王 爭，李 超，李 陽，周顯俊，畢利麗

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 太原 030000)

國家將煤層氣抽采工程視為生命工程和資源工程[1-3]，其中，煤礦采空區(qū)地面井(以下簡稱采空井)作為一種煤層氣抽采新井型，即在廢棄后的小中型煤礦通過地面垂直鉆井至采空區(qū)垮落帶內(nèi)，使井口與采空區(qū)有效溝通，地面使用小型螺桿/漩渦增壓機組進行抽采[4，5]。采空井的布井區(qū)域通常具有點多面廣、位置偏遠等特點，這將導致采空井的配套工程成本投入較大，尤其是基礎架線供電線路等相關費用不菲。因此，采空井往往利用小型發(fā)電設備提供電能以保障抽采設備連續(xù)、穩(wěn)定運行。汽油發(fā)電機體積小、結構簡單、可靠性高，能夠滿足抽采設備用電需求，但長期使用汽油發(fā)電無疑會導致耗電嚴重，經(jīng)濟成本增加?？紤]到煤層氣也可作為發(fā)電機工作燃料[6]，經(jīng)過多方面考察研究，提出了一種雙燃料發(fā)電機組抽采利用煤層氣技術。

1 雙燃料發(fā)電機組的應用

在采空井抽采出煤層氣前，發(fā)電機組首先使用汽油燃料工作為抽采設備提供電能；待采空井抽采出煤層氣后，發(fā)電機組可切換成煤層氣燃料工作，對煤層氣氣源中的CH4濃度要求為40%～80%。該設備適用于野外作業(yè)，在環(huán)境溫度-20℃～+45℃，相對濕度小于97%(20℃時)，海拔高度小于等于2000m的環(huán)境條件下能穩(wěn)定、可靠、連續(xù)地運行。

1.1 設備選型

根據(jù)采空井抽采系統(tǒng)工藝要求和井場現(xiàn)場安裝條件，進行設備選型。采空井產(chǎn)能一般為1000～2000m3/d，根據(jù)產(chǎn)能情況通常選用旋渦增壓機組進行抽采，具體運行參數(shù)見表1。

表1 旋渦增壓機組主要參數(shù)指標

結合表1，另外考慮現(xiàn)場照明等負荷以及功率富余量等因素，優(yōu)先選用額定功率為30kW的雙燃料發(fā)電機組，具體運行參數(shù)見表2。

表2 雙燃料發(fā)電機組主要技術參數(shù)

1.2 基本組成

雙燃料發(fā)電機組內(nèi)部結構如圖1所示，雙燃料發(fā)電機組主要由汽油煤層氣雙燃料發(fā)動機、發(fā)電機、冷卻水箱、變速裝置、型鋼公用底座、集裝箱體、蓄電池、電控箱、汽油箱、機前燃氣過濾器等組成。

1—人機界面；2—發(fā)電機；3—萬向聯(lián)軸節(jié)；4—變速箱；5—蓄電池；6—電流調(diào)節(jié)器；7—執(zhí)行器及控制油門；8—燃氣調(diào)壓器；9—燃氣切斷閥；10—控制箱；11—小油箱；12—空氣濾清器；13—燃氣調(diào)節(jié)閥；14—混合器；15—電控模塊；16—膨脹水箱；17—回油管；18—進油管；19—冷卻風扇水箱；20—煤層氣泄露傳感器；21—消聲器；22—共用底座；23—煤層氣過濾器；24—外置大油箱

雙燃料發(fā)電機組前端安裝吸風式的冷卻風扇和散熱器，既可冷卻發(fā)動機的冷卻水，又可冷卻發(fā)動機本體和發(fā)電機。發(fā)電機組排氣管和消聲器采用加厚304不銹鋼材料，不易腐蝕，外形美觀。機組排氣管包裹隔熱材料，防止人員燙傷和煙氣熱量散發(fā)，特別在夏季能避免集裝箱內(nèi)溫度過高引起的安全事故。發(fā)電機組箱體內(nèi)配置煤層氣在線泄露傳感器，實時檢測燃氣泄漏情況，具有在線檢測、報警和停機功能。

