杜新宇 王效民 李 彬

（焦作煤業(yè)集團供電分公司，河南省焦作市，454000）

淺析煤礦瓦斯發(fā)電技術和進氣系統(tǒng)工藝流程改造

杜新宇 王效民 李 彬

（焦作煤業(yè)集團供電分公司，河南省焦作市，454000）

介紹了煤礦低濃度瓦斯發(fā)電的工藝流程、低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)及發(fā)電技術。通過調(diào)研及技術交流，對安裝和試運行中存在的問題進行了工藝創(chuàng)新改造。

瓦斯發(fā)電 水霧輸送系統(tǒng) 進氣系統(tǒng) 循環(huán)水系統(tǒng) 焦作煤業(yè)集團

AbstractProcess flow of power generation using low concentration methane gas of coal mines and conveying system ＆power generation technology of gas－water mist of low concentration have been introduced.Process renovation and upgrading have been carried out on the unreasonable steps through field investigations and technical exchanges aiming at the problems arising from the installation and commissioning.

Key wordsgas power generation，conveying system of water system，gas suppy system，water circulation system.

1 概述

為了充分利用能源，又不破壞環(huán)境，近年來我國加大了對瓦斯發(fā)電技術的研究。瓦斯發(fā)電技術就是把煤礦井下瓦斯氣體抽上送入內(nèi)燃機氣缸中，經(jīng)吸氣、壓縮、作功、排氣4個沖程來推動發(fā)電機旋轉發(fā)電的過程。而低濃度瓦斯發(fā)電項目的成功在一定程度上改善了能源結構，實現(xiàn)以利用促抽采、以抽采促安全的煤礦良性循環(huán)發(fā)展。

2006年以前，焦煤集團煤礦含瓦斯豐富，每年可抽放純瓦斯量約4000萬m3，但只有400萬m3濃度高于25%的瓦斯被送入到煤氣公司供居民使用，其余低濃度瓦斯被排放到大氣中，既浪費了大量潔凈能源，又污染了環(huán)境。

2006年7月，焦作煤業(yè)集團公司對瓦斯發(fā)電項目進行考察立項，2006年11月，瓦斯發(fā)電工程開始動工、設備安裝。經(jīng)過幾年運行，積累了豐富的瓦斯發(fā)電技術經(jīng)驗。通過調(diào)研、技術交流等措施對工藝流程不合理的地方進行創(chuàng)新改進，取得了很好的效果。

2 煤礦低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)及發(fā)電技術介紹

2.1 煤礦低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)介紹

低濃度瓦斯水霧輸送是利用水位自控式水封阻火器、瓦斯管道專用阻火器及瓦斯與細水霧混合輸送等，實現(xiàn)低濃度瓦斯安全輸送供給瓦斯發(fā)電機組發(fā)電。進氣工藝：抽放泵站→水位自控式水封阻火器→瓦斯管道專用阻火器→低溫濕式放散閥→防爆電動碟閥→水霧輸送系統(tǒng)→溢流脫水水封阻火器→自動放散閥→旋風重力脫水器→發(fā)電機組。進氣系統(tǒng)工藝見圖1。

在低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)把礦井瓦斯抽放站的瓦斯氣體送入始端水位自控式水封阻火器的過程中，通過雷達監(jiān)控水面，實現(xiàn)自動補水和放水，保持水位不變，提高瓦斯輸送系統(tǒng)的安全可靠性能。水位自控式水封阻火器后面接瓦斯管道專用阻火器，安全阻火速度可以達到1210m／s，可有效阻火，從根本上保證了系統(tǒng)的安全可靠性。在瓦斯管道專用阻火器后面安裝低溫濕式放散閥，當管道內(nèi)瓦斯壓力超過設定值時放散閥可自動打開。在濕式放散閥后面安裝防爆電動蝶閥，在防爆電動蝶閥后面安裝水霧發(fā)生器。在溢流脫水水封阻火器后安裝自動放散裝置，通過防爆電動閘閥控制放散，調(diào)整壓力擾動。每臺瓦斯發(fā)電機組配套一組旋風、重力脫水裝置，脫水后的瓦斯經(jīng)手動蝶閥和瓦斯專用阻火器后供發(fā)電機組發(fā)電。

