王俊杰

(煤炭工業(yè)太原設計研究院集團有限公司， 山西 太原 030001)

瓦斯的主要成分甲烷(CH4)直接排空會造成環(huán)境污染。研究表明，瓦斯的溫室效應是CO2的21倍，對臭氧層的破壞是CO2的7～8倍，在全球氣候變暖中的份額為15%，僅次于CO2[1]. 瓦斯充分燃燒其燃燒熱值與天然氣相當，充分利用既可彌補我國油氣資源短缺，又可拉長煤炭產(chǎn)業(yè)鏈。目前，濃度在30%以下的低濃度瓦斯可以直接排空，如何高效利用顯得尤為重要。低濃度瓦斯發(fā)電是指利用濃度8%～30%的瓦斯進行發(fā)電。低濃度瓦斯發(fā)電廠熱效率可達50%～60%，是低濃度瓦斯利用效率最高的方式。低濃度瓦斯發(fā)電廠工藝系統(tǒng)包括:燃料供應、低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組、廢熱利用等部分。本文從低濃度瓦斯發(fā)電廠的工藝系統(tǒng)、重要設備的工作原理及應考慮的設計程序等方面進行具體論述。

1 燃料供應

燃料供應包括:低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)、低濃度瓦斯預處理系統(tǒng)、低濃度瓦斯防爆等部分。燃料供應各管段均設有放散裝置，吹掃接口，吹掃氣體為氮氣匯流排提供的氮氣[2].

1.1 低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)

瓦斯經(jīng)過在井下收集抽取后通過管路輸送到地面抽放泵站，瓦斯氣源從礦井瓦斯抽采泵站水封井附近母管接入，泵站接口處瓦斯管道壓力約15 kPa，工作溫度為常溫。接口后瓦斯安全輸送母管上依次設置自動濕式放散裝置、電動緊急放散裝置、水封阻火泄爆裝置等，然后分多趟瓦斯安全輸送干管至發(fā)電區(qū)域。每趟干管上依次安裝干式阻火器、自動阻爆裝置、干粉抑爆裝置、水封阻火泄爆裝置等然后匯入瓦斯安全輸送混合管。瓦斯安全輸送混合管末端設置電動穩(wěn)壓放散裝置。

1) 電動緊急放散裝置、自動濕式放散裝置和電動穩(wěn)壓放散調(diào)節(jié)裝置。

電動緊急放散裝置采用電動蝶閥+阻火器，當電廠停運時，通過DCS控制系統(tǒng)主動打開電動蝶閥將多余瓦斯放散。自動濕式放散裝置是一種利用水封進行超壓保護的低壓安全裝置，適用于≤20 kPa的瓦斯管道；當瓦斯管道超壓時，水封被有效擊穿，瓦斯自動放散；為了維持水封的水位及進行本體防凍，自動濕式放散裝置本身還帶有自動補水及電熱小循環(huán)裝置。電動穩(wěn)壓放散調(diào)節(jié)裝置采用電動調(diào)節(jié)閥+阻火器，通過調(diào)節(jié)母管末端電動調(diào)節(jié)閥用于維持母管壓力，減少機組進氣壓力波動。

2) 自動阻爆裝置。

自動阻爆裝置對火焰和沖擊波進行超前識別，并發(fā)出控制信號控制自動阻爆裝置啟動，快速阻斷管道，達到切斷沖擊波和火焰?zhèn)鞑ネǖ赖哪康模⒈óa(chǎn)生的沖擊波釋放出去。

3) 水封阻火泄爆裝置。

水封阻火泄爆裝置是一種采用水封消焰阻火、泄爆部件釋放爆炸壓力的方式，熄滅由于管道瓦斯燃燒爆炸產(chǎn)生的火焰，從而達到將管道瓦斯爆炸控制在一定范圍內(nèi)的管道瓦斯輸送安全保障裝置[3].

4) 干粉抑爆裝置。

干粉抑爆裝置通過火焰?zhèn)鞲衅鹘邮栈鹧嫘盘?，輸入控制器，控制器觸發(fā)抑爆器，抑爆器將滅火劑噴射到火焰陣面上，撲滅火焰，阻止火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

5) 干式阻火器。

煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器用于煤礦瓦斯輸送管道中阻止爆燃或爆轟火焰通過。

低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)流程圖見圖1.

