李建廣 應(yīng)中寶 武逢平 洪丹丹

(1. 怡益清潔能源中國有限公司, 北京 100020; 2. 河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司, 河南 451184)

1 概述

瓦斯發(fā)電是利用煤礦生產(chǎn)過程中抽采的井下瓦斯發(fā)電的項目。近幾年, 瓦斯發(fā)電項目得到了快速的發(fā)展。到2011 年初, 全國已有百余個煤礦建立了瓦斯發(fā)電項目, 其中, 僅山西省就有60 多個煤礦建立了瓦斯發(fā)電項目。本文以江西豐城礦務(wù)局、山西陽泉程莊煤礦以及山西陽城煤礦瓦斯發(fā)電項目為例, 通過分析三個瓦斯電站長期的發(fā)電量和耗氣量來研究國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機(jī)組單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電情況。

2 數(shù)據(jù)的采集

單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電數(shù)據(jù)來源于江西豐城礦務(wù)局瓦斯發(fā)電項目、山西陽泉程莊煤礦瓦斯發(fā)電項目和山西晉城陽城煤礦瓦斯發(fā)電項目, 這三個項目均采用額定功率為500KW 的國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機(jī)組,具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 瓦斯電站設(shè)備及監(jiān)測條件

3 單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量

通過對江西豐城、陽泉程莊和山西陽城三個采用國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機(jī)組的瓦斯綜合利用項目設(shè)備儀表的監(jiān)測以及監(jiān)測期內(nèi)數(shù)據(jù)的分析, 得到月均單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量對比分析曲線圖 (如圖1 所示) , 其中, 江西豐城礦務(wù)局瓦斯發(fā)電項目數(shù)據(jù)監(jiān)測時間為從2007 年10 月至2009 年5 月, 山西陽泉程莊煤礦瓦斯發(fā)電項目數(shù)據(jù)監(jiān)測時間為從2008 年6月至2009 年3 月, 山西晉城陽城煤礦瓦斯發(fā)電項目數(shù)據(jù)監(jiān)測時間為從2008 年5 月至2009 年11 月。

從圖1 可以看出, 江西豐城礦務(wù)局瓦斯發(fā)電項目機(jī)組發(fā)電量比較平穩(wěn), 單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量平均值為2．58kWh/m3、最小值為2．37kWh/m3、最大值為2．77kWh/m3; 山西陽泉程莊煤礦瓦斯發(fā)電項目機(jī)組發(fā)電量波動較大, 單位瓦斯 (純甲烷)發(fā)電量平均值為2．89kWh/m3、最小值為2．26kWh/m3、最大值為3．29kWh/m3; 山西晉城陽城煤礦瓦斯發(fā)電項目機(jī)組單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量平均值為2．51kWh/m3、最小值為2．25kWh/m3、最大值為

2．99kWh/m3。

圖1 單位瓦斯 (純甲烷) 各月值發(fā)電量曲線

從上述三個煤礦瓦斯發(fā)電項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出, 國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行情況下, 單位瓦斯 (純甲烷) 實(shí)際發(fā)電量平均值約為2．66kWh/m3左右, 隨著抽采瓦斯?jié)舛群蜋C(jī)組運(yùn)行情況的變化, 機(jī)組發(fā)電量在2．26～3．29kWh/m3間上下波動,但是實(shí)際單位瓦斯發(fā)電量都遠(yuǎn)低于3．8～4．2kWh/m3的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4 影響瓦斯發(fā)電站單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量的因素

4．1 瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電原理

瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時, 其單位瓦斯發(fā)電量受多種因素影響, 探討各種影響因素之前, 首先探討瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理。本文中所涉及的瓦斯發(fā)電機(jī)組均為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組, 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組其發(fā)電原理是由燃料的化學(xué)能首先轉(zhuǎn)化為熱能, 然后由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能, 最后由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒后的熱能將轉(zhuǎn)換為內(nèi)燃機(jī)有效功當(dāng)量Qe, 被冷卻介質(zhì)帶走的熱量Qw, 被尾氣帶走的熱量Qr, 燃料不完全燃燒部分損失的熱量Qt, 輻射熱及其他熱損耗Qs。根據(jù)能量平衡原理, 熱平衡方程式為： Q=Qe+Qw+Qr+Qt+Qs。