立式多級離心泵將霧化水池的水加壓后，利用給水管輸送到水霧發(fā)生器中，從而實現(xiàn)細水霧與瓦斯混合輸送，沿程的凝水大部分匯集到細水霧輸送系統(tǒng)末端的溢流式水封阻火器內(nèi)，通過水封阻火器溢水管回流到霧化水池內(nèi)。低濃度瓦斯在進入發(fā)電機組前通過旋風、重力脫水裝置脫出的水回流到霧化水池內(nèi)。從而實現(xiàn)低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)的水循環(huán)使用。

圖1 進氣工藝

2.2 燃氣發(fā)動機工作原理介紹

瓦斯氣體送入發(fā)電機組的內(nèi)燃機氣缸中，經(jīng)吸氣、壓縮、作功、排氣4個沖程，發(fā)動機完成一個工作循環(huán)，曲軸轉動兩周，活塞往復運動兩次，主軸連接發(fā)電機旋轉兩圈，產(chǎn)生電能。完成了化學能轉換為機械動能，再把機械動能轉化為電能的過程。

燃氣發(fā)動機周而復始地運動產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過機油冷卻和潤滑。機油在機組自帶的換熱器中循環(huán)，與外循環(huán)冷卻水進行換熱。熱水經(jīng)逆流式玻璃鋼冷卻塔冷卻，從而保證機組長期可靠運轉。

3 進氣系統(tǒng)工藝流程創(chuàng)新改造

煤礦低濃度瓦斯水霧輸送系統(tǒng)在試運行期間就暴露出很多問題，通過對淮南礦業(yè)集團、平頂山煤業(yè)集團的調(diào)研，以及與勝動集團等相關單位的技術交流，提出了幾項工藝改造，并達到預期的效果。

（1）把低溫濕式放散閥的位置調(diào)整在防爆電動碟閥之前，以防止因發(fā)動機故障跳閘自動關閉防爆電動碟閥、使運行人員不能及時打開礦抽放站排空閥門放散瓦斯氣體、造成抽放泵的憋氣故障的發(fā)生。

（2）瓦斯輸送鋼管長期在氣水混合物腐蝕下產(chǎn)生少量的氧化鐵渣，經(jīng)常堵塞瓦斯專用阻火器 （瓦斯專用阻火器主要是基于火焰通過狹窄通道時熄滅現(xiàn)象研究設計的。它是很薄鋼板卷制成圓形，每層圓板之間形成狹縫，火焰面內(nèi)靠近狹縫冷壁處，火焰熱量流向冷壁邊界，形成熄火層熄滅），阻礙瓦斯流通，使得燃氣機組不能正常滿負荷出力。設計原理和材質(zhì)決定了它體積大、重量沉、拆卸清洗困難的缺點。焦作煤業(yè)集團公司前期建設的古漢山瓦斯電站和位村瓦斯電站均存在這種問題，為了維修方便，經(jīng)過調(diào)研、分析后，對其進行了改進，在瓦斯管道專用阻火器前后安裝通用波紋膨脹節(jié)，使得清洗瓦斯氣管道中干式阻火器變的非常方便。在實踐的過程中，又對輸送管道的材質(zhì)采用新型耐用磨損、防腐蝕復合材質(zhì)管道代替鋼制管道，大大減少了清理干式阻火器的次數(shù)，節(jié)省管道防腐處理費用，減輕了工人的勞動強度。

（3）在霧化泵吸水管中設計一Y型粗過濾器，把出口管的Y型過濾器換成C型細過濾器，用雙重過濾器來清除雜質(zhì)，避免雜質(zhì)堵塞水霧輸送系統(tǒng)內(nèi)高壓水噴嘴器，使得低濃度瓦斯氣體徹底霧化，保證安全輸送。