圖1 低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)圖

1.2 低濃度瓦斯預處理系統(tǒng)

根據(jù)燃機對燃料品質(zhì)的要求，在每臺機組進氣支管上依次設置汽水分離器、降溫脫水模塊、回熱器、初級過濾器、精密過濾器等。

1) 汽水分離器。

汽水分離器用于除去瓦斯氣中的大顆粒粉塵和液態(tài)水。

2) 降溫脫水模塊。

濕瓦斯進入低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組燃燒，將降低低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組的效率、可靠性和壽命，因此需設置降溫脫水模塊對瓦斯進行預冷與脫水，使得瓦斯?jié)穸冉抵溜柡鸵韵?。降溫脫水模塊包括降溫換熱器(使瓦斯溫度降低)、制冷機組(為降溫換熱器提供冷卻液)、循環(huán)冷卻液泵(為冷卻液提供動力)以及補液箱(補充冷卻液損耗)。

3) 回熱器。

經(jīng)過降溫脫水模塊后的瓦斯?jié)穸热詾轱柡?，故需通過升溫環(huán)節(jié)，降低瓦斯?jié)穸?，因此設置有回熱器，利用缸套冷卻液將瓦斯加熱，使得瓦斯?jié)穸冉抵?0%以下，再送至發(fā)電機組使用。

4) 初級過濾器。

瓦斯中含有的雜質(zhì)將降低低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組的效率、可靠性和壽命，因此在低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組前設置初級過濾器，以濾掉瓦斯中的粗大雜質(zhì)。

5) 精密過濾器。

在初過濾器后設置精密過濾器，以濾掉瓦斯中殘余的細小雜質(zhì)，從而確保低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組的用氣潔凈度要求。

低濃度瓦斯預處理系統(tǒng)流程圖見圖2. 汽水分離器后瓦斯安全輸送管道材料采用SUS304，其他瓦斯安全輸送管道材料采用Q235. 電磁閥前設置排空放散閥。

圖2 低濃度瓦斯預處理系統(tǒng)圖

1.3 低濃度瓦斯防爆

甲烷(CH4)在常壓和20 ℃溫度條件下空氣中的混合濃度爆炸下限是5%，爆炸上限是15%. 使用井下抽放瓦斯作為機組的燃料，由于瓦斯中CH4濃度是變化的，有些低濃度瓦斯中甲烷(CH4)濃度在爆炸區(qū)域以內(nèi)，因此要做好防爆工作。

低濃度瓦斯發(fā)電機房、低濃度瓦斯的進出氣閥室、油料間等爆炸危險區(qū)內(nèi)的電氣設備除發(fā)電機組外應采用防爆型，并有煤礦安全標志[4].

在瓦斯安全輸送母管及瓦斯安全輸送混合管末端等處設有放散管。在低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組啟動及停運時瓦斯管道采用氮氣吹掃。

在瓦斯安全輸送母管、瓦斯安全輸送干管上設置水封阻火泄爆裝置。

在瓦斯安全輸送干管、排空放散管上設置干式阻火器。每臺燃機進氣支管汽水分離器和降溫脫水模塊之間安裝壓力傳感器、降溫脫水模塊和回熱器之間安裝火焰?zhèn)鞲衅?。當燃機中的任意一臺進氣支管監(jiān)測到火焰和壓力信號時，自動阻爆裝置與干粉抑爆裝置啟動，報警器報警、停止瓦斯供應，停燃機并打開所有放散閥。

在低濃度瓦斯發(fā)電機房可燃氣體報警分為兩級報警：一級報警(高限)設定值為0.5%VOL；二級報警(高高限)設定值為1%VOL. 當達到一級報警條件時，除報警外并開啟全部通風機進行通風；當達到二級報警條件時，除報警、開啟全部通風機進行通風外同時關(guān)閉燃機進口快切閥，停燃機并打開所有放散閥。

防止火源是重要的防火防爆措施，電廠運行時要嚴禁煙火。

2 低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組

預處理后的合格瓦斯通過瓦斯管道送至低濃度瓦斯發(fā)電機房或發(fā)電機組集裝箱內(nèi)依次經(jīng)過關(guān)斷閥、精密過濾器、干式阻火器、止回閥和電磁閥后，通過軟連接與低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組連接?？紤]到低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組對進口瓦斯參數(shù)的要求，瓦斯管道上設在線甲烷(CH4)濃度監(jiān)測儀，當濃度低于9%時報警，低于8%時切斷閥門，停止瓦斯供應。低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組對燃料的通常要求見表1.

