盧正才

(晉煤集團 金駒股份公司，山西 晉城 048006)

礦井瓦斯是煤體中伴生的一種次生能源，當(dāng)其瓦斯?jié)舛瘸^30%時被稱為高濃度瓦斯，濃度較高的瓦斯抽采技術(shù)日漸成熟，現(xiàn)已將瓦斯能源用在了化工或民用領(lǐng)域[1]。瓦斯?jié)舛鹊陀?0%時被稱之為低濃度瓦斯，特別是當(dāng)瓦斯?jié)舛忍幱?%～16%范圍容易遇火發(fā)生爆炸，在礦井瓦斯抽采和運輸過程中易出現(xiàn)安全事故。各礦井各煤層中賦存的瓦斯?jié)舛群统椴尚Ч煌斐僧?dāng)今礦井對瓦斯的利用程度極低，絕大多數(shù)礦井都是把煤層中的瓦斯直接抽放到大氣中，不僅造成對大氣污染，而且還是對資源的浪費。為此，晉煤集團金駒股份公司借鑒國內(nèi)外瓦斯利用經(jīng)驗和技術(shù)[2]，結(jié)合長平煤礦自身實際，建設(shè)了礦井低濃度瓦斯利用發(fā)電站，本文對瓦斯發(fā)電技術(shù)和瓦斯安全輸送措施進行探討。

1 低濃度瓦斯發(fā)電

1.1 瓦斯發(fā)電站

金駒股份公司蘆家峪瓦斯發(fā)電站主要由瓦斯抽放系統(tǒng)、瓦斯輸送系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)以及余熱系統(tǒng)組成，其發(fā)電站局部如圖1所示。

圖1 金駒股份公司蘆家峪瓦斯發(fā)電站

1) 瓦斯抽放系統(tǒng)。瓦斯經(jīng)抽放鉆孔抽出，流經(jīng)高低壓瓦斯抽采支管、干管直至地面抽放泵站，最后將瓦斯輸送至瓦斯發(fā)電站。

2) 瓦斯輸送系統(tǒng)。為了安全輸送，長平抽放泵站低濃度瓦斯輸送管路上分別設(shè)置了阻火器、水封防爆器、過濾器等裝置，通過這些設(shè)備達到安全輸送礦井瓦斯的效果。低濃度瓦斯安全輸送流程如圖2所示。

圖2 低濃度瓦斯輸送方案

3) 瓦斯發(fā)電系統(tǒng)[3]。在發(fā)電站安設(shè)內(nèi)燃機利用瓦斯進行發(fā)電，蘆家峪瓦斯電站采用H16V190ZLWD1-2型內(nèi)燃機，單機額定功率為1 000 kW，其轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，發(fā)電機輸出電壓10.5 kV。

4) 瓦斯發(fā)電控制系統(tǒng)。電站控制系統(tǒng)采用GECS大功率燃氣控制系統(tǒng)，在燃氣控制閥、GCSM瓦斯?jié)舛刃拚涂諝忾y控制器、DGM-02轉(zhuǎn)速負載控制器及其他設(shè)備綜合作用下，進而達到調(diào)速、空燃比控制、負載管理、燃氣濃度設(shè)定值修正和空氣閥控制等功能。

5) 瓦斯電網(wǎng)系統(tǒng)。內(nèi)燃機將瓦斯能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽敵龅碾妷簽?0.5 kV，通過高壓母線并入蘆家峪110 kV變電站。

6) 余熱系統(tǒng)。瓦斯經(jīng)過內(nèi)燃機轉(zhuǎn)換后，其排出的尾氣溫度仍較高，為了將其充分利用，將該余熱用來給長平煤礦供暖。

1.2 瓦斯發(fā)電流程

低濃度瓦斯氣從長平瓦斯抽放泵站抽出后流經(jīng)主干路瓦斯管道，進入自動水位控制水封阻火器，與水封阻火器并排布置的有電動調(diào)壓閥與濕式放散器，目的是將瓦斯輸送壓力控制在15 kPa以內(nèi)以確保安全。瓦斯氣再流經(jīng)絲網(wǎng)過濾器對5 μm以上的顆粒雜質(zhì)進行過濾清除，隨后流經(jīng)具有自動阻爆功能的液壓快關(guān)閥，通過細水霧管道阻火輸送系統(tǒng)后，再經(jīng)過一級水封阻火器、燃氣重力汽水分離器初級脫水后進入冷凍脫水器進行深度脫水，確保內(nèi)燃機燃燒的是干燥瓦斯。瓦斯和空氣混合氣體被推送至內(nèi)燃機氣缸，經(jīng)過氣缸活塞壓縮作用，形成高溫高壓氣體，此時對混合氣體進行點火，在混合氣體燃燒后，隨著氣體溫度和氣壓變化，活塞繼續(xù)運動，并帶動傳動曲柄運轉(zhuǎn)，在聯(lián)軸器和內(nèi)燃機轉(zhuǎn)子共同作用下，將活塞的動力傳給發(fā)電機組，發(fā)電機得到能量后，將機械能轉(zhuǎn)換為電能[4]。