（4）每臺機組的旋風、重力脫水器排出水都混合有少量瓦斯。在旋風、重力脫水器排水管與主回水總管之間加設隔離球閥，防止重力脫水器檢修時，霧化水池中的部分殘留瓦斯沿著主回水管倒灌流入檢修的重力脫水器中泄露。

（5）在瓦斯管道末端設計小型自動調(diào)壓放散閥。當瓦斯氣體壓力突變時，控制系統(tǒng)自動打開小型自動調(diào)壓放散閥，排放部分瓦斯，使壓力維持在一定小范圍波動，減小了系統(tǒng)擾動，同時也解決了瓦斯壓力突變引起的緊急停機故障。現(xiàn)場施工盡量縮短益流式水封阻火器與瓦斯泵房的距離，避免低濃度瓦斯非水霧化輸送的危險。

4 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程創(chuàng)新改造

在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)水泵泵前吸水管中安裝Y型過濾器和閘閥，濾除水池雜物，使得冷卻水暢通無阻，快速降低發(fā)電機組缸溫，提高泵的效率。循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖見圖2。水池上加蓋金屬網(wǎng)，防止秋季樹葉落入池中堵塞泵而發(fā)生故障。清洗Y型過濾器時關閉DN150閘閥，防止水池水泄露。在吸水泵出口管道安裝旋體式逆止閥，防止停泵時水重錘效應產(chǎn)生的壓力損壞葉輪。為了方便拆卸循環(huán)水泵，在泵體兩頭安裝普通伸縮節(jié)。抬高循環(huán)水池標高，讓水位高于循環(huán)水泵體，冷卻水自動灌入泵中，免去啟泵前注水程序。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖

5 投資回報分析

以古漢山瓦斯站為例計算投資回報期。

古漢山瓦斯發(fā)電站有3發(fā)電機組，兩開一備用。單機額定功率500kW，連續(xù)運行功率為400 kW?？紤]瓦斯?jié)舛茸兓途峦咚构艿罊z修，經(jīng)濟指標按2臺380kW連續(xù)運行，全年運行時間按7200h進行核算。則每年可發(fā)電量為380kW×2臺×7200h＝547.2萬kWh；站綜合廠用電率按2.5%計算則為547.2萬kWh×2.5%＝13.7萬kWh；上網(wǎng)電量547.2－13.7＝533.5萬kWh。按照內(nèi)部上網(wǎng)價格每度0.36元計算，電費收入為533.5萬kWh×0.36元／kWh≈192萬元；總成本費按27%計算是192×27%＝51.8萬元；利潤為192－51.8＝140.2萬元；財政補助：減排純瓦斯200萬m3×0.2元／m3＝40萬元。工程項目最低造價估計530萬元，投資回報期為530÷（140.2＋40）＝2.9年。

可見，經(jīng)濟效益十分可觀，3年內(nèi)可以收回成本。

近年來，隨著瓦斯發(fā)電技術的不斷發(fā)展，焦作煤業(yè)集團先后建立了7座瓦斯發(fā)電站。目前焦煤集團每年可以減少CO2排放量約20萬t，節(jié)能減排效果非常驚人，從而取得了很好的社會效益，實現(xiàn)了瓦斯氣體零排放的目標。

（責任編輯 張艷華）

Brief analysis of process renovation of power generation technology using methane gas of coal mines and its gas supply system

Du Xinyu，Wang Xiaomin，Li Bin
（Power Supply Branch，Jiaozhuo Coal Industry Group，Jiaozhuo，Henan province 454000，China）

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杜新宇（1973－），男，工程師，1996年畢業(yè)于西北輕工業(yè)學院電氣工程及自動化專業(yè)。現(xiàn)在從事煤礦瓦斯發(fā)電管理工作。