低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)在峻德煤礦的應(yīng)用

劉洪雨

摘 要：煤礦瓦斯是一種新型能源，主要成分是甲烷，儲(chǔ)量豐富，與天燃?xì)鈨?chǔ)量相當(dāng)。開(kāi)發(fā)利用瓦斯具有節(jié)能、環(huán)保、增效等重要意義。煤礦瓦斯發(fā)電具有極佳的市場(chǎng)前景，通過(guò)對(duì)峻德煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀的分析，對(duì)煤礦瓦斯發(fā)電設(shè)備進(jìn)行選型，闡述了低瓦斯發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)電技術(shù)安全性。為煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)的運(yùn)用提供技術(shù)支撐，促進(jìn)我國(guó)煤礦瓦斯發(fā)電事業(yè)的健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯 發(fā)電技術(shù) 能源

引言

煤礦瓦斯是儲(chǔ)藏在煤層里的以甲烷氣體為主要構(gòu)成物的非常規(guī)天然氣能源。它無(wú)色無(wú)味、易燃 易爆并且有較大的毒性，在煤炭資源開(kāi)采中會(huì) 自動(dòng)散發(fā)到礦井內(nèi)。特別是在其主要成分甲烷氣體占空氣體積的5%～16 %范圍時(shí)，遇到明火將引起爆炸的發(fā)生。正因如此在業(yè)界也把煤礦瓦斯稱之為安全殺手，但與此同時(shí)煤礦瓦斯以甲烷為主要成分，也可以作為一種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新型清潔能源被利用。當(dāng)前在全球資源日益匱乏的大環(huán)境下，合理地開(kāi)發(fā)和利用煤礦瓦斯具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井概況及瓦斯抽采現(xiàn)狀

峻德煤礦是東北地區(qū)最大的國(guó)有井工煤礦，全國(guó)瓦斯治理示范礦井，行業(yè)一級(jí)安全高效礦井。礦井位于黑龍江鶴崗煤田最南端，1981年11月26日投產(chǎn)，煤質(zhì)為氣煤和肥氣煤，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力煤，礦井生產(chǎn)能力300余萬(wàn)噸，綜合機(jī)械化開(kāi)采。已探明礦井剩余可采儲(chǔ)量共計(jì)5.3億噸，按目前開(kāi)采能力可采130年。該礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯剩余儲(chǔ)量約20億立方米，氣體儲(chǔ)量非常豐富。地面運(yùn)行兩套瓦斯抽采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井高、低濃度分源抽采，利用礦用坑道鉆機(jī)打穿層鉆孔技術(shù)，分別對(duì)二水平南一、二區(qū)及三水平的21#、22#、23#、27#、30#、33#可采煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。瓦斯抽采純量為2040萬(wàn) m3/a ，瓦斯平均濃度25%左右，屬于低濃度瓦斯。

2 機(jī)組選型

目前國(guó)內(nèi)瓦斯發(fā)電站普遍采用瓦斯內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，其中應(yīng)用較多的國(guó)產(chǎn)機(jī)組主要有勝動(dòng)集團(tuán)、濟(jì)柴動(dòng)力、無(wú)錫開(kāi)普等公司生產(chǎn)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，功率有1000KW、600KW和500KW三種容量機(jī)型。低濃度瓦斯發(fā)電必須解決兩個(gè)問(wèn)題：一是發(fā)電機(jī)組要適應(yīng)瓦斯?jié)舛群蛪毫Φ淖兓?；二是要有安全的瓦斯輸送系統(tǒng)，保證安全發(fā)電。由于峻德煤礦瓦斯氣體濃度相對(duì)不高，發(fā)熱量較低，適應(yīng)性差等特點(diǎn)，瓦斯平均濃度20%-25%，而勝動(dòng)機(jī)組設(shè)計(jì)為CH4≥9%即可發(fā)電，因此選擇8臺(tái)勝動(dòng)500GF1-3RW型低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組及其配套設(shè)施。

3 500GF1-3RW瓦斯發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)特點(diǎn)

3.1空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比閉環(huán)控制，對(duì)于低濃度瓦斯，設(shè)計(jì)大口徑瓦斯進(jìn)氣通道。瓦斯與空氣分別由電動(dòng)蝶門進(jìn)行控制。當(dāng)CH4的濃度變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控燃燒狀況，由中央控制單元發(fā)出指令，執(zhí)行器調(diào)整燃?xì)馔ǖ?，從而改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)混合比的目的，使發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比始終保持在理想狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

3.2 低壓進(jìn)氣技術(shù)

針對(duì)抽排瓦斯壓力低的特點(diǎn)，機(jī)組采用瓦斯與空氣先混合后增壓技術(shù)適應(yīng)煤礦瓦斯壓力低的特點(diǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)直接應(yīng)用煤礦抽排瓦斯發(fā)電的目的。瓦斯壓力到調(diào)壓閥前達(dá)到3kPa以上就可以達(dá)到使用條件，不需要增加加壓裝置，減少投資。

3.3 稀薄燃燒技術(shù)

通過(guò)合理匹配配氣系統(tǒng)，利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新概念燃燒室技術(shù)和缸溫控制技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，降低熱負(fù)荷，提高了機(jī)組對(duì)燃?xì)獾倪m應(yīng)性和機(jī)組的熱效率，其動(dòng)力性和可靠性大大提高。

3.4 防回火技術(shù)