1.3 主要特點

1.3.1 油、氣自動切換功能

在氣井抽出煤層氣前，發(fā)電機組使用汽油燃料工作。抽出煤層氣后，可通過控制柜面板上的油氣切換開關，發(fā)電機組自動切換成煤層氣燃料工作。

1.3.2 根據(jù)負載自動調(diào)整輸出功率

發(fā)電機組額定功率為30kW，根據(jù)后端負載設備的需要，特別是負載設備具有變頻功能時，發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)閥主要起調(diào)節(jié)煤層氣的氣量，以滿足合適的混合氣比例和調(diào)節(jié)功率的作用，從而實現(xiàn)自動調(diào)整相應輸出功率的功能。雙燃料發(fā)電機的有效運轉與混合氣的空燃比關系很大。雙燃料發(fā)電機組采用自動調(diào)節(jié)空燃比，空燃比是評價汽油機混合氣濃度的指標，也是影響燃燒過程至關重要的因素。為了滿足發(fā)電機對各種工況的要求，對雙燃料發(fā)電機結構及空燃比控制原理進行了研究分析，并在此基礎上，制定了煤層氣發(fā)電機空燃比控制方案設計[7]，如圖2所示?？杖急瓤刂葡到y(tǒng)依據(jù)節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速信號確定理論空燃比，基于發(fā)動機具體工況，通過自動程序控制電磁程控燃氣閥和電磁程控空氣閥的開度大小，以確保煤層氣發(fā)動機空燃比控制速度和精度。在此基礎上，對空燃比控制方案中所涉及的控制器、傳感器及執(zhí)行器等進行合理選型，并設計了包括信號調(diào)理電路、系統(tǒng)電源電路、時鐘及復位電路、電磁閥控制驅動電路、報警電路及顯示電路在內(nèi)的控制系統(tǒng)硬件。

圖2 雙燃料發(fā)電機空燃比控制方案設計圖

1.3.3 環(huán)境保護(降低CO2、NOx和臭氧的排放)

煤層氣熱值與天然氣相似，以其豐富的資源儲備和清潔燃燒特效而成為改善環(huán)境的一種友好清潔能源。有關試驗表明[8，9]，雙燃料發(fā)電機組相比柴油發(fā)電機組，在所有運行工況下，CO2的排放量低；全負荷運行工況下，CO2的排放量減少的幅度最大，可達31%，NOx和CO排放量分別減少54%和59%。

1.3.4 排溫檢測、報警和停機功能

發(fā)動機的熱負荷是主要技術指標，必須進行檢測和控制，而排氣溫度是反映熱負荷的主要參數(shù)依據(jù)。本雙燃料發(fā)電機組增加了排溫檢測、報警和停機功能，保證機組運行在正常的排氣溫度范圍內(nèi)，避免因為排氣溫度過高而引起的發(fā)動機咬缸、汽缸墊沖床、火花塞燒熔、發(fā)動機爆震、排氣系統(tǒng)燒毀等設備安全事故。

1.4 配套抽采工藝優(yōu)化

雙燃料發(fā)電機組汽油系統(tǒng)如圖3所示，在汽油泵的作用下，汽油經(jīng)電磁閥最終進入發(fā)電機組內(nèi)燃燒發(fā)電。

圖3 雙燃料發(fā)電機組汽油系統(tǒng)示意圖

雙燃料發(fā)電機組煤層氣系統(tǒng)管線如圖4所示，可以滿足雙燃料發(fā)電機組的用氣要求。

圖4 雙燃料發(fā)電機組煤層氣管線系統(tǒng)示意圖

其中，過濾脫水器能對煤層氣進行過濾和脫水作用，防止雜質(zhì)和水分進入機組；手動閥起開啟、關閉煤層氣作用；電磁閥在停機控制信號或緊急停機按鈕的作用下能緊急關閉煤層氣管道，切斷煤層氣供應，致使機組緊急停機；調(diào)壓閥滿足機組對煤層氣的壓力要求，調(diào)整煤層氣壓力到合適的值；功率調(diào)節(jié)閥主要起調(diào)節(jié)煤層氣的氣量，以滿足合適的混合氣比例和調(diào)節(jié)功率的作用。

雙燃料發(fā)電機組在采空井煤層氣地面抽采集輸與利用的工藝流程如圖5所示，雙燃料發(fā)電機組首先使用汽油燃料工作為增壓機組等抽采設備提供電能，待增壓機組抽采的煤層氣濃度及流量穩(wěn)定后，開始轉為使用小部分煤層氣燃料發(fā)電，保證采空井抽采設備連續(xù)穩(wěn)定運行，剩余大部分煤層氣經(jīng)流量計和閥門等進入管道集輸，最終形成穩(wěn)定的采空井抽采利用體系。

