浅析煤矿瓦斯发电技术和进气系统工艺流程改造

杜新宇 王效民 李 彬

（焦作煤业集团供电分公司，河南省焦作市，454000）

浅析煤矿瓦斯发电技术和进气系统工艺流程改造

杜新宇 王效民 李 彬

（焦作煤业集团供电分公司，河南省焦作市，454000）

介绍了煤矿低浓度瓦斯发电的工艺流程、低浓度瓦斯水雾输送系统及发电技术。通过调研及技术交流，对安装和试运行中存在的问题进行了工艺创新改造。

瓦斯发电 水雾输送系统 进气系统 循环水系统 焦作煤业集团

AbstractProcess flow of power generation using low concentration methane gas of coal mines and conveying system ＆power generation technology of gas－water mist of low concentration have been introduced.Process renovation and upgrading have been carried out on the unreasonable steps through field investigations and technical exchanges aiming at the problems arising from the installation and commissioning.

Key wordsgas power generation，conveying system of water system，gas suppy system，water circulation system.

1 概述

为了充分利用能源，又不破坏环境，近年来我国加大了对瓦斯发电技术的研究。瓦斯发电技术就是把煤矿井下瓦斯气体抽上送入内燃机气缸中，经吸气、压缩、作功、排气4个冲程来推动发电机旋转发电的过程。而低浓度瓦斯发电项目的成功在一定程度上改善了能源结构，实现以利用促抽采、以抽采促安全的煤矿良性循环发展。

2006年以前，焦煤集团煤矿含瓦斯丰富，每年可抽放纯瓦斯量约4000万m3，但只有400万m3浓度高于25%的瓦斯被送入到煤气公司供居民使用，其余低浓度瓦斯被排放到大气中，既浪费了大量洁净能源，又污染了环境。

2006年7月，焦作煤业集团公司对瓦斯发电项目进行考察立项，2006年11月，瓦斯发电工程开始动工、设备安装。经过几年运行，积累了丰富的瓦斯发电技术经验。通过调研、技术交流等措施对工艺流程不合理的地方进行创新改进，取得了很好的效果。

2 煤矿低浓度瓦斯水雾输送系统及发电技术介绍

2.1 煤矿低浓度瓦斯水雾输送系统介绍

低浓度瓦斯水雾输送是利用水位自控式水封阻火器、瓦斯管道专用阻火器及瓦斯与细水雾混合输送等，实现低浓度瓦斯安全输送供给瓦斯发电机组发电。进气工艺：抽放泵站→水位自控式水封阻火器→瓦斯管道专用阻火器→低温湿式放散阀→防爆电动碟阀→水雾输送系统→溢流脱水水封阻火器→自动放散阀→旋风重力脱水器→发电机组。进气系统工艺见图1。

在低浓度瓦斯水雾输送系统把矿井瓦斯抽放站的瓦斯气体送入始端水位自控式水封阻火器的过程中，通过雷达监控水面，实现自动补水和放水，保持水位不变，提高瓦斯输送系统的安全可靠性能。水位自控式水封阻火器后面接瓦斯管道专用阻火器，安全阻火速度可以达到1210m／s，可有效阻火，从根本上保证了系统的安全可靠性。在瓦斯管道专用阻火器后面安装低温湿式放散阀，当管道内瓦斯压力超过设定值时放散阀可自动打开。在湿式放散阀后面安装防爆电动蝶阀，在防爆电动蝶阀后面安装水雾发生器。在溢流脱水水封阻火器后安装自动放散装置，通过防爆电动闸阀控制放散，调整压力扰动。每台瓦斯发电机组配套一组旋风、重力脱水装置，脱水后的瓦斯经手动蝶阀和瓦斯专用阻火器后供发电机组发电。

立式多级离心泵将雾化水池的水加压后，利用给水管输送到水雾发生器中，从而实现细水雾与瓦斯混合输送，沿程的凝水大部分汇集到细水雾输送系统末端的溢流式水封阻火器内，通过水封阻火器溢水管回流到雾化水池内。低浓度瓦斯在进入发电机组前通过旋风、重力脱水装置脱出的水回流到雾化水池内。从而实现低浓度瓦斯水雾输送系统的水循环使用。

图1 进气工艺

2.2 燃气发动机工作原理介绍

瓦斯气体送入发电机组的内燃机气缸中，经吸气、压缩、作功、排气4个冲程，发动机完成一个工作循环，曲轴转动两周，活塞往复运动两次，主轴连接发电机旋转两圈，产生电能。完成了化学能转换为机械动能，再把机械动能转化为电能的过程。

燃气发动机周而复始地运动产生的热量，经过机油冷却和润滑。机油在机组自带的换热器中循环，与外循环冷却水进行换热。热水经逆流式玻璃钢冷却塔冷却，从而保证机组长期可靠运转。

3 进气系统工艺流程创新改造

煤矿低浓度瓦斯水雾输送系统在试运行期间就暴露出很多问题，通过对淮南矿业集团、平顶山煤业集团的调研，以及与胜动集团等相关单位的技术交流，提出了几项工艺改造，并达到预期的效果。

