低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)設(shè)計

黃克海

(1.煤層氣災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶400037;2.中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司,重慶400039)

1 概述

依據(jù)甲烷體積分數(shù)可將煤層氣分為低濃度煤層氣和高濃度煤層氣,煤礦抽采的煤層氣中70%以上屬于低濃度煤層氣,低濃度煤層氣的甲烷體積分數(shù)大于等于3%且小于30%[1-3]。低濃度煤層氣主要用于內(nèi)燃機發(fā)電。低濃度煤層氣中甲烷體積分數(shù)較低且波動較大,同時低濃度煤層氣中含有大量水分,經(jīng)常造成發(fā)電機組頻繁停機,導(dǎo)致發(fā)電機組年開機率不足50%,發(fā)電效率低于30%,降低了煤層氣發(fā)電站的發(fā)電量和經(jīng)濟效益[4-5]。對進入煤層氣發(fā)電機組的低濃度煤層氣進行預(yù)處理,對于提高低濃度煤層氣發(fā)電效率具有積極意義。

2 低濃度煤層氣發(fā)電效率影響因素

① 甲烷體積分數(shù)

煤層氣抽采泵站一般建有高負壓和低負壓兩套抽采系統(tǒng)[6]。高負壓抽采系統(tǒng)主要用于工作面預(yù)抽或掘進面煤層氣抽采,低負壓抽采系統(tǒng)用于采空區(qū)抽采。兩者抽采的煤層氣組分包括甲烷、二氧化碳、氮氣等,其中高負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣中甲烷體積分數(shù)相對較高,低負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣中甲烷體積分數(shù)相對較低。抽采過程受井下抽采管網(wǎng)接續(xù)等因素影響,煤層氣的甲烷體積分數(shù)變化速率較大,常常大于2% min-1,一旦甲烷體積分數(shù)變化速率大于2% min-1,就會引起發(fā)電機組停機,有效發(fā)電時間減少,發(fā)電量降低。另外,發(fā)電機組要求低濃度煤層氣的甲烷體積分數(shù)不小于7%,低負壓抽采系統(tǒng)抽采過程中煤層氣的甲烷體積分數(shù)存在小于7%的情況,會造成發(fā)電機組停機,影響發(fā)電量。

② 含水量

低濃度煤層氣中含有大量液態(tài)水和飽和水,這些水分來自抽采泵站的濕式水環(huán)真空泵工作水和煤層中裂隙水等。大量水分進入發(fā)電機組增加了發(fā)電機組氣缸、活塞、缸蓋、增壓器等零部件的故障率,機組零部件發(fā)生故障需停機維修,降低發(fā)電機組開機率,影響發(fā)電量。

含有大量水分的煤層氣進入發(fā)電機組還將造成熱能損耗,影響發(fā)電機組的發(fā)電效率。水分占據(jù)了發(fā)電機組的進氣體積,單位時間進入發(fā)電機組的甲烷減少,用于做工的熱量減少,造成發(fā)電機組發(fā)電效率降低。另外進入發(fā)電機組的水分還會損耗熱量,有效做功熱能減少,發(fā)電機組發(fā)電效率降低[7-8],水分熱能損耗計算式為:

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

式中Q——進入發(fā)電機組的水分引起的熱能損耗,kJ

Q1——液態(tài)水升溫造成的熱能損耗,kJ

Q2——水的汽化潛熱熱能損耗,kJ

Q3——水蒸氣升溫熱能損耗,kJ

3 低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)工藝設(shè)計

低濃度煤層氣的甲烷體積分數(shù)及含水量是影響發(fā)電效率的兩個主要因素,故低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)旨在通過以穩(wěn)濃(穩(wěn)定煤層氣的甲烷體積分數(shù))、脫水達到煤層氣發(fā)電提效目的,低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)工藝流程

高負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣和低負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣先通入穩(wěn)濃裝置,再通入安全保障裝置,低濃度煤層氣易燃易爆,需要設(shè)置安全保障裝置[9],保證輸送安全。安全保障裝置由水封阻火泄爆裝置、抑爆裝置和阻爆裝置構(gòu)成。低濃度煤層氣進入水封阻火泄爆裝置后水分會增加,因此凈化脫水裝置設(shè)置在安全保障裝置之后。凈化脫水裝置脫除煤層氣中的水分,最后,脫水后的煤層氣進入發(fā)電機組發(fā)電。