針對(duì)低濃度瓦斯的特點(diǎn)，研制了金屬波紋帶瓦斯管道專用的阻火器，用于發(fā)動(dòng)機(jī)的三處阻火點(diǎn)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)回火。

3.5 數(shù)字點(diǎn)火技術(shù)

點(diǎn)火系統(tǒng)與美國(guó)ALTRONIC公司的產(chǎn)品配套使用，通過(guò)在世界范圍內(nèi)的使用證明：該系統(tǒng)具有較高的可靠性，尤其適用于大功率機(jī)組，保證燃?xì)馊紵浞?，機(jī)組可靠運(yùn)行。此點(diǎn)火系統(tǒng)尤其適合多缸機(jī)型，使每個(gè)氣缸都能在最佳狀態(tài)工作，發(fā)揮機(jī)器的最佳性能。

3.6電子調(diào)速技術(shù)

選用美國(guó)WOODWARD電調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是當(dāng)前世界最先進(jìn)的大功率調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)20多年燃?xì)鈾C(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外機(jī)組的使用驗(yàn)證，該調(diào)速系統(tǒng)的使用性能優(yōu)越，具有高穩(wěn)定性和反應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，適合多臺(tái)機(jī)組并車或并網(wǎng)時(shí)使用，可達(dá)到精確的速度控制，使機(jī)組調(diào)速率穩(wěn)定。

3.7 TEM（工控計(jì)算機(jī)）技術(shù)

利用TEM（工控計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)對(duì)瓦斯?jié)舛取l(fā)動(dòng)機(jī)缸溫、排溫、混合器轉(zhuǎn)角、監(jiān)控儀測(cè)量參數(shù)、電量參數(shù)進(jìn)行采集記錄與故障報(bào)警，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)混合器控制閥開(kāi)度，使機(jī)組始終處于最佳工作狀態(tài)。進(jìn)氣總管裝甲烷傳感器，符合煤礦防爆要求。TEM系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的需要實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的安全性

500GF1-3RW瓦斯發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)充分體現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)原則，充分考慮瓦斯氣體的易燃、易爆性，尤其低濃度瓦斯。機(jī)組本身具有多種安全保護(hù)裝置：

短路保護(hù)：利用主回路低壓斷路器的延時(shí)脫扣器做短路保護(hù)電器，動(dòng)作電流整定8-10倍額定電流。

過(guò)電流保護(hù)：利用機(jī)組上的過(guò)流繼電器檢測(cè)過(guò)流信號(hào)，按照發(fā)電機(jī)額定電流的1.25倍整定。

欠壓保護(hù)：在主回路低壓斷路器裝設(shè)失壓脫扣器，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于50%—60%額定電壓時(shí)，使主斷路器分閘。

逆功率保護(hù)：采用反時(shí)限逆功率保護(hù)機(jī)組，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)發(fā)生5%-15%額定功率的逆功率時(shí)，10s內(nèi)逆功率保護(hù)裝置使主斷路器分閘。

發(fā)電機(jī)熱保護(hù)：定子溫度超過(guò)145℃，發(fā)出聲光預(yù)告報(bào)警信號(hào)，超過(guò)155℃使主斷路器分閘。

TEM保護(hù)系統(tǒng)：交流電流表、電壓表、功率表、功率因數(shù)表、頻率表、電能表、轉(zhuǎn)速表、運(yùn)行時(shí)間累計(jì)表及相應(yīng)配套的電流互感器、電壓互感器、測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；燃?xì)鈾C(jī)的進(jìn)口氣壓、水溫及排煙溫度、油溫、機(jī)油壓力、缸溫、同期測(cè)量?jī)x表及同期控制設(shè)備、運(yùn)行狀態(tài)預(yù)告、故障報(bào)警信號(hào)、水溫、油溫過(guò)高報(bào)警。

發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信號(hào)：潤(rùn)滑油壓過(guò)低、超轉(zhuǎn)速故障報(bào)警并停車。

5 排氣余熱利用

利用循環(huán)泵將礦區(qū)自來(lái)水經(jīng)軟化處理送至鍋爐，利用瓦斯發(fā)電機(jī)組排放的尾氣進(jìn)行加熱，可以生成1.0MPa、120℃的飽和蒸汽，再通過(guò)管道送入熱交換器轉(zhuǎn)換成60℃的熱水后，供峻德職工浴池洗澡和更衣室烘干用水。煙道式余熱鍋爐，單機(jī)額定出力為0.4t/h，總出力為8×0.4t/h，可節(jié)約供蒸汽氣量3.2t/h。

6 經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益：

1.發(fā)電機(jī)組每年發(fā)電2040萬(wàn)KWh，所發(fā)電量全部供礦區(qū)內(nèi)部使用，每年為我礦節(jié)約電費(fèi)1264萬(wàn)元。余熱利用4400GJ，節(jié)約煤炭720噸，加上人工費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)等每年可節(jié)省資金300萬(wàn)元；

2.實(shí)現(xiàn)了能源的綜合利用及公司的可持續(xù)發(fā)展；

3.減少溫室氣體排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境

7 結(jié)論

煤礦瓦斯發(fā)電在一定程度上改善能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“以利用促抽采、以抽采保安全”的煤礦良性循環(huán)發(fā)展；在抽放站附近建立瓦斯發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)“就地發(fā)電，就地使用，多余上網(wǎng)”的模式 ，緩解區(qū)域性電力短缺，提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)效益。具有安全、環(huán)保、節(jié)能的顯著特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都十分顯著。

參考文獻(xiàn) ：

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