張明豪

（山西凱嘉煤層氣發(fā)電有限公司，山西介休 032000）

0 引言

瓦斯是煤炭生成過程中的伴生氣體，雖然在一定程度上是制約煤礦生產(chǎn)安全的不利因素，但也是一種寶貴的清潔能源[1]。煤礦井下抽采的瓦斯中含有氮?dú)?、氧氣以及甲烷等，瓦斯的溫室效?yīng)約為二氧化碳的21倍，若將瓦斯直接排放，則會給生態(tài)環(huán)境造成顯著的不利影響[2-3]。通過將抽采瓦斯合理利用，不僅可以減少化石燃料消耗，而且還有利于環(huán)境保護(hù)?，F(xiàn)階段瓦斯最常用的方式有瓦斯發(fā)電、液化、氧化等[4]。

由于受到煤礦井下條件影響，大部分礦井抽采出的瓦斯?jié)舛仍?0%以下，這種濃度瓦斯適合于瓦斯發(fā)電[5]?，F(xiàn)場通過對瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，瓦斯發(fā)電機(jī)組實(shí)際效率要顯著低于設(shè)計(jì)效率，主要是由于受到瓦斯中的水分、溫度、壓力、甲烷濃度等影響，其中瓦斯壓力對瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率影響顯著[6-8]。因此，本文以山西某瓦斯發(fā)電廠為工程背景，采用理論分析及現(xiàn)場測試方法，分析瓦斯壓力對瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率的影響，以期能在一定程度上提升瓦斯發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。

1 瓦斯發(fā)電機(jī)組工作原理

現(xiàn)階段，瓦斯發(fā)電主要采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)，基本的運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 瓦斯發(fā)電機(jī)組工作原理示意圖

采用真空泵將瓦斯從井下抽采之后，瓦斯流經(jīng)瓦斯泵房，在瓦斯泵房內(nèi)裝有加壓泵，可以對抽采的瓦斯進(jìn)行加壓。對瓦斯加壓后，瓦斯壓縮會造成瓦斯溫度上升，因此在進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)組前，需要采用預(yù)冷機(jī)組對輸送管道內(nèi)的瓦斯溫度進(jìn)行降低。在瓦斯進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)組后，內(nèi)燃機(jī)根據(jù)進(jìn)入的瓦斯?jié)舛葘ξ肟諝饬窟M(jìn)行調(diào)整，從而使瓦斯?jié)舛扰c空氣間的比值達(dá)到最佳，讓瓦斯燃燒更為充分。瓦斯燃燒產(chǎn)生能量推動(dòng)活塞做往返運(yùn)動(dòng)，隨后帶動(dòng)曲軸做旋轉(zhuǎn)，曲軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)組聯(lián)接，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器后給用電載荷供電。

2 瓦斯壓力對瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率影響理論分析

礦井抽采的瓦斯主要成分為氮?dú)?、氧氣以及甲烷，其中甲烷含量直接關(guān)系到瓦斯發(fā)電效率。當(dāng)瓦斯發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)以及安裝完畢后，對瓦斯發(fā)電機(jī)組實(shí)際發(fā)電效率影響最為顯著的就是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)中的甲烷流量。提高進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的甲烷流量的方式有3種：（1）降低輸送管道內(nèi)的瓦斯氣體溫度；（2）提高瓦斯輸送壓力；（3）提高瓦斯中的甲烷濃度。

瓦斯氣體溫度降低效果與預(yù)冷機(jī)組制冷效果密切相關(guān)；甲烷濃度跟礦井生產(chǎn)條件、瓦斯抽采方式密切相關(guān)，受礦井條件限制明顯?？梢酝ㄟ^適當(dāng)增加加壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度來替代瓦斯管道輸送壓力，但是受瓦斯壓力提升與安全因素限制，瓦斯壓力提升時(shí)會增大甲烷爆炸極限范圍，如若瓦斯爆炸極限范圍擴(kuò)展至甲烷實(shí)際含量，當(dāng)條件合適時(shí)，甲烷就可能會發(fā)生爆炸，給瓦斯發(fā)電帶來嚴(yán)重安全隱患。因此，瓦斯壓力提升受限制明顯。

內(nèi)燃機(jī)瓦斯燃燒缸內(nèi)的體積是保持不變的，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)瓦斯燃燒缸內(nèi)的瓦斯體積保持不變，則理論情況下的平衡方程為：

式中：P為瓦斯壓力；V為瓦斯燃燒缸內(nèi)體積；n為摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為溫度。