為了使各種不同部分的熱值便于比較, 內(nèi)燃機(jī)熱平衡方程式中可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?qe+ qw+ qr+ qt+ qs=100%, 其中各項均為各部分熱與總熱能的比, 即：

內(nèi)燃機(jī)工作時, 瓦斯氣的有效功當(dāng)量Qe除了轉(zhuǎn)化為最終內(nèi)燃機(jī)輸出的實(shí)際有效功外, 還包括克服內(nèi)燃機(jī)本身內(nèi)部的機(jī)械摩擦、流動阻力和驅(qū)動一些機(jī)件和機(jī)組振動而消耗的機(jī)械功, 因此, 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率關(guān)系式表達(dá)為：

ηn=1- Nm/Ni

式中 Nm——機(jī)械損失功率;

Ni——指示功率。

根據(jù)上述公式和經(jīng)驗理論公式, 計算燃料熱能在內(nèi)燃機(jī)中的分布為：

單位瓦斯 (純甲烷) 的熱值約為10kWh, 由表2 計算可知, 瓦斯發(fā)電機(jī)組設(shè)計理論值是可以達(dá)到單位立方米 (純甲烷) 發(fā)電4．2kWh (未包括余熱發(fā)電部分) , 但是實(shí)際國內(nèi)瓦斯發(fā)電機(jī)組單位立方米瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量小于3．5kWh。

4．2 影響瓦斯發(fā)電機(jī)組單位立方米瓦斯 (純甲烷)發(fā)電量的因素

由瓦斯發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知, 瓦斯發(fā)電機(jī)組未能達(dá)到設(shè)計的輸出功率運(yùn)行是由于以下方面的原因。

(1) 瓦斯進(jìn)氣系統(tǒng)： 如果進(jìn)入機(jī)組中瓦斯含有水份, 瓦斯氣濃度不穩(wěn)定, 進(jìn)氣溫度偏高或偏低,氣體中CO2等雜質(zhì)含量較高, 將造成瓦斯氣在內(nèi)燃機(jī)中不能充分燃燒, 而損失部分熱量, 因此, 改進(jìn)氣體品質(zhì)將提高瓦斯發(fā)電機(jī)組的效率。

(2) 排氣系統(tǒng)： 若尾氣排氣溫度高且無余熱回收系統(tǒng), 大約有35%燃料的熱能排空。

(3) 環(huán)境問題： 海拔超過700m 的地方瓦斯機(jī)組效率比較低, 風(fēng)沙大, 會增加瓦斯機(jī)組配件之間的磨擦力, 降低機(jī)組的機(jī)械效率, 從而降低了瓦斯發(fā)電機(jī)組的輸出功率。

(4) 潤滑油的使用： 合理使用潤滑油會降低機(jī)件之間的磨擦, 提高機(jī)組的機(jī)械效率。

(5) 瓦斯機(jī)組機(jī)件的運(yùn)動慣性： 機(jī)組安裝時是否整體水平, 各部分是否嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安裝, 都會影響的各部件之間的運(yùn)動慣性, 從而影響瓦斯機(jī)組發(fā)電效率。

(6) 冷卻系統(tǒng)： 冷卻系統(tǒng)和冷卻介質(zhì)種類及介質(zhì)質(zhì)量的選擇決定了冷卻介質(zhì)帶走熱量的多少, 因此, 在保證機(jī)組安全運(yùn)行情況下, 減少冷卻介質(zhì)帶走的熱量可以提高發(fā)電機(jī)組效率。

5 結(jié)論

通過上述分析可知, 雖然我國瓦斯發(fā)電機(jī)組單位瓦斯 (純甲烷) 發(fā)電量的設(shè)計值3．8～4．2kWh,但是江西豐城礦務(wù)局瓦斯發(fā)電項目、山西陽泉程莊煤礦瓦斯發(fā)電項目、山西晉城陽城煤礦瓦斯發(fā)電項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明, 當(dāng)前我國瓦斯發(fā)電機(jī)組的單位瓦斯發(fā)電量實(shí)際值為2．66kWh/m3(純甲烷) 左右。未來幾年, 隨著科技的不斷進(jìn)步、技術(shù)的日益更新, 國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率將會進(jìn)一步提高。

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