郭來同
(山東勝動燃氣綜合利用有限責(zé)任公司,山東 東營257000)
瓦斯化學(xué)名稱為甲烷,是附著于煤炭中煤基質(zhì)顆粒表面或溶解于煤層水中的一類烴類氣體,無色無味且易燃易爆,在煤炭勘探、采集中容易造成事故。甲烷在空氣中的濃度達到5%~16%時,遇明火就會爆炸,這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。但合理利用瓦斯,可以將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能。我國大多數(shù)煤礦使用高負壓、大流量的抽采系統(tǒng)來抽采瓦斯。在政府的支持和扶持下,業(yè)內(nèi)專家學(xué)者對低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)進行了研究和改進,以探索低濃度瓦斯的利用途徑,減少資源浪費。
濃度在30%以下的瓦斯可以通過水環(huán)式抽采泵從地下煤層抽采出來,經(jīng)過安全性較強的輸送管道輸入發(fā)電機組缸體,一般應(yīng)用較多的是500GF1-3RW瓦斯發(fā)電機組,在發(fā)電機組缸體內(nèi)經(jīng)點燃爆炸來推動活塞運動,從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能并進一步產(chǎn)生電能,使低濃度瓦斯得到充分利用。而基于這樣的原理,一般的發(fā)電站或者發(fā)電系統(tǒng)主要由氣體輸送系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、高低壓電氣系統(tǒng)、水霧輸送系統(tǒng)和整個發(fā)電機組的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成,使用全電子控制技術(shù)來調(diào)控和監(jiān)測整個發(fā)電過程。
低濃度瓦斯發(fā)電在實際應(yīng)用中需要幾種核心技術(shù)來支撐整個發(fā)電過程的順利進行,如可靠性高的阻火技術(shù)、全電子控制技術(shù)、電控燃氣混合器技術(shù)、數(shù)字式點燃技術(shù)以及瓦斯與空氣混合增壓技術(shù)等。
在整個機組系統(tǒng)中,首先要保證運行和氣體傳輸?shù)陌踩?,因此需要設(shè)置安全可靠的阻火器,在發(fā)電站總進氣管、機組進氣總管、混合器前的燃氣管線、中冷器與增壓器之間及進氣管調(diào)速節(jié)氣門間都需分別安裝不同類型的阻火器。另外,在瓦斯輸送時不僅需要保證輸送管道不漏氣、不易燃,還需配置細水霧輸送裝置。安置數(shù)量由輸送管道長度和輸送瓦斯規(guī)模等多方面因素決定。電控燃氣混合器技術(shù),簡言之,就是通過電子控制技術(shù)來調(diào)節(jié)混合氣的混合比例和空燃比,而瓦斯與空氣混合增壓技術(shù)則是需要增壓器和中冷器來促進瓦斯空氣的混合效果和混合比例,提高發(fā)電機功率并降低產(chǎn)生的熱負荷。發(fā)電技術(shù)在不斷改善,目前點火技術(shù)上多用電控單元來根據(jù)實際情況調(diào)控點火時間、點火強度等,確保點火操作處于最佳的環(huán)境中。
2004年以來,勝利油田勝利動力機械集團(以下簡為勝動集團)研發(fā)成功的“煤礦瓦斯細水霧輸送及發(fā)電技術(shù)”使低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。新版《煤礦安全規(guī)程》對濃度在30%以下的瓦斯用于內(nèi)燃機發(fā)電作出了明確的規(guī)定:抽采的瓦斯?jié)舛鹊陀?0%時,不得作為燃氣直接燃燒;用于內(nèi)燃機發(fā)電或作其他用途時,瓦斯的利用、輸送必須按有關(guān)標準的規(guī)定,并制定安全技術(shù)措施。一般而言,500GF1-3RW低濃度瓦斯發(fā)電機組對瓦斯的基本要求如下:(1)瓦斯?jié)舛龋?%;(2)壓力(調(diào)壓閥前)不低于3kPa;(3)進氣溫度≤35℃。
低濃度煤礦瓦斯發(fā)電機組于2005年7月2日通過了國家安全總局組織的技術(shù)鑒定,2005年12月25日通過了國家安全總局組織的產(chǎn)品鑒定。沒有通過鑒定的機組由于安全不能得到保障及發(fā)電技術(shù)不過關(guān),不能應(yīng)用。通常而言,瓦斯發(fā)電的設(shè)計和改進需要解決2個主要問題:發(fā)電機組要適應(yīng)瓦斯?jié)舛群蛪毫ψ兓囊?、要保證發(fā)電過程和瓦斯抽采輸送過程的安全。
