丁佐進，張煒瑋，孫寰勇

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090;2.中機國能電力工程有限公司設(shè)計事業(yè)部，上海 200061)

瓦斯是與煤炭共生的優(yōu)質(zhì)潔凈能源，其主要成分是CH4，但它又是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的21倍.國際清潔能源組織要求各國盡可能地減少瓦斯向大氣中的排放.瓦斯發(fā)電技術(shù)作為新能源發(fā)電技術(shù)[1，2]，將煤礦未能利用的瓦斯燃燒轉(zhuǎn)化成電能.

瓦斯發(fā)電技術(shù)都是采用小型發(fā)電機組，常用的有燃氣輪機機組和內(nèi)燃機發(fā)電機組.它采用小型燃氣能源轉(zhuǎn)換裝置和煙氣回?zé)峒夹g(shù)，在提高燃氣燃燒效率的同時，降低各環(huán)節(jié)的能源損耗，從而實現(xiàn)能源利用效能的最優(yōu)化[3-6].瓦斯熱電聯(lián)產(chǎn)是分布式能源的一種典型應(yīng)用，將用戶的電力、采暖、供熱等多種需求整合在一起，進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，將發(fā)電后的余熱用于采暖或余熱發(fā)電，再將采暖后或余熱發(fā)電后的余熱用于解決熱水的供應(yīng)，這不僅緩解了電力的緊張，也合理利用了燃氣資源，又降低了瓦斯氣對空氣的污染.目前，瓦斯發(fā)電技術(shù)不斷地發(fā)展，著力于降低發(fā)電成本，增強發(fā)電的穩(wěn)定性，從而可使瓦斯發(fā)電能夠更高效、穩(wěn)定地運行.

1 瓦斯特性及其發(fā)電技術(shù)

1.1 瓦斯特性

煤礦瓦斯是指儲集在煤層中的一種非常規(guī)天然氣體，是在煤礦采煤過程中散發(fā)出來的一種有害氣體，無色、無味、易燃、易爆.它的主要成分是甲烷，當(dāng)空氣中甲烷的濃度達到5% ～15%時，遇明火就極易發(fā)生爆炸.瓦斯是煤礦的“安全殺手”，但同時瓦斯也是一種具有較高利用價值的潔凈能源.

我國煤層氣資源豐富，居世界第3位，每年在采煤的同時排放1.3×1010m3以上的瓦斯，約折合標準煤1.6×107t.過去除了少部分用于當(dāng)?shù)毓┡?，瓦斯沒有其他的利用途徑，未能得到充分利用，抽放出的瓦斯絕大部分排入大氣，不但造成資源的浪費，還造成了大氣污染[7，8].

1.2 瓦斯氣開采的3種發(fā)電利用方式

1.2.1 燃氣輪機瓦斯發(fā)電

通過直接在煤層上鉆孔開采出的瓦斯氣，含有的甲烷濃度高達90%以上，與天然氣相似，危險系數(shù)相對較低.此類瓦斯氣可以加壓罐裝運輸，也可以遠距離管道輸送，因此多用于民用燃料(如天然氣汽車)和化工原料等.這類高濃度的瓦斯發(fā)電技術(shù)較容易控制，發(fā)電技術(shù)相對穩(wěn)定，一般采用燃氣輪機發(fā)電.然而由于這類高濃度瓦斯相當(dāng)寶貴，氣源也相對緊張.針對節(jié)能減排的瓦斯發(fā)電技術(shù)而言，這僅是瓦斯發(fā)電發(fā)展的最初階段.

1.2.2 內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電

通過煤礦井下瓦斯抽放系統(tǒng)和地面輸送系統(tǒng)開采瓦斯.這類瓦斯一般是煤礦開采時的附屬氣體，其瓦斯?jié)舛茸兓^大，約在3% ～80%之間，氣體流量也不穩(wěn)定.這類瓦斯是在煤礦采煤過程中通過負壓風(fēng)機抽取到地面的，當(dāng)瓦斯?jié)舛容^低而接近于瓦斯的爆炸濃度范圍(5% ～15%)時，遇明火則容易爆炸.為了安全起見，這類瓦斯的利用需根據(jù)其濃度大小來確定.在關(guān)于瓦斯氣的調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)有些煤礦把濃度大于40%的高瓦斯無償供給當(dāng)?shù)鼐用袷褂没螯c燃排空，而濃度低于40%的瓦斯就直接排空或點燃排放.這類瓦斯的利用率較低，但卻有很高的發(fā)電利用價值，因此現(xiàn)階段大多是針對此類瓦斯的發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)，是最可行的節(jié)能減排的瓦斯發(fā)電技術(shù).