3.1 穩(wěn)濃裝置

穩(wěn)濃裝置設(shè)置在整個工藝流程的最前端,見圖2。流量計采用威力巴流量計,其傳感器插入管道中。穩(wěn)濃裝置主要作用為調(diào)控煤層氣的甲烷體積分數(shù),保障輸出煤層氣的甲烷體積分數(shù)相對穩(wěn)定,同時穩(wěn)濃裝置還具有摻混功能,使兩路煤層氣均勻混合。摻混器采用中國煤碳科工集團重慶研究院有限公司研制的動態(tài)連續(xù)混氣裝置,采用雙螺旋結(jié)構(gòu)增加兩股氣流的擾動,達到均勻混合的目的[10]。穩(wěn)濃裝置由摻混器、調(diào)節(jié)閥、流量計、甲烷體積分數(shù)傳感器、快關(guān)閥及可編程控制器等構(gòu)成。低濃度煤層氣發(fā)電機組入口處氣源品質(zhì)要求甲烷體積分數(shù)大于或等于7%,甲烷體積分數(shù)變化速率小于或等于2% min-1。

1、2—甲烷體積分數(shù)傳感器; 3、4—流量計; 5、6、7、8—調(diào)節(jié)閥; 9—甲烷體積分數(shù)傳感器; 10—流量計; 11、12、13、14—快關(guān)閥。

穩(wěn)濃裝置減小了低濃度煤層氣甲烷體積分數(shù)的波動程度,保障穩(wěn)濃后煤層氣的甲烷體積分數(shù)變化速率小于或等于2% min-1,同時摻混系統(tǒng)使低負壓抽采過程中抽采的甲烷體積分數(shù)低于7%的低濃度煤層氣得到利用,增加了發(fā)電量。

3.2 凈化脫水裝置

低濃度煤層氣常采用機械脫水,機械脫水能夠脫除大部分煤層氣中的液態(tài)水,部分液態(tài)水及飽和水無法通過機械方式脫除。由于進入發(fā)電機組的低濃度煤層氣相對濕度應(yīng)小于或等于80%且不含液態(tài)水,為了保護發(fā)電機組不因水分損壞,提高發(fā)電效率,設(shè)計了機械+冷凍脫水的復(fù)合凈化脫水方式。機械脫水裝置是由重力與絲網(wǎng)過濾相結(jié)合的立式氣液分離裝置構(gòu)成[11]。冷凍脫水利用發(fā)電機組高溫煙氣進行溴化鋰吸收式制冷脫水,提高了發(fā)電機組高溫煙氣余熱利用率,克服了電制冷脫水耗電量大、運行成本高等缺點[12]。凈化脫水裝置見圖3。

1、2—壓力傳感器; 3、4—溫度傳感器; 5、6—壓力傳感器; 7—溫度傳感器; 8—壓力傳感器; 9、10—溫度傳感器;11—調(diào)節(jié)閥; 12、13—溫度傳感器。

低濃度煤層氣先經(jīng)過一級機械高效脫水裝置除去煤層氣中大部分液態(tài)水,再進入降溫換熱器,將煤層氣中的飽和水降溫析出,形成液態(tài)水,降溫析出的液態(tài)水和之前未脫除的少量液態(tài)水經(jīng)過二級機械深度脫水裝置進一步脫水,脫水后的低濃度煤層氣經(jīng)過升溫換熱器提升溫度,實現(xiàn)無液態(tài)水和低濕度要求,最后進入發(fā)電機組發(fā)電。

3.3 甲烷體積分數(shù)調(diào)控系統(tǒng)邏輯控制流程

低濃度煤層氣的甲烷體積分數(shù)調(diào)控系統(tǒng)邏輯控制流程見圖4。

圖4 甲烷體積分數(shù)調(diào)控系統(tǒng)邏輯控制流程

4 設(shè)計案例分析

某實際案例,高、低負壓抽采系統(tǒng)抽采的低濃度煤層氣分別用DN 500 mm管路輸送至發(fā)電站,發(fā)電站設(shè)有8臺1 MW低濃度煤層氣發(fā)電機組。設(shè)置了低濃度煤層氣安全保障裝置和發(fā)電機組自帶的旋風式脫水器。低濃度煤層氣流速一般在10～15 m/s,流速較低,旋風式脫水器脫水效果不佳。經(jīng)調(diào)查,安裝發(fā)電提效系統(tǒng)之前經(jīng)常有2～3臺發(fā)電機組因低濃度煤層氣的甲烷體積分數(shù)變化速率大于2% min-1而停機。

