劉睿

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西太原 030022）

作為溫室氣體的瓦斯，會(huì)引發(fā)氣候變暖的生態(tài)環(huán)境問題；同時(shí)作為清潔能源的瓦斯氣體，其利用價(jià)值也相當(dāng)豐厚，享有“第二煤炭資源”的美稱。所以，通過煤礦瓦斯的合理利用，能將煤礦瓦斯事故有效規(guī)避，既有利于煤礦安全生產(chǎn)條件的改善，能促進(jìn)潔凈能源供應(yīng)的增加、也可將溫室氣體排放量的減少，從而為資源利用、尊重生命及環(huán)境保護(hù)等多重目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 八字山瓦斯發(fā)電廠建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 瓦斯安全供應(yīng)輸送系統(tǒng)

該煤礦瓦斯儲(chǔ)量為2060.25Mm3，可抽采儲(chǔ)量為646.59Mm3。根據(jù)采掘進(jìn)度在2019—2027年抽采量為9~12m3/min，抽采的瓦斯維持在20%～25%的濃度，通過低濃度瓦斯輸送安全保障技術(shù)的運(yùn)用，能有效保障輸用氣的安全性[1]。根據(jù)《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》來看，需將三種原理不同的阻火防爆裝置安設(shè)在低濃瓦斯管道輸送保障設(shè)施，具體包含泄爆、抑爆、阻爆[2]。目前較為常見低濃瓦斯輸送方式為細(xì)水霧輸送抑爆裝置和自動(dòng)噴粉抑爆裝置，但是考慮到運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性本項(xiàng)目擬采用自動(dòng)噴粉抑爆的輸送方式。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 瓦斯輸送工藝流程

1.2 機(jī)組選型布置方案

綜合各方面情況來看，選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組作為本瓦斯發(fā)電項(xiàng)目，目前在我國運(yùn)行或者安裝的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組分為國產(chǎn)和進(jìn)口兩種。受制于技術(shù)的限制國產(chǎn)廠家目前只有500kW、700kW 和1000kW 等小型機(jī)組運(yùn)行，單機(jī)容量大的暫無成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。美國卡特比勒、德國道依茨等屬于主要的進(jìn)口廠家，均有額定功率在1.3MW 及以上的大型機(jī)組。根據(jù)本項(xiàng)目占地面積、額定功率、燃料消耗量和單位投資，下面對(duì)滿足本項(xiàng)目的3種不同功率的國產(chǎn)和進(jìn)口機(jī)組進(jìn)行了全方位的比較，如表1 所示。

表1 3 種不同功率的國產(chǎn)和進(jìn)口機(jī)組相關(guān)指標(biāo)比較

通過在中冷器內(nèi)設(shè)置高性能阻火器、進(jìn)氣支管設(shè)置泄爆口等措施，提高了機(jī)組的安全性；增大空燃比設(shè)計(jì)、使得機(jī)組的甲烷濃度10%~100%范圍內(nèi)可調(diào)；并且根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料，在無須進(jìn)行煙氣脫硝的情況下，進(jìn)口機(jī)組的氮氧化物（NOX）排放量指標(biāo)與《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排放污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》中Ⅴ階段NOX排放績效值不大于2.0g/kWh 的要求相符合，遠(yuǎn)低于國產(chǎn)機(jī)組的NOX排放。根據(jù)以上原因本項(xiàng)目低濃度擬選址單機(jī)容量大、占地小，且大部分指標(biāo)均較優(yōu)點(diǎn)進(jìn)口1.5MW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。

表2 瓦斯發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用

表3年生產(chǎn)成本

在機(jī)組布置方式方面，目前主流的方式有廠房式布置和集裝箱式布置兩種，廠房式的特點(diǎn)是占地面積較大，施工周期長，但是內(nèi)部空間較大、通風(fēng)效果好，檢修和運(yùn)行維護(hù)方便，并且具有較好的隔音降噪的特點(diǎn)。適合用在城市郊區(qū)，擁有較大的占地面積且臨近村莊的地區(qū)[3]。集裝箱式布置具備施工周期短、占地面積小等特點(diǎn)，且運(yùn)輸和安裝設(shè)備不難，但是該型機(jī)組內(nèi)部通道狹窄、運(yùn)行和檢修不便，隔音降噪性能差，適合用在偏僻、遠(yuǎn)離人煙且可用面積有限的地區(qū)。而八字山工業(yè)場(chǎng)地位于遠(yuǎn)離人煙的八字山山谷中，處于一半回填土一半基巖的半山腰，可用場(chǎng)地面積十分有限，因此擬選擇集裝箱式的布置形式。