目前，這類瓦斯發(fā)電技術(shù)只能把大于30%濃度的瓦斯用來發(fā)電.由于瓦斯爆炸濃度范圍的上限隨著瓦斯壓力的提高而升高，為了安全起見，煤礦抽放瓦斯發(fā)電常用燃氣內(nèi)燃機發(fā)電工藝(要求供氣壓力不高于0.05 MPa，爆炸濃度范圍上限大于15%)，而采用燃氣輪機發(fā)電工藝(要求供氣壓力大于0.7 MPa，爆炸濃度范圍上限大于30%).

燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組通過將空氣和瓦斯的混合氣體加壓，電子點火爆燃做功，推動活塞移動，曲軸轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機發(fā)電[9，10].典型的抽放瓦斯燃氣內(nèi)燃機發(fā)電工藝流程見圖1.

圖1 抽放瓦斯內(nèi)燃機發(fā)電簡單工藝流程

1.2.3 乏風(fēng)瓦斯發(fā)電

典型的乏風(fēng)瓦斯發(fā)電工藝流程見圖2.

圖2 乏風(fēng)瓦斯發(fā)電簡單工藝流程

在煤炭開采過程中，為了保證礦工呼吸到新鮮空氣，必須向井下壓送潔凈空氣，而從井下通風(fēng)排出來的廢氣則稱為乏風(fēng)，其中含有微量的瓦斯，甲烷濃度一般低于1%，這部分瓦斯也會造成能源的浪費和對大氣環(huán)境的污染.

煤礦乏風(fēng)瓦斯發(fā)電是將瓦斯(甲烷)濃度大于0.2%的乏風(fēng)送入氧化器進行無焰燃燒，通過瓦斯燃燒的能量來穩(wěn)定燃燒過程，達到銷毀瓦斯的目的，同時可以利用換熱器吸收燃燒過程的余熱來制取蒸汽或熱水.蒸汽可以帶動汽輪機進行發(fā)電，熱水可以供熱或制冷[11].

2 我國瓦斯發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀80年代，美國、英國和澳大利亞等國家就開始利用瓦斯發(fā)電.最初的瓦斯發(fā)電都采用燃氣輪機發(fā)電，由于燃氣輪機一般都要對瓦斯進行壓力提升，而瓦斯氣體在高溫加壓的情況下會提高爆炸上限，即此時低濃度瓦斯容易著火爆炸.因此，燃氣輪機發(fā)電一般要求瓦斯?jié)舛容^高(一般40%以上)，當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兊蜁r，就停止發(fā)電運行.另外，瓦斯?jié)舛冉档褪箟嚎s設(shè)備的壓縮量增大，從而使功耗增加，經(jīng)濟效率降低.我國的瓦斯發(fā)電起步較晚，第一座煤層氣發(fā)電示范項目——遼寧撫順礦務(wù)局的老虎臺電站——采用的是燃氣輪機發(fā)電，其瓦斯?jié)舛嚷源笥?0%.晉城礦務(wù)局的寺河煤礦最初采用的是2臺2 000 kW的燃氣輪機機組，其瓦斯?jié)舛葹?5% ～65%.由于燃氣輪機機組不能適應(yīng)濃度稍低的瓦斯，因此限制了瓦斯發(fā)電的利用[12-18].

然而內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電機組的出現(xiàn)，使甲烷濃度高于30%的瓦斯得到充分的利用.目前一些國外品牌的內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電機組企業(yè)已進入中國市場，其中美國的卡特比勒、奧地利的顏巴赫和德國的道依茨都是在我國運作成功的品牌企業(yè).國內(nèi)也有不少企業(yè)成功研發(fā)了內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電機組，并且在一些煤礦得到廣泛應(yīng)用.山西的晉城五里廟煤礦建成了國內(nèi)第一個內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電項目，采用山東勝動集團的400 kW內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電機組，其機組適應(yīng)的瓦斯?jié)舛仍?0%以上.另外，現(xiàn)行使用內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電機組的國內(nèi)企業(yè)還有江蘇啟東寶駒、濟南柴油機廠、淄博柴油機廠等[19-22].