4.1 發(fā)電提效系統(tǒng)設(shè)計

因安全保障裝置中的水封阻火泄爆裝置要求管道煤層氣流速不大于10 m/s,因此發(fā)電提效系統(tǒng)煤層氣設(shè)計處理量為14 130 m3/h。為了控制煤層氣中含水量,降溫換熱器后煤層氣設(shè)計溫度不大于15 ℃。根據(jù)設(shè)計處理量及降溫換熱器后煤層氣設(shè)計溫度,發(fā)電提效系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電提效系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

4.2 低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)運行效果

高、低負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣經(jīng)過穩(wěn)濃裝置避免了煤層氣的甲烷體積分數(shù)低于7%以及甲烷體積分數(shù)變化速率大于2% min-1引起的停機;經(jīng)過機械+冷凍脫水的復(fù)合凈化脫水方式去掉了煤層氣中的游離水和部分飽和水,實現(xiàn)進入發(fā)電機組的煤層氣相對濕度小于80%。為了比較煤層氣發(fā)電站安裝發(fā)電提效系統(tǒng)前、后的發(fā)電效率,統(tǒng)一將1天內(nèi)發(fā)電量折算為單位體積純甲烷發(fā)電量進行比較。

單位體積純甲烷發(fā)電量計算式為:

(2)

式中Eper——單位體積純甲烷發(fā)電量,kW·h/m3

E——1天內(nèi)發(fā)電量,kW·h

V0——1天內(nèi)發(fā)電機組消耗的純甲烷體積,m3

采樣周期為1 s,1天內(nèi)發(fā)電機組消耗的純甲烷體積計算式為:

(3)

式中T——采樣周期,s,取1 s

qi——1天內(nèi)第i秒煤層氣流量,m3/s

φi——1天內(nèi)第i秒煤層氣甲烷體積分數(shù)

未安裝發(fā)電提效系統(tǒng)時低濃度煤層氣發(fā)電站某10天運行數(shù)據(jù)見表2,安裝發(fā)電提效系統(tǒng)后低濃度煤層氣發(fā)電站某10天運行數(shù)據(jù)見表3。

表2 未安裝發(fā)電提效系統(tǒng)時低濃度煤層氣發(fā)電站某10天運行數(shù)據(jù)

未安裝發(fā)電提效系統(tǒng)時發(fā)電機組10天累計消耗純甲烷體積398 877 m3,累計發(fā)電量為1 127 930 kW·h,平均單位體積純甲烷發(fā)電量為2.83 kW·h/m3;安裝發(fā)電提效系統(tǒng)后發(fā)電機組10天累計消耗純甲烷體積395 526 m3,累計發(fā)電量為1 256 968 kW·h,平均單位體積純甲烷發(fā)電量為3.18 kW·h/m3;安裝發(fā)電提效系統(tǒng)后平均發(fā)電效率比安裝前提高12.37%。

5 結(jié)束語

① 分析了低濃度煤層氣甲烷體積分數(shù)和含水量對低濃度煤層氣發(fā)電機組發(fā)電效率的影響?；谶@兩個影響因素設(shè)計了穩(wěn)濃+凈化脫水的低濃度煤層氣發(fā)電提效系統(tǒng)。

② 穩(wěn)濃裝置將高負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣、低負壓抽采系統(tǒng)抽采的煤層氣經(jīng)摻混器均勻摻混,保障穩(wěn)濃后煤層氣的甲烷體積分數(shù)變化速率小于2% min-1,避免了甲烷體積分數(shù)波動造成停機,使甲烷體積分數(shù)低于7%的低濃度煤層氣得到利用。

③ 設(shè)計了機械+冷凍脫水的復(fù)合脫水裝置。機械脫水裝置采用重力與絲網(wǎng)過濾相結(jié)合的立式氣液分離裝置。冷凍脫水采用溴化鋰吸收式制冷脫水,其中溴化鋰吸收式制冷利用發(fā)電機組高溫煙氣,克服了電制冷方式耗電量大、運行成本高等缺點。

④ 針對某低濃度煤層氣發(fā)電站設(shè)計了發(fā)電提效系統(tǒng)。運行數(shù)據(jù)表明:安裝發(fā)電提效系統(tǒng)后平均發(fā)電效率比安裝前提高12.37%。