2 八字山瓦斯發(fā)電廠建設(shè)應(yīng)用

2.1 電廠發(fā)電負(fù)荷

本項(xiàng)目屬于資源綜合利用項(xiàng)目，總裝機(jī)容量定為3MW，按照2×1.5MW 集裝箱式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組配套熱管換熱器，利用八字山瓦斯抽放站抽采的瓦斯進(jìn)行發(fā)電，電廠發(fā)出的電除廠用電外，多余電量將以單回6kV 線路與八字山35kV 變電站6kV母線并入內(nèi)網(wǎng)。但是由于抽放站的抽放量有限，所配置的2 臺(tái)機(jī)組不能夠滿負(fù)荷運(yùn)行，電廠總運(yùn)行負(fù)荷約為2780kW。因此本項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)年設(shè)備利用小時(shí)數(shù)為7500h，年耗純瓦斯量540.0×104Nm3，年發(fā)電量為 2084.4×104kWh，同時(shí)通過熱管換熱器回收機(jī)組煙氣余熱產(chǎn)生熱風(fēng)，全部送往八子山風(fēng)井場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)井；機(jī)組缸套水板式換熱器產(chǎn)生的熱水，除供應(yīng)電廠采暖外，剩余部分供應(yīng)廠區(qū)其他建筑物使用，預(yù)計(jì)年供熱量為3.2858×104GJ。

2.2 余熱利用方式

以八字山工業(yè)場(chǎng)地實(shí)際情況來看，風(fēng)井場(chǎng)地南翼進(jìn)風(fēng)井需要8475m3/min 的風(fēng)量，井筒防凍熱負(fù)荷為4807kW，為了保證井筒混合溫度大于2℃，要求熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度大于60℃。場(chǎng)地內(nèi)規(guī)劃的紅外線電加熱熱風(fēng)爐共五臺(tái)，熱功率共計(jì)4255kW。風(fēng)井場(chǎng)地各建筑物采暖熱負(fù)荷總計(jì)680kW。因此本項(xiàng)目擬配置兩臺(tái)熱管換熱器和高溫水板式換熱器，熱管換熱器回收機(jī)組煙氣余熱產(chǎn)生的熱風(fēng)，全部送往進(jìn)風(fēng)井；機(jī)組高溫水板式換熱器產(chǎn)生的熱水，除供應(yīng)電廠采暖外，剩余部分供應(yīng)八字山風(fēng)井場(chǎng)地各建筑使用。其中：單臺(tái)熱管換熱器能夠回收782kW 的熱量，產(chǎn)生-20℃/95℃熱風(fēng)20000Nm3/h；單臺(tái)高溫水板式換熱器能回收773kW 的熱量，產(chǎn)生80℃/60℃熱水。由此可見：本項(xiàng)目余熱利用系統(tǒng)共可產(chǎn)生60℃熱風(fēng)約958.3Nm3/min 送往井下，雖不能滿足井下所需熱風(fēng)量，但是可以作為紅外電加熱風(fēng)爐的有效補(bǔ)充，節(jié)約部分能源，而兩臺(tái)高溫水板式換熱器回收的熱量可滿足八字山工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)所有建筑的采暖需求。

2.3 八字山瓦斯發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)及效益分析

2.3.1 建設(shè)投資分析

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，選擇概算編制法對(duì)主要工程及設(shè)備材料展開估算，以類似項(xiàng)目投資水平估算次要工程、設(shè)備及材料，以生產(chǎn)環(huán)節(jié)為根據(jù)估算投資。得到如表2 所示的各項(xiàng)建設(shè)費(fèi)用。

2.3.2年生產(chǎn)成本分析

本項(xiàng)目中，經(jīng)營成本、其他費(fèi)用、攤銷費(fèi)和折舊費(fèi)等費(fèi)用共同組成了年生產(chǎn)成本。其中，經(jīng)營成本將材料費(fèi)、修理費(fèi)、職工薪酬等多項(xiàng)費(fèi)用包含在內(nèi)[4]。表3 展示了年生產(chǎn)成本中各項(xiàng)具體費(fèi)用。

2.3.3 效益分析

本項(xiàng)目竣工并投入發(fā)電時(shí)，每年基本能保持2084.4×104kWh的正常發(fā)電，年上網(wǎng)電量1966.21×104kWh，稅后上網(wǎng)電價(jià)執(zhí)行0.4267 元/kWh；瓦斯用量 540×104Nm3，利用 1Nm3瓦斯可獲得國家補(bǔ)貼0.4 元。由此估算在正常年份，本項(xiàng)目的售電收入可達(dá)839 萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。如果維持在540 萬m3的年平均利用瓦斯，超過了85%的利用率，可將礦井瓦斯抽采向大氣排放的量大幅減少，從而緩解大氣污染問題，產(chǎn)生極大的社會(huì)效益。

3 結(jié)語

綜上所述，通過瓦斯發(fā)電站的建設(shè)與應(yīng)用，可促進(jìn)煤礦瓦斯抽采量的有效利用，同時(shí)能將瓦斯排放減少，減少電力系統(tǒng)中的用電量，從而達(dá)到節(jié)省煤炭資源與環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)。具備雙回路電源供電條件的煤礦有很多，煤礦瓦斯發(fā)電廠是礦井用電的有效補(bǔ)充，可當(dāng)作重要的備用電源使用，能帶來相當(dāng)豐富的經(jīng)濟(jì)效益。