表1 燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組對燃料的要求表

低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組可單臺運行也可多臺并機運行，機組運行采用DCS控制。低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組是低濃度瓦斯發(fā)電的“心臟”；是將瓦斯燃燒的熱值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜔崮艿暮诵脑O備；低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組單臺全套裝置主要包括：低濃度瓦斯內(nèi)燃機、發(fā)電機、散熱水箱、機組控制屏、燃氣進氣閥組以及滅火花型排煙消音器等。

現(xiàn)在國內(nèi)外生產(chǎn)的低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組單機容量為100～1 500 kW，能夠滿足低濃度瓦斯發(fā)電廠的裝機需求。單機容量越大，單價越高，但發(fā)電效率也越高，占地面積越小，NOx排放濃度越低，燃氣和脫硝成本越低，運行越穩(wěn)定。目前，在低濃度瓦斯發(fā)電領域已有成功運行工程中常用的機組單機容量為1 500 kW，低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組系統(tǒng)流程圖見圖3.

圖3 低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組系統(tǒng)圖

3 廢熱利用

在低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組發(fā)電過程中，燃料燃燒熱值中只有約40%被發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能，近50%的能量以廢熱的形式隨煙氣和缸套冷卻液排出，廢熱利用是在低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組發(fā)電的同時，對機組排出的高溫煙氣和缸套冷卻液的能量進行回收利用，所有熱力主管道安裝可靠的保溫以減少管道散熱損失，全廠熱效率可達60%.

3.1 煙氣廢熱利用

低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組排出的煙氣溫度高達450～550 ℃，在機組后配套廢熱鍋爐回收機組尾部高溫煙氣中的廢熱，從而產(chǎn)生蒸汽或熱水進行發(fā)電或供熱。另外，廢熱鍋爐排煙溫度約140 ℃，若安裝低溫換熱器，將排煙溫度降至110 ℃，則還可回收低溫煙氣廢熱。廢熱發(fā)電系統(tǒng)提高了發(fā)電效率，廢熱供熱系統(tǒng)保證了供熱的安全性，煙氣廢熱利用回收廢熱資源做到循環(huán)經(jīng)濟。

3.2 缸套冷卻液廢熱利用

燃機的冷卻采用封閉式冷卻系統(tǒng)，設備各自帶遠程散熱水箱，與燃機一對一配置，布置在集裝箱頂部。發(fā)動機通過管道直接與水箱連接，水損失少。冷卻水系統(tǒng)分為缸套冷卻液冷卻和中冷水冷卻，均采用獨立的冷卻水管道。其中缸套冷卻液管路，燃機出/進口溫度約為90/70 ℃，通過三通調(diào)節(jié)閥與遠程散熱水箱及缸套冷卻液板式換熱器連接。每臺燃機配套一臺缸套冷卻液板式換熱器，可換取熱水給工業(yè)區(qū)供熱系統(tǒng)管網(wǎng)供熱和瓦斯預處理系統(tǒng)溴化鋰制冷機組提供熱源。將機組缸套冷卻液廢熱充分利用，實現(xiàn)熱電聯(lián)供循環(huán)經(jīng)濟運行。

4 結(jié) 論

低濃度瓦斯發(fā)電廠的性質(zhì)通常為分布式瓦斯電廠，屬資源綜合利用，即利用抽放泵站抽采的低濃度瓦斯，通過低濃度瓦斯內(nèi)燃機機組進行熱電聯(lián)供，就近供煤礦使用，多余部分則輸入電網(wǎng)等。低濃度瓦斯發(fā)電廠的建設既為礦區(qū)的供電、供熱節(jié)約大量燃煤，也給電廠帶來了良好的經(jīng)濟效益。