1.3 瓦斯發(fā)電核心技術(shù)

蘆家峪瓦斯電站為了充分保障低濃度瓦斯發(fā)電順利進行，采用了管路阻火、電子控制瓦斯與空氣的混合、混合增壓、燃燒自動化控制以及水霧輸送等核心技術(shù)[5]。為了防止系統(tǒng)中的火焰竄回到輸送管路而危及礦井安全，在內(nèi)燃機進氣電磁閥前增設(shè)有阻火器；為了防止機組異常工況下超壓損壞，在機組本體上設(shè)置有超壓泄爆閥，從而起到保護機組的作用；采用電子控制技術(shù)根據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓{(diào)配進氣量，確?？杖急鹊玫接行Э刂?，保證瓦斯發(fā)電站發(fā)電機輸出穩(wěn)定的功率；采用瓦斯與空氣混合增壓技術(shù)是為了防止瓦斯壓力過低無法直接用來發(fā)電，需要利用發(fā)動機尾氣作為動力推動渦輪增壓器，將瓦斯與空氣混合增壓后用來發(fā)電；瓦斯在燃燒過程中，溫度是不斷變化的，為了防止爆震等故障的發(fā)生，采用燃燒調(diào)節(jié)控制技術(shù)，將缸溫控制在620℃以內(nèi)；在瓦斯輸送前期，為了確保瓦斯在輸送過程中不泄露、不被引燃，采用細水霧輸送裝置進行保護。

2 低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)

蘆家峪瓦斯電站低濃度瓦斯從瓦斯泵站到瓦斯發(fā)電站的過程中，為了確保瓦斯安全運輸，在輸送管路上安設(shè)了阻火器、過濾器、閥門等設(shè)備，以便輸出的瓦斯干凈、純度較好，其低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)見圖3。為了避免靜電等因素引爆瓦斯，在輸送管道上每隔一定距離安設(shè)水霧阻火器，瓦斯流經(jīng)水霧發(fā)生器后，其瓦斯含有水分，阻止了瓦斯進入發(fā)電站前自燃或者爆炸，從而達到保障瓦斯安全運輸。瓦斯在安全輸送當(dāng)中，起關(guān)鍵作用的是多級阻火、濕式放散技術(shù)和瓦斯與細水霧混合技術(shù)[6]。

圖3 瓦斯安全輸送系統(tǒng)

3 低濃度瓦斯發(fā)電效益

根據(jù)蘆家峪瓦斯電站統(tǒng)計，長平煤礦平均每年抽放的瓦斯純量為1 080萬m3，瓦斯?jié)舛仍?0%～20%范圍內(nèi)變化，屬于低濃度瓦斯，滿足瓦斯發(fā)電要求。蘆家峪瓦斯電站裝備了6臺發(fā)電機，這些發(fā)電機對礦井抽出的低濃度瓦斯進行發(fā)電。

1) 經(jīng)濟效益。每臺發(fā)電機的額定功率為1 000 kW，實際功率為額定功率的0.9，則每臺發(fā)電機的實際功率為900 kW，整個發(fā)電站每年可發(fā)電約4 100萬kW·h，若一度電售價為0.509元，則一年瓦斯發(fā)電收益為2 087萬元，顯著增加了礦井瓦斯再利用經(jīng)濟收益。

2) 社會效益。如果將長平煤礦抽采的瓦斯直接排放至空氣當(dāng)中，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且還會造成臭氧層空洞和溫室效應(yīng)，不符合當(dāng)前國家提倡的走可持續(xù)發(fā)展道路，也不利于保護大氣環(huán)境。抽采的瓦斯用來發(fā)電，既可以為礦井帶來經(jīng)濟創(chuàng)收，還能利用余熱為礦井冬季供暖。因此，對瓦斯開發(fā)利用可以帶來經(jīng)濟效益和社會效益雙豐收。

4 結(jié) 語

長平煤礦煤層中瓦斯賦存量豐富，為了充分利用瓦斯資源，保障礦井可持續(xù)發(fā)展，建立了低濃度瓦斯發(fā)電站，每年可發(fā)電約4 100萬kW·h，增加經(jīng)濟收入2 087萬元，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。