隨著國家對新能源開發(fā)支持的力度越來越大，很多企業(yè)也逐漸注重瓦斯發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，目前的內(nèi)燃機發(fā)電機組對瓦斯?jié)舛鹊倪m應(yīng)性也越來越好，機組單機容量越來越大，自動化程度越來越高，瓦斯發(fā)電技術(shù)日臻成熟，對瓦斯發(fā)電電站的管理也日益完善，使瓦斯資源能夠得到更充分的利用.

從山西的調(diào)研情況看，瓦斯發(fā)電從最初的低效率、自動化水平低、個體經(jīng)營的小容量牛棚電站逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝?、自動化程度高、大發(fā)電企業(yè)主導(dǎo)的大規(guī)模大容量瓦斯電站.

3 內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電存在的問題及技術(shù)難點可以歸納為氣源品質(zhì)處理和進入發(fā)電機前瓦斯氣的濃度、氣量的控制[23-25].

3.1 瓦斯氣的品質(zhì)處理

目前用來發(fā)電的瓦斯大多數(shù)都是煤礦為了安全生產(chǎn)而從井下抽放的瓦斯氣，這些瓦斯氣的品質(zhì)決定著瓦斯發(fā)電機組的運行情況，因此在瓦斯氣進入內(nèi)燃機之前要對其進行一系列的處理，以滿足發(fā)電機對氣體的運行要求，具體包括以下4種處理方式.

(1)降低瓦斯氣含水量 從井下抽放出來的瓦斯氣都含有大量水蒸氣，必須對瓦斯氣進行脫水除濕，以降低瓦斯氣中的水分含量.目前多采用冷凝排水來降低水分.

(2)去除瓦斯氣中的雜質(zhì) 抽放出來的瓦斯氣會摻雜著粉塵及其他有害氣體.采用過濾器除去粉塵，并根據(jù)氣體的物理性質(zhì)采用冷凝氣體析出有害氣體.

(3)調(diào)節(jié)瓦斯氣的壓力 其穩(wěn)壓過程一般有兩個階段.一是礦井抽放瓦斯氣階段.由于井下各方面條件的制約，從礦井抽出的瓦斯氣體的壓力和濃度都在不斷地變化，甚至出現(xiàn)較大的變化.此時不能直接把瓦斯氣送入發(fā)電機組，而是先把瓦斯氣送入儲氣柜，而這個儲氣柜對抽放到地面的瓦斯氣起著穩(wěn)壓緩沖的作用.二是瓦斯氣進入發(fā)電機組階段.內(nèi)燃機發(fā)電機組要求進入的瓦斯氣必須滿足特定的壓力條件.為此應(yīng)采用變頻羅茨風(fēng)機，根據(jù)壓力的具體要求來調(diào)節(jié)氣體的穩(wěn)定壓力.

(4)控制瓦斯氣進入發(fā)電機前的溫度 內(nèi)燃機發(fā)電機組嚴格要求瓦斯氣的進氣溫度，由于外界的溫度也能影響到管道內(nèi)瓦斯氣的溫度，因此需要根據(jù)季節(jié)及外界氣溫的變化而對瓦斯氣的溫度進行測量和調(diào)節(jié)控制.一般瓦斯氣體溫度都高于進氣溫度，因此要求裝有降溫裝置，在夏天氣溫較高時，投入裝置;其他季節(jié)可根據(jù)當(dāng)?shù)販囟惹闆r，切除降溫裝置[26-29].

3.2 進入發(fā)電機前瓦斯氣的濃度和氣量的控制

瓦斯氣的濃度和氣量表現(xiàn)為瓦斯氣的熱值，即內(nèi)能.根據(jù)能量守恒定律，其發(fā)熱量的大小決定著燃氣機組的發(fā)電量，即其濃度和氣量的大小直接影響到發(fā)電機組的運行狀態(tài).由于抽放瓦斯?jié)舛炔粩嘧兓?，無法從某一濃度計算發(fā)熱量，因此將瓦斯氣發(fā)熱量折合成純瓦斯來進行計算.

根據(jù)經(jīng)驗，1 m3純瓦斯氣大約可以發(fā)出3～3.5 kWh電能.