低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)經(jīng)研發(fā)和不斷創(chuàng)新之后在我國大部分煤礦中得到應(yīng)用,在其所有應(yīng)用形式中,燃氣內(nèi)燃機式發(fā)電最具優(yōu)勢,其他還有鍋爐與蒸汽輪機發(fā)電模式、燃氣輪機與蒸汽輪機發(fā)電組合模式。在使用瓦斯發(fā)電時,燃氣內(nèi)燃機式發(fā)電模式具有燃燒充分完全、排放有害氣體少、抗爆燃性能好、經(jīng)濟效益高和混合氣發(fā)火范圍廣等絕對性優(yōu)勢,它除了在勝動集團應(yīng)用外,還在全國得到了推廣,如東三省、河南、安徽、貴州和重慶等產(chǎn)煤大省。早在2009年,全國瓦斯發(fā)電裝機容量就超過了92萬kW。國家發(fā)改委在落實煤層氣發(fā)電上網(wǎng)加價政策之后,國內(nèi)相關(guān)企業(yè)煤層氣發(fā)電利用積極性高漲,因此煤層氣發(fā)電裝機規(guī)模也在逐年上升,技術(shù)研發(fā)和裝備制造水平不斷提高。
但低濃度瓦斯發(fā)電機組在使用中也會出現(xiàn)各種障礙和技術(shù)上的不足,如靖遠煤業(yè)的煤礦使用的是鍋爐與蒸汽輪機模式,因長期氣量不足而使設(shè)備發(fā)電效率相對較低,頻繁開關(guān)設(shè)備也加大了設(shè)備的損耗率和故障率,2007年之后,工作效率只在17%左右。同樣,燃氣內(nèi)燃機式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用也存在以上問題,并且機組在維修和保養(yǎng)上更復(fù)雜,也更容易出現(xiàn)問題。
為提高發(fā)電效率,在發(fā)電機組中可以布置循環(huán)式設(shè)備,以充分利用機組產(chǎn)生的熱量,且其占地面積小,損耗率降低。對發(fā)電機組的增壓室進行改進,如配合小噴流技術(shù)進行瓦斯預(yù)處理、采用二體增壓閥進行完全封閉提高增壓效果等。不同的瓦斯?jié)舛葧a(chǎn)生不同的發(fā)電效率,因此,通過摸索最優(yōu)的搭配得到適合的瓦斯?jié)舛瓤梢愿纳普w發(fā)電效率。
從2010年開始,國家安監(jiān)局頒布了煤礦用非金屬瓦斯輸送管材安全技術(shù)條件、瓦斯管道輸送自動阻爆裝置技術(shù)條件和細水霧混合安全輸送裝備技術(shù)規(guī)范等10項低濃度瓦斯輸送和利用標準,一方面規(guī)范煤礦安全生產(chǎn),另一方面也有助于學(xué)者進行這些方面的安全性技術(shù)研究。采取加強輸送管道的材料安全性、使用專門的漏氣監(jiān)測裝置、合理配置防火阻爆裝置等措施能使安全事故發(fā)生率大大降低。具體如安全設(shè)施安設(shè)段管道應(yīng)選用鋼管,其他輸送管道可選用非金屬管,輸送管道材料需進行防腐蝕、防漏氣、防砸壞、防靜電處理。對發(fā)電機房和配電室等地配置的照明裝置采用防爆燈具,設(shè)應(yīng)急照明,在變壓器上也要進行瓦斯、過流和速斷等保護。而瓦斯抽采泵房、輸氣站加壓機房和低濃度瓦斯管道系統(tǒng)中所選用的電氣設(shè)備、儀表均應(yīng)滿足礦用防爆要求。非防爆設(shè)備和儀表應(yīng)集中安設(shè)到專門的儀表間(或配電間),并采取相應(yīng)的隔離措施和消防措施。
目前低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)較成熟,發(fā)電機組運行功率一般為400~420kW,投資額約為8000~9500元/kW。在實際應(yīng)用中,各個煤礦的煤層規(guī)模、瓦斯?jié)舛群屯咚沽康惹闆r不同,需要不同功率和利用度高的機組來適應(yīng)不同情況??梢詮耐咚钩椴?、輸送和點燃利用全過程來降低瓦斯的損耗,提高可使用瓦斯的數(shù)量?;蛘呤褂弥悄芸刂萍夹g(shù)來對瓦斯添加混合進行精確控制,進而提高瓦斯氣體的利用率。對于通風(fēng)瓦斯,可以經(jīng)過增壓和濃度濃縮來進行利用,從國內(nèi)外相關(guān)研究成果和實踐經(jīng)驗中可知,通風(fēng)瓦斯主要有熱氧化、催化氧化和作為輔助燃料3種利用方式。在這3種利用方式中,熱氧化技術(shù)是已實現(xiàn)工業(yè)化運行、最為成熟的技術(shù)。
筆者從國內(nèi)相關(guān)理論研究和實際應(yīng)用中搜集低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的基本資料,并對其應(yīng)用情況和改進措施進行總結(jié)分析。各種改進措施都需要在保證瓦斯輸送和發(fā)電過程安全性的基礎(chǔ)上對發(fā)電技術(shù)進行更新和完善。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)能夠?qū)⒌蜐舛韧咚罐D(zhuǎn)化為可利用的電能,不僅可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益,更對促進煤礦安全生產(chǎn)、資源有效利用和環(huán)境保護有重大貢獻。
[1]王琳.低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的改進[J].煤礦機電,2008(1)
[2]傅國廷.低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用[J].煤,2009(11)