煤層氣發(fā)電技術(shù)在陽煤集團(tuán)的應(yīng)用

耿治國

（陽泉煤業(yè)〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司煤層氣發(fā)電分公司 山西 陽泉 045000）

煤層氣除少量的CO、N2、H2以外，主要成份是甲烷，又稱瓦斯，國際上慣稱CBG（Coalbed Gas）。煤層氣在煤層中有三種存在形式：游離態(tài)、吸附態(tài)和結(jié)合態(tài)。煤層氣在煤層中的主要存在形式即是以煤層中的平衡壓力使其附著煤層表面，即吸附態(tài)。煤礦礦井采煤時(shí)，這種氣體大量涌出，可使人窒息、也可燃燒。甲烷以5%至16%的比例與空氣混合時(shí)，會產(chǎn)生爆炸?？諝庵泻?%的甲烷時(shí)，爆炸最烈。瓦斯爆炸會使巷道坍塌，礦井毀壞。無論爆炸還是窒息，都會造成人員傷亡。煤層氣（瓦斯）是煤礦生產(chǎn)中的最主要安全隱患。一般都采取抽排放空措施，使燃?xì)赓Y源白白浪費(fèi)。甲烷對臭氧層的破壞力是CO2的6倍，溫室效應(yīng)是CO2的20余倍，煤層氣直接抽排放空對大氣污染嚴(yán)重；但煤層氣又屬于高熱值燃?xì)猓?m3純瓦斯的發(fā)熱量在35MJ以上，相當(dāng)于1～1.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量，用內(nèi)燃機(jī)設(shè)備可發(fā)電3kWh以上，其燃燒后主要產(chǎn)生CO2和H2O，是一種寶貴的潔凈能源。加強(qiáng)煤層氣的利用，符合安全生產(chǎn)、環(huán)保、增效的基本國策。

用于瓦斯發(fā)電的機(jī)組一般有兩種方式：燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組發(fā)電、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)機(jī)組發(fā)電。第一種方式效率較低，占地面積小，運(yùn)用費(fèi)用高，對運(yùn)行人員要求高。第二種方式技術(shù)成熟，效率高，運(yùn)行費(fèi)用低。做為全國500強(qiáng)之一的陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，果斷決策，從2006年就開始瓦斯發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目，積極引進(jìn)世界先進(jìn)的內(nèi)燃瓦斯發(fā)電機(jī)組來利用瓦斯，減少污染，提高安全、增加效益。引進(jìn)的機(jī)組品牌有德國MWM、美國卡特彼勒、奧地利顏巴赫，這三種品牌的機(jī)型均代表先進(jìn)的瓦斯發(fā)電技術(shù)，機(jī)組投運(yùn)后，為陽煤集團(tuán)瓦斯發(fā)電人才的儲備、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的積累奠定了基礎(chǔ)，目前機(jī)組運(yùn)行時(shí)間在36000小時(shí)左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于全國同類企業(yè)。

1 瓦斯發(fā)電機(jī)組原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 原理

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組采用的發(fā)動機(jī)基本上都是四沖程發(fā)動機(jī)。四沖程發(fā)動機(jī)的有如下四個(gè)工作過程：

進(jìn)氣行程 活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動，排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開。由于活塞的下行形成了一定的真空度，空氣和燃料從進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸，當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，停止進(jìn)氣。

壓縮行程 活塞從下止點(diǎn)往上止點(diǎn)運(yùn)動，此時(shí)進(jìn)、排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，氣缸內(nèi)的氣體被壓縮，當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，壓縮行程結(jié)束。

做功行程 壓縮行程末期，混合氣或被點(diǎn)燃或自燃，并在氣缸內(nèi)迅速膨脹，推動活塞下行，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

排氣行程 做功行程終了時(shí)，排氣門開啟，此時(shí)活塞由下止點(diǎn)往上止點(diǎn)運(yùn)動，將氣缸內(nèi)的廢氣排出缸外。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，發(fā)動機(jī)又開始了下一循環(huán)。

發(fā)動機(jī)如此周而復(fù)始地進(jìn)行下去，就能源源不斷地將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，可以為我們發(fā)電提供動力源。發(fā)動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，就完成了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化過程。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