如果在正常發(fā)電運行過程中，瓦斯?jié)舛鹊慕档突蛘咄咚箽饬髁康臏p少，即瓦斯氣發(fā)熱量的減少，會導(dǎo)致發(fā)電機組轉(zhuǎn)速降低，從而導(dǎo)致發(fā)出電能的頻率降低.當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档突驓饬繙p少到一定程度，可能會引起內(nèi)燃機的失速，從而造成停機，甚至發(fā)生事故.如果瓦斯?jié)舛鹊纳呋蛘咄咚箽饬髁康脑龃?，即瓦斯氣發(fā)熱量增加，會使發(fā)電機組轉(zhuǎn)速增加，發(fā)出電能的頻率升高.同時，氣量和濃度的增大還會降低瓦斯氣的燃燒效率，造成能源不必要的浪費.因此，瓦斯氣濃度和流量的合理配合控制是內(nèi)燃機瓦斯發(fā)電技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，也是瓦斯發(fā)電技術(shù)中的難點.盡管許多瓦斯預(yù)處理企業(yè)對濃度和氣量的控制進行重點開發(fā)研究，如通過對瓦斯氣參數(shù)的有效測量，通過DCS的控制平臺及線性的控制策略，可對瓦斯氣量和濃度小范圍的變化進行有效調(diào)節(jié)和控制[30].瓦斯氣的濃度和流量具體控制如下:

(1)瓦斯氣的濃度控制 要求進氣瓦斯?jié)舛炔坏陀?0%，為了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性，需嚴格控制瓦斯的濃度;

(2)瓦斯氣的流量控制 瓦斯發(fā)電機組對瓦斯進氣壓力和燃氣量都有嚴格的控制，瓦斯氣的流量控制可保證內(nèi)燃機的穩(wěn)定運行.

3.3 內(nèi)燃機發(fā)電機組的運行策略

燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組單機機組容量較小，目前投入使用的常見單機機組容量有500 kW，2 000 kW，4 000 kW.在大型的瓦斯電站中，需要多臺這樣的機組同時運行.由于井下抽放的瓦斯氣量隨季節(jié)溫度的變化而變化，當(dāng)氣量充足時，發(fā)電機組可以全部投入滿負荷運行;當(dāng)氣量不足時，是停運其中的幾臺發(fā)電機還是對每臺發(fā)電機降負荷運行以確保機組更有效率地運行，這就涉及發(fā)電機機組的運行策略.當(dāng)然，考慮到各臺機組的經(jīng)濟運行，根據(jù)具體條件，采用適當(dāng)?shù)乃惴?，尋求最?jīng)濟的運行模式.

4 內(nèi)燃機燃氣蒸汽-熱電聯(lián)產(chǎn)

山西某瓦斯電站采用單機容量為2 000 kW的美國卡特彼勒G3520C型機組.該電站工程示例流程見圖3.

圖3 內(nèi)燃機燃氣蒸汽-熱電聯(lián)產(chǎn)流程

在該電站中，每15臺內(nèi)燃機發(fā)電機組為一個發(fā)電單元，每個發(fā)電單元配置一臺容量為3 000 kW的汽輪機發(fā)電機組，作為余熱發(fā)電.煤礦抽放站利用水循環(huán)真空泵從井下抽出瓦斯，在通過儲氣柜簡單的過濾穩(wěn)壓后，儲氣柜出來的瓦斯氣進入瓦斯預(yù)處理站，瓦斯氣在預(yù)處理站中經(jīng)過脫水、除濕、除塵、精過濾，以及氣體濃度和壓力的控制等一系列處理并滿足發(fā)電機組的進氣要求后，瓦斯氣進入內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電.內(nèi)燃機排放的尾氣溫度大約為500℃，通過3×6 t/h的余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，供給額定容量為3 000 kW的汽輪機發(fā)電或給當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和居民供熱.此外，內(nèi)燃機產(chǎn)生的缸套水也可給當(dāng)?shù)赜脩艄┡?內(nèi)燃機機組和汽輪機出口電壓為10.5 kV，發(fā)出的電能通過升壓站升至220 kV后并入電網(wǎng).

這種燃氣蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電模式對能源的利用效率極高，能夠較好實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，是當(dāng)前大力推廣應(yīng)用的瓦斯利用發(fā)電模式.

5 結(jié)語

我國瓦斯發(fā)電技術(shù)處于發(fā)展的初級階段，盡管目前濃度高于30%的瓦斯發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在高瓦斯地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，但是由于瓦斯氣量和濃度不穩(wěn)定等客觀因素，瓦斯發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性仍然受到電力行業(yè)人士的質(zhì)疑.而且濃度低于30%的瓦斯發(fā)電技術(shù)還不成熟，在全球節(jié)能減排的形勢下，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都在不停地研發(fā)和探索，尋求更合理、更經(jīng)濟的發(fā)電技術(shù)，以盡可能的把各濃度的瓦斯利用起來，造福于人類.

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