礦井地面瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

李日成

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）新產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

引言

為確保礦井煤炭回采安全，降低采面瓦斯涌出量并避免煤與瓦斯突出等安全事故的發(fā)生，瓦斯礦井一般需要對煤層進(jìn)行預(yù)抽[1-2]。抽采系統(tǒng)中大量的高濃度瓦斯若直接排放不僅會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且污染礦區(qū)環(huán)境。瓦斯發(fā)電是實(shí)現(xiàn)瓦斯高效利用的重要途徑之一[3-4]。現(xiàn)階段瓦斯發(fā)電多通過內(nèi)燃機(jī)串聯(lián)異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)目的是平衡燃燒室金屬結(jié)構(gòu)溫度，避免燃燒室溫度較大變化降低發(fā)電效率[5]。現(xiàn)階段發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)多為外循環(huán)冷卻水，一套冷卻系統(tǒng)可同時(shí)為多臺(tái)發(fā)電機(jī)組降溫，但是也不同程度面臨能耗高問題[6-8]。為此，文中從節(jié)能、節(jié)水兩個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)，在分析現(xiàn)階段瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻水循環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，依據(jù)瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行控制進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)場取得較好優(yōu)化改造效果。

1 山西某礦發(fā)電機(jī)組概況及其冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行存在問題

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能為600 萬t/年，開采的煤層均為高瓦斯礦井，采用煤層預(yù)抽、采空區(qū)埋管、高位鉆孔等方式對瓦斯進(jìn)行抽采。在礦井回風(fēng)井位置配套的瓦斯發(fā)電站，共計(jì)布置3 臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組（發(fā)電機(jī)組型號(hào)為500GF1-3RW）。

冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括冷卻水開放式循環(huán)、玻璃鋼冷卻塔、內(nèi)外兩套循環(huán)冷卻系統(tǒng)等，其中外循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括兩套獨(dú)立運(yùn)行的低溫、高溫部分。礦井瓦斯發(fā)電機(jī)組采用外循環(huán)冷卻方式，外循環(huán)冷卻泵是冷卻系統(tǒng)主要電能消耗設(shè)備。單臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫、低溫?fù)Q熱器冷卻水分別為30 m3/h、25 m3/h。采用的循環(huán)冷卻泵型號(hào)為KQL100/150-11/2，單臺(tái)設(shè)備流量為93.5 m3/h，功率11 kW，揚(yáng)程28 m。按照冷卻系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)要求，瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要啟動(dòng)2 臺(tái)循環(huán)水泵，分別為一臺(tái)低溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器提供冷卻水，循環(huán)水泵流量較大，從而使得冷卻水系統(tǒng)存在較大裕量，具體瓦斯發(fā)電機(jī)組循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。正常情況下發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水泵A、C 分別為發(fā)電機(jī)組低溫?fù)Q熱器、高溫?fù)Q熱器提供冷卻水，循環(huán)水泵B 則為備用設(shè)備。

圖1 冷卻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 改造方案

為降低循環(huán)冷卻系統(tǒng)能耗以及冷卻水消耗量，對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，具體改造后情況如圖2 所示。將單臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)為高、低溫?fù)Q熱器提供冷卻水?，F(xiàn)場改造方式也較為簡單，具體措施為將循環(huán)水泵原低溫供水管路分為兩路，一路為發(fā)電機(jī)組低溫?zé)釗Q器供水、一路為高溫?zé)釗Q器功能，并將低溫?zé)釗Q器回水并入到高溫回水管路中；高溫回水管路在循環(huán)泵作用下泵送至高溫冷卻塔；在高溫冷卻塔、低溫冷卻塔間布置管線連接，冷卻水經(jīng)高溫冷卻塔冷卻降溫后流入到低溫冷卻塔，為瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)提供冷卻水，從而實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)利用。