圖5 雙燃料發(fā)電機組抽采利用工藝流程

1.5 安全聯(lián)鎖運行參數(shù)

監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是抽采工藝設計的安全監(jiān)測部分。在抽采管道，抽采設備和供電線路等處安裝各類傳感器，密切監(jiān)測記錄煤層氣濃度、抽采壓力等參數(shù)變化。雙燃料發(fā)電機組運行過程中，傳感器不斷將測量信號經(jīng)模數(shù)轉換回傳至抽采設備PLC控制模塊[10]。雙燃料發(fā)電機具體連鎖參數(shù)見表3。當雙燃料發(fā)電機組的任意連鎖參數(shù)在正常運行值內(nèi)時，機組安全可靠運行；當其中任一個參數(shù)超過報警臨界值時，機組會發(fā)出相應報警信息，此時應盡快由專人處理；而當其中任一個參數(shù)達到停機臨界值時，在PLC控制下機組自動停止工作，從而實現(xiàn)抽采設備自動聯(lián)鎖報警、停機功能，以確保采空井安全高效抽采[11-15]。另外，為提高煤層氣發(fā)電過程中的安全性，在雙燃料發(fā)電機組上引入排溫檢測、報警和停機功能，以保證機組運行在正常的排氣溫度范圍內(nèi)，避免因為排氣溫度過高而引起的發(fā)電機設備安全事故。

表3 雙燃料發(fā)電機具體參數(shù)

2 應用效果

雙燃料發(fā)電機組主要存在以下創(chuàng)新點：①油、氣自動切換功能：發(fā)電機組初期使用汽油燃料工作，當煤層氣氣源濃度大于40%時，可通過控制柜面板上的油氣開關自動切換成煤層氣燃料工作；②根據(jù)采空井的實際情況安裝煤層氣，氧氣濃度傳感器并設計自動調(diào)節(jié)空燃比控制方案，保證油氣兩用發(fā)電機組的安全高效運行；③遠程通訊接口，可以遠程監(jiān)控機組的運行情況，機組CGC控制器提供RS-485接口，按照約定的通訊協(xié)議提供信號傳輸，可傳輸發(fā)電機組運行的所有參數(shù)和報警、停機信號；④排溫檢測、報警和停機功能，發(fā)動機的熱負荷是主要技術指標，必須進行檢測和控制，而排氣溫度是反映熱負荷的主要參數(shù)依據(jù)，本雙燃料發(fā)電機組增加了排溫檢測、報警和停機功能。

部分采空井運行參數(shù)統(tǒng)計見表4，以4口因地理位置偏僻使用雙燃料發(fā)電機組提供電能的采空井為例，這些井累計穩(wěn)定運行已達1421d，產(chǎn)氣總量達到170.44萬m3，按每方管道煤層氣1.3元計算，直接經(jīng)濟價值221.572萬元。另外，4口采空井可節(jié)省架線成本80余萬元，節(jié)約抽采設備用電成本26萬元，綜上累計可產(chǎn)生經(jīng)濟效益327萬元。

表4 部分采空井運行參數(shù)統(tǒng)計表

抽采出的井下煤層氣可直接并入輸氣管網(wǎng)，用于民用及工業(yè)用氣等?，F(xiàn)場應用表明雙燃料發(fā)電機組可以為采空井配套抽采設備提供電能，并能保障采空井持續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。

3 結 論

1)現(xiàn)場實踐表明，雙燃料發(fā)電機組可以滿足采空井現(xiàn)場抽采設備穩(wěn)定運行的需求，降低了采空井布井區(qū)域要求，對采空井煤層氣的開發(fā)起到很好的促進作用。

2)在低濃度煤層氣(CH4濃度≤40%)情況下，雙燃料發(fā)電機組不能很好的穩(wěn)定供電，主要原因是發(fā)電效率衰減嚴重，可通過配氣的方式提高煤層氣濃度，保證設備正常運行。

3)雙燃料發(fā)電機組可有效降低環(huán)境污染，為社會可持續(xù)發(fā)展提供清潔能源。