由式（1）可知，當(dāng)V、R、T保持不變的情況下，提高瓦斯壓力可以提升瓦斯摩爾數(shù)，即在保證瓦斯中甲烷濃度不變的情況下，提升瓦斯流量。

礦井瓦斯采用負(fù)壓抽采方式，抽采管道內(nèi)的壓力通常為負(fù)值，瓦斯經(jīng)過瓦斯泵房經(jīng)加壓泵加壓后，瓦斯管道的瓦斯壓力通?？梢赃_(dá)到數(shù)千Pa。

3 輸送壓力對瓦斯發(fā)電機(jī)組功率影響分析

3.1 瓦斯輸送壓力提高方法

為了提升瓦斯輸送機(jī)壓力，可以采取下述幾種方法。

（1）提升瓦斯抽采泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從源頭上提高瓦斯輸送壓力。通常采用變頻器來實(shí)現(xiàn)對瓦斯抽采泵的運(yùn)行速度調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提高瓦斯泵排氣壓力的目的。

（2）減少瓦斯輸送管路的輸送阻力，主要可以采用的方法為減少瓦斯輸送長度，減少輸送管理中彎頭、阻火器等數(shù)量。

（3）若瓦斯輸送管路線路過長，可以采用在輸送管路中增設(shè)增壓泵的方法來提高輸送壓力。

一般情況，礦井多是在瓦斯泵房加壓泵上增加布置一變頻器來實(shí)現(xiàn)提高瓦斯輸送壓力的目的。在瓦斯輸送長度、輸送阻力等其他條件不變的情況下，瓦斯管路輸送壓力與變頻器輸送頻率成正比。

3.2 瓦斯輸送壓力對瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率試驗(yàn)分析

山西某礦地面瓦斯發(fā)電站布置有一臺發(fā)電功率700 kW的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，如圖2所示；配備有預(yù)冷機(jī)組（氟利昂），如圖3所示。瓦斯泵站有變頻器可以實(shí)現(xiàn)對瓦斯輸送壓力進(jìn)行調(diào)整。

以該瓦斯發(fā)電機(jī)組為研究對象，通過變頻器來對加壓泵運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，從而改變瓦斯輸送壓力。在瓦斯輸送管道上裝置有壓力表以及壓力傳感器，在監(jiān)控中心即可實(shí)現(xiàn)對輸送管道壓力的變化進(jìn)行記錄。瓦斯輸送溫度測量可以通過溫度傳感器在監(jiān)控中心讀取，同時(shí)也可以采用紅外儀現(xiàn)場測量。

圖2 礦井瓦斯發(fā)電機(jī)組

圖3 瓦斯輸送管路預(yù)冷機(jī)組（氟利昂）

瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率數(shù)據(jù)讀取可以從控制中心獲取，在測試過程中通過改變變頻器輸送頻率來改變加壓泵運(yùn)行速度，從而改變瓦斯輸送壓力。從監(jiān)控中心獲取到的不同瓦斯輸送壓力下的發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率如表1所示；具體瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率隨輸送壓力變化情況如圖4所示。

表1 不同瓦斯輸送壓力下的發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率

圖4 瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率隨輸送壓力變化情況

從表1及圖4中可以看出，隨著瓦斯輸送壓力的增加，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率也顯著提升，整體變化呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢。通過式（1）及上述理論分析也可以得出，隨著瓦斯輸送壓力的增加，瓦斯發(fā)電機(jī)組會呈現(xiàn)出增加趨勢。

以瓦斯輸送壓力為1.0 kPa及11.1 kPa兩種情況下，保持瓦斯輸送溫度、流量以及濃度穩(wěn)定的情況下，輸送機(jī)的甲烷質(zhì)量流量比值可以采用下式計(jì)算求得：

實(shí)際情況下，從1.0 kPa輸送壓力增加至11.1 kPa輸送壓力時(shí)，發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率增加率為520 kW/486 kW=1.07。從上述分析可知，隨著瓦斯輸送壓力的增加，輸送至發(fā)電機(jī)組內(nèi)的甲烷分子量增加顯著，但是甲烷分子增加量顯著高于發(fā)電機(jī)組功率的增加幅度，主要是由于實(shí)際瓦斯發(fā)電機(jī)組工作過程中受到諸多因素的影響，瓦斯中的含水量、發(fā)電機(jī)組的氣缸溫度過高等都會影響發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率。

4 結(jié)束語

通過上述分析可知，通過提高瓦斯輸送泵的工作頻率來提升瓦斯輸送壓力，可以在一定程度上提升瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率。在煤層瓦斯含量較高的礦井，不需要額外增加設(shè)備投入，僅僅通過變頻控制措施，就可以大幅度增加瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率，提升瓦斯發(fā)電效果。但是，由于瓦斯輸送機(jī)的壓力增加會在一定程度上增加瓦斯爆炸的極限范圍、瓦斯輸送溫度，因此應(yīng)做好相對應(yīng)的安全防護(hù)及溫度降低措施，確保生產(chǎn)安全。