障的發(fā)生。

（2）瓦斯輸送鋼管長期在氣水混合物腐蝕下產(chǎn)生少量的氧化鐵渣，經(jīng)常堵塞瓦斯專用阻火器 （瓦斯專用阻火器主要是基于火焰通過狹窄通道時(shí)熄滅現(xiàn)象研究設(shè)計(jì)的。它是很薄鋼板卷制成圓形，每層圓板之間形成狹縫，火焰面內(nèi)靠近狹縫冷壁處，火焰熱量流向冷壁邊界，形成熄火層熄滅），阻礙瓦斯流通，使得燃?xì)鈾C(jī)組不能正常滿負(fù)荷出力。設(shè)計(jì)原理和材質(zhì)決定了它體積大、重量沉、拆卸清洗困難的缺點(diǎn)。焦作煤業(yè)集團(tuán)公司前期建設(shè)的古漢山瓦斯電站和位村瓦斯電站均存在這種問題，為了維修方便，經(jīng)過調(diào)研、分析后，對其進(jìn)行了改進(jìn)，在瓦斯管道專用阻火器前后安裝通用波紋膨脹節(jié)，使得清洗瓦斯氣管道中干式阻火器變的非常方便。在實(shí)踐的過程中，又對輸送管道的材質(zhì)采用新型耐用磨損、防腐蝕復(fù)合材質(zhì)管道代替鋼制管道，大大減少了清理干式阻火器的次數(shù)，節(jié)省管道防腐處理費(fèi)用，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）在霧化泵吸水管中設(shè)計(jì)一Y型粗過濾器，把出口管的Y型過濾器換成C型細(xì)過濾器，用雙重過濾器來清除雜質(zhì)，避免雜質(zhì)堵塞水霧輸送系統(tǒng)內(nèi)高壓水噴嘴器，使得低濃度瓦斯氣體徹底霧化，保證安全輸送。

（4）每臺(tái)機(jī)組的旋風(fēng)、重力脫水器排出水都混合有少量瓦斯。在旋風(fēng)、重力脫水器排水管與主回水總管之間加設(shè)隔離球閥，防止重力脫水器檢修時(shí)，霧化水池中的部分殘留瓦斯沿著主回水管倒灌流入檢修的重力脫水器中泄露。

（5）在瓦斯管道末端設(shè)計(jì)小型自動(dòng)調(diào)壓放散閥。當(dāng)瓦斯氣體壓力突變時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開小型自動(dòng)調(diào)壓放散閥，排放部分瓦斯，使壓力維持在一定小范圍波動(dòng)，減小了系統(tǒng)擾動(dòng)，同時(shí)也解決了瓦斯壓力突變引起的緊急停機(jī)故障。現(xiàn)場施工盡量縮短益流式水封阻火器與瓦斯泵房的距離，避免低濃度瓦斯非水霧化輸送的危險(xiǎn)。

4 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程創(chuàng)新改造

在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)水泵泵前吸水管中安裝Y型過濾器和閘閥，濾除水池雜物，使得冷卻水暢通無阻，快速降低發(fā)電機(jī)組缸溫，提高泵的效率。循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖見圖2。水池上加蓋金屬網(wǎng)，防止秋季樹葉落入池中堵塞泵而發(fā)生故障。清洗Y型過濾器時(shí)關(guān)閉DN150閘閥，防止水池水泄露。在吸水泵出口管道安裝旋體式逆止閥，防止停泵時(shí)水重錘效應(yīng)產(chǎn)生的壓力損壞葉輪。為了方便拆卸循環(huán)水泵，在泵體兩頭安裝普通伸縮節(jié)。抬高循環(huán)水池標(biāo)高，讓水位高于循環(huán)水泵體，冷卻水自動(dòng)灌入泵中，免去啟泵前注水程序。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖

5 投資回報(bào)分析

以古漢山瓦斯站為例計(jì)算投資回報(bào)期。

古漢山瓦斯發(fā)電站有3發(fā)電機(jī)組，兩開一備用。單機(jī)額定功率500kW，連續(xù)運(yùn)行功率為400 kW?？紤]瓦斯?jié)舛茸兓途峦咚构艿罊z修，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)按2臺(tái)380kW連續(xù)運(yùn)行，全年運(yùn)行時(shí)間按7200h進(jìn)行核算。則每年可發(fā)電量為380kW×2臺(tái)×7200h＝547.2萬kWh；站綜合廠用電率按2.5%計(jì)算則為547.2萬kWh×2.5%＝13.7萬kWh；上網(wǎng)電量547.2－13.7＝533.5萬kWh。按照內(nèi)部上網(wǎng)價(jià)格每度0.36元計(jì)算，電費(fèi)收入為533.5萬kWh×0.36元／kWh≈192萬元；總成本費(fèi)按27%計(jì)算是192×27%＝51.8萬元；利潤為192－51.8＝140.2萬元；財(cái)政補(bǔ)助：減排純瓦斯200萬m3×0.2元／m3＝40萬元。工程項(xiàng)目最低造價(jià)估計(jì)530萬元，投資回報(bào)期為530÷（140.2＋40）＝2.9年。

可見，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，3年內(nèi)可以收回成本。

近年來，隨著瓦斯發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，焦作煤業(yè)集團(tuán)先后建立了7座瓦斯發(fā)電站。目前焦煤集團(tuán)每年可以減少CO2排放量約20萬t，節(jié)能減排效果非常驚人，從而取得了很好的社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體零排放的目標(biāo)。

（責(zé)任編輯 張艷華）

Brief analysis of process renovation of power generation technology using methane gas of coal mines and its gas supply system

Du Xinyu，Wang Xiaomin，Li Bin
（Power Supply Branch，Jiaozhuo Coal Industry Group，Jiaozhuo，Henan province 454000，China）

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杜新宇（1973－），男，工程師，1996年畢業(yè)于西北輕工業(yè)學(xué)院電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)?，F(xiàn)在從事煤礦瓦斯發(fā)電管理工作。