（1）發(fā)動機(jī)兩大機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動零件。它由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組組成。在作功行程中，活塞承受燃?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)做直線運(yùn)動，通過連桿帶動曲軸轉(zhuǎn)換成以曲軸中心線為圓心以曲柄半徑為半徑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并向外輸出動力。而在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放的能量又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成活塞的直線運(yùn)動。

配氣機(jī)構(gòu)的功能是根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可燃混合氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)是由氣門組和氣門傳動組組成。

（2）發(fā)動機(jī)五大系統(tǒng)

燃料供給系統(tǒng)的功能是向內(nèi)燃機(jī)提供可以提供能量的燃?xì)夂涂諝?，在氣缸?nèi)做功。通常由瓦斯濾芯、空氣濾芯、瓦斯調(diào)壓單元、瓦斯空氣混合器、中冷器、節(jié)流閥、旁通閥等組成。

冷卻系統(tǒng)的功能是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動機(jī)在適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)通常由散熱器、風(fēng)扇、水泵、冷卻水套、三位閥等組成。而瓦斯發(fā)電機(jī)組的發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷大，冷卻系更復(fù)雜些，由高溫閉式循環(huán)和低溫閉式循環(huán)組成。

潤滑系統(tǒng)的功能是向相對運(yùn)動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實(shí)現(xiàn)液體磨擦，減少磨擦阻力，減輕機(jī)件的磨損，并對零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤滑分為飛濺潤滑和壓力潤滑，壓力潤滑系統(tǒng)是由潤滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成。

點(diǎn)火系統(tǒng)在以瓦斯為燃料的內(nèi)燃機(jī)中，氣缸內(nèi)的混合氣是由電火花點(diǎn)燃的，為此在發(fā)動機(jī)的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內(nèi)。點(diǎn)火系統(tǒng)的功用是定時(shí)在火花塞電極間產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃瓦斯混合氣。點(diǎn)火系統(tǒng)是由點(diǎn)火線圈、火花塞、點(diǎn)火控制模塊、電瓶、傳感器等構(gòu)成。

起動系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)的曲軸，使活塞做往復(fù)直線運(yùn)動，同時(shí)使氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒做功，推動活塞向下運(yùn)動使曲軸旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。它是由電瓶、起動繼電器、起動開關(guān)和起動機(jī)等構(gòu)成。

2 國外機(jī)組在國內(nèi)適應(yīng)性分析

由于國外研究燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組發(fā)電比我國早，在設(shè)備設(shè)計(jì)和制造方面與國內(nèi)機(jī)組對比還是具有一定優(yōu)勢，相同體積的機(jī)組發(fā)電能力以及發(fā)電效率方面指標(biāo)均優(yōu)于國內(nèi)機(jī)組，這是其與國內(nèi)同類型廠商競爭的優(yōu)勢。結(jié)合我公司5年的國外機(jī)組運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)感覺，由于其屬于進(jìn)口設(shè)備，在本土適應(yīng)性上來講存在一些不足，現(xiàn)列舉如下:

2.1 技術(shù)設(shè)計(jì)方面

從國外制造商角度來講其產(chǎn)品的制造研發(fā)人員不可能完完全全考慮到中國使用現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境因素，再加上東西方思考問題方式不同，就造成在設(shè)計(jì)思路上的中國本土化適應(yīng)性不足，如環(huán)境粉塵和溫度的防范等。

2.2 售后服務(wù)方面

（1）技術(shù)支持：目前國外發(fā)電機(jī)組廠家在中國采取的是代理模式，從商務(wù)合同有效性角度上來說，所有事情的協(xié)商解決用戶都是與代理商聯(lián)系而不直接聯(lián)系制造廠商，而代理商由于限制一般只具有現(xiàn)場服務(wù)工程師級別，現(xiàn)場出現(xiàn)問題后代理商技術(shù)人員到現(xiàn)場經(jīng)過檢查判斷，發(fā)現(xiàn)由于處理權(quán)限和能力處理不了，聯(lián)系制造廠商技術(shù)人員到現(xiàn)場后才能解決。此類問題無形中就會延長故障處理和機(jī)組停機(jī)時(shí)間，對用戶來說損失會增大。在這方面有兩點(diǎn)建議，一是需要代理商通過努力提升技術(shù)人員能力，使其達(dá)到國外工程師的水平；二是制造廠商直銷，建立用戶和原廠的合同約束關(guān)系。