（1）把低温湿式放散阀的位置调整在防爆电动碟阀之前，以防止因发动机故障跳闸自动关闭防爆电动碟阀、使运行人员不能及时打开矿抽放站排空阀门放散瓦斯气体、造成抽放泵的憋气故障的发生。

（2）瓦斯输送钢管长期在气水混合物腐蚀下产生少量的氧化铁渣，经常堵塞瓦斯专用阻火器 （瓦斯专用阻火器主要是基于火焰通过狭窄通道时熄灭现象研究设计的。它是很薄钢板卷制成圆形，每层圆板之间形成狭缝，火焰面内靠近狭缝冷壁处，火焰热量流向冷壁边界，形成熄火层熄灭），阻碍瓦斯流通，使得燃气机组不能正常满负荷出力。设计原理和材质决定了它体积大、重量沉、拆卸清洗困难的缺点。焦作煤业集团公司前期建设的古汉山瓦斯电站和位村瓦斯电站均存在这种问题，为了维修方便，经过调研、分析后，对其进行了改进，在瓦斯管道专用阻火器前后安装通用波纹膨胀节，使得清洗瓦斯气管道中干式阻火器变的非常方便。在实践的过程中，又对输送管道的材质采用新型耐用磨损、防腐蚀复合材质管道代替钢制管道，大大减少了清理干式阻火器的次数，节省管道防腐处理费用，减轻了工人的劳动强度。

（3）在雾化泵吸水管中设计一Y型粗过滤器，把出口管的Y型过滤器换成C型细过滤器，用双重过滤器来清除杂质，避免杂质堵塞水雾输送系统内高压水喷嘴器，使得低浓度瓦斯气体彻底雾化，保证安全输送。

（4）每台机组的旋风、重力脱水器排出水都混合有少量瓦斯。在旋风、重力脱水器排水管与主回水总管之间加设隔离球阀，防止重力脱水器检修时，雾化水池中的部分残留瓦斯沿着主回水管倒灌流入检修的重力脱水器中泄露。

（5）在瓦斯管道末端设计小型自动调压放散阀。当瓦斯气体压力突变时，控制系统自动打开小型自动调压放散阀，排放部分瓦斯，使压力维持在一定小范围波动，减小了系统扰动，同时也解决了瓦斯压力突变引起的紧急停机故障。现场施工尽量缩短益流式水封阻火器与瓦斯泵房的距离，避免低浓度瓦斯非水雾化输送的危险。

4 循环水系统工艺流程创新改造

在冷却水循环系统水泵泵前吸水管中安装Y型过滤器和闸阀，滤除水池杂物，使得冷却水畅通无阻，快速降低发电机组缸温，提高泵的效率。循环水系统工艺流程图见图2。水池上加盖金属网，防止秋季树叶落入池中堵塞泵而发生故障。清洗Y型过滤器时关闭DN150闸阀，防止水池水泄露。在吸水泵出口管道安装旋体式逆止阀，防止停泵时水重锤效应产生的压力损坏叶轮。为了方便拆卸循环水泵，在泵体两头安装普通伸缩节。抬高循环水池标高，让水位高于循环水泵体，冷却水自动灌入泵中，免去启泵前注水程序。

图2 循环水系统工艺流程图

5 投资回报分析

以古汉山瓦斯站为例计算投资回报期。

古汉山瓦斯发电站有3发电机组，两开一备用。单机额定功率500kW，连续运行功率为400 kW。考虑瓦斯浓度变化和井下瓦斯管道检修，经济指标按2台380kW连续运行，全年运行时间按7200h进行核算。则每年可发电量为380kW×2台×7200h＝547.2万kWh；站综合厂用电率按2.5%计算则为547.2万kWh×2.5%＝13.7万kWh；上网电量547.2－13.7＝533.5万kWh。按照内部上网价格每度0.36元计算，电费收入为533.5万kWh×0.36元／kWh≈192万元；总成本费按27%计算是192×27%＝51.8万元；利润为192－51.8＝140.2万元；财政补助：减排纯瓦斯200万m3×0.2元／m3＝40万元。工程项目最低造价估计530万元，投资回报期为530÷（140.2＋40）＝2.9年。

可见，经济效益十分可观，3年内可以收回成本。

近年来，随着瓦斯发电技术的不断发展，焦作煤业集团先后建立了7座瓦斯发电站。目前焦煤集团每年可以减少CO2排放量约20万t，节能减排效果非常惊人，从而取得了很好的社会效益，实现了瓦斯气体零排放的目标。

（责任编辑 张艳华）

Brief analysis of process renovation of power generation technology using methane gas of coal mines and its gas supply system

Du Xinyu，Wang Xiaomin，Li Bin
（Power Supply Branch，Jiaozhuo Coal Industry Group，Jiaozhuo，Henan province 454000，China）

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杜新宇（1973－），男，工程师，1996年毕业于西北轻工业学院电气工程及自动化专业。现在从事煤矿瓦斯发电管理工作。