圖2 改造后冷卻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

對瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)改造后，可實(shí)現(xiàn)單瓦斯機(jī)組、單循環(huán)泵運(yùn)行，并可降低冷卻水消耗量。將冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵由“兩用一備”方式改為“一用兩備”方式，除可降低循環(huán)水泵電能消耗外，還可降低冷卻系統(tǒng)磨耗以及后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用；將高溫冷卻塔以及低溫冷卻塔間采用管線連接，將冷卻塔運(yùn)行方式由滿水單獨(dú)運(yùn)行改為低水位串聯(lián)運(yùn)行，可顯著降低冷卻水消耗量。采用的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化改造方案不會(huì)給原有的冷卻水系統(tǒng)有顯著改動(dòng)，僅需要增加管線即可滿足優(yōu)化改造需要，同時(shí)管線間布置有閥組，通過關(guān)閉閥組可將冷卻系統(tǒng)改為改造前的狀態(tài)。

2.2 改造可行性分析

2.2.1 冷卻水需求量分析

單臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻水需求量55 m3/h（高溫、低溫冷卻水分別為30 m3/h、25 m3/h）。單臺(tái)冷卻水循環(huán)泵額定運(yùn)行可提供93.5 m3/h 冷卻水，由此可見單臺(tái)冷卻水循環(huán)泵完全可滿足單臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻需要。

2.2.2 冷卻系統(tǒng)水冷卻能力分析

高、低溫?fù)Q熱器供水溫度分別為40～45℃、30～35℃，冷卻水進(jìn)入到換熱器后水溫增加約10℃。冷卻水經(jīng)過低溫?fù)Q熱器后的回水溫度普遍在40 ℃以內(nèi)，可滿足溫度換熱器冷卻降溫需要。

2.2.3 冷卻塔水冷能力分析

瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)配套使用的冷卻塔為GBNL3-125 玻璃冷卻塔，共有高溫冷卻塔、低溫冷卻塔兩臺(tái)，單臺(tái)冷卻塔水處理能力為106 m3/h，配套使用的冷卻風(fēng)機(jī)功率為4 kW。一臺(tái)冷卻塔完全可滿足單臺(tái)循環(huán)水泵供水以及瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻水需要。表明冷卻塔水冷能力可滿足冷卻系統(tǒng)改造需要。

2.3 改造效果分析

對瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造后，在節(jié)能以及節(jié)水等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。受到瓦斯供應(yīng)濃度、流量等制約，一般情況下瓦斯發(fā)電機(jī)組均運(yùn)行單臺(tái)機(jī)組，運(yùn)行一臺(tái)水管泵泵即可滿足冷卻需要，水冷卻系統(tǒng)電能消耗降幅約50%，預(yù)計(jì)全年可節(jié)省電能消耗超過1.6 萬元。

將兩座冷卻塔串聯(lián)后，冷卻塔水量消耗每月可降低約150 m3，預(yù)計(jì)全年可節(jié)水約1800 m3。同時(shí)由于礦井所在區(qū)域冬季寒冷，瓦斯發(fā)電機(jī)組在冬季停機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要排放冷卻塔內(nèi)冷卻水，由于以往冷卻塔均是滿水運(yùn)行，而改造后冷卻塔處于低水位運(yùn)行，就此項(xiàng)而言，年可減少放水量約1200 m3。粗略估算，冷卻水系統(tǒng)改造后年可節(jié)省水量約3000 m3。

同時(shí)冷卻水系統(tǒng)改造較為簡單，僅需要在原有的供水管路中增加管線、閥門等即可，整個(gè)改造投入成本少。

3 結(jié)語

針對礦井瓦斯發(fā)電站以及冷卻水系統(tǒng)工作特點(diǎn)，以及瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)功率遠(yuǎn)大于單體機(jī)組運(yùn)行需要的問題，對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。具體優(yōu)化改造方案為：采用一臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)為高溫、低溫冷卻水管供水，實(shí)現(xiàn)高、低溫冷卻器冷卻需要；將兩臺(tái)冷卻塔采用管線串聯(lián)。并具體針對改造方案可行性以及實(shí)施措施進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用后，改造后的冷卻系統(tǒng)不僅可滿足瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻需要，而且在降低電能消耗以及節(jié)約水資源等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。