（2）管理模式：由于瓦斯發(fā)電機(jī)組屬于連續(xù)運(yùn)行設(shè)備，做為運(yùn)營單位都有嚴(yán)格的生產(chǎn)指標(biāo)任務(wù)，出現(xiàn)停機(jī)故障后，一般需要加班連點(diǎn)進(jìn)行處理，若代理商技術(shù)人員無法解決此問題的話，聯(lián)系制造商技術(shù)人員涉及到簽證、人員加班、周六日工作等一系列問題，相比國內(nèi)廠家沒有故障處理的急迫感。

（3）備件儲備：進(jìn)口設(shè)備的備件等采購要經(jīng)過辦理合同、國外廠家發(fā)貨、海運(yùn)（空運(yùn)）、到港、辦理入關(guān)出關(guān)、到現(xiàn)場等多個(gè)環(huán)節(jié)，購置時(shí)間長；另外若備件價(jià)格高的話，代理商不會在國內(nèi)儲備。由于有上述兩個(gè)原因存在，一旦出現(xiàn)非常規(guī)故障的話，處理時(shí)間長停機(jī)損失大。如何在國內(nèi)進(jìn)行合理的備件儲備是廠商、代理商、用戶認(rèn)真考慮的問題。

3 陽煤集團(tuán)瓦斯發(fā)電前景

3.1 國際環(huán)境

瓦斯外排對大氣造成嚴(yán)重污染，在2012年結(jié)束前，根據(jù)“京都議定書”的要求，加入京都議定協(xié)議的發(fā)達(dá)國家有責(zé)任和義務(wù)進(jìn)行空氣污染減排，按照CDM（清潔能源發(fā)展機(jī)制）的管理規(guī)定，企業(yè)可將減少空氣污染排量的指標(biāo)按照市場價(jià)格賣給這些發(fā)達(dá)國家，以獲得企業(yè)的發(fā)展。最近幾年召開的世界氣候大會，如哥本哈根會議、德班會議等都對各個(gè)國家的空氣排放進(jìn)行了約束，節(jié)能減排工作勢在必行。

3.2 國內(nèi)環(huán)境

節(jié)能減排工作越來越得到國家關(guān)注，并且成為我國政府最近幾年的重點(diǎn)工作，出臺了鼓勵政策和嚴(yán)格的考核政策。2011年山西省委提出：加快城鄉(xiāng)生態(tài)化，著眼于建設(shè)綠化山西、氣化山西、凈化山西和健康山西，堅(jiān)持“綠色、低碳、潔凈、健康”的發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。要求企業(yè)和社會全員從各自角度組織，更是為山西煤炭企業(yè)對煤層氣綜合利用開發(fā)注入了動力。

3.3 內(nèi)部因素

（1）煤礦瓦斯資源豐富，可利用潛力巨大陽煤集團(tuán)從2007年開始實(shí)施“強(qiáng)煤強(qiáng)化、做強(qiáng)主業(yè)”的發(fā)展戰(zhàn)略，加快對外擴(kuò)張和中小煤礦聯(lián)營重組步伐，現(xiàn)擁有23個(gè)煤礦、10家化工企業(yè)。煤炭和化工產(chǎn)業(yè)橫跨晉冀魯3省12個(gè)地市，企業(yè)煤炭開采量的增加，勢必造成瓦斯產(chǎn)量的增加。

（2）集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)對瓦斯發(fā)電項(xiàng)目十分重視，決心做大做強(qiáng)，成為行業(yè)中的樣板工程。陽煤集團(tuán)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)成為國內(nèi)同行業(yè)運(yùn)行時(shí)間最長、有效利用小時(shí)最高、聯(lián)合國CDM核查次數(shù)最多通過率最高的項(xiàng)目。目前正在一期基礎(chǔ)上建設(shè)瓦斯發(fā)電二期項(xiàng)目，力爭使企業(yè)產(chǎn)能和效益提升到一個(gè)新的高度，使陽煤瓦斯發(fā)電行業(yè)化、規(guī)?；?/p>