煤层气发电厂预处理系统及控制

赵德悦

煤层气发电厂预处理系统及控制

赵德悦1，2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西阳泉煤业(集团)股份有限公司 发供电分公司 煤层气发电厂，山西 阳泉 045000)

主要介绍煤层气发电流程中的气体预处理系统及其控制系统，包括预处理系统的作业流程、主要设备功能、控制系统、技术参数等，并对其进行了详细分析和讨论。

预处理；发电厂；煤层气；系统控制

0 引言

煤层气也可以叫煤矿瓦斯。煤层气如果不加以利用，直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍。利用煤矿瓦斯发电，既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又有利于增加洁净能源供应，减少温室气体排放，达到保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。

煤层气发电项目是国家资源型经济型综合配套改革实验区的重点推广项目。2006年山西阳煤集团规划煤层气发电项目90 MW，一期建设规模28.9 MW，二期项目22 MW，总装机容量达50.9 MW，是全国装机容量较大的高浓瓦斯发电企业。

所谓的煤层气是直接从煤矿抽采至地面的混合气体，其附含有较多的水分和杂质，为了能够满足发电机组的用气要求，需要利用煤层气预处理系统对气体进行除湿、过滤及降温、升压等处理，从而满足机组的发电要求。

1 预处理系统

预处理系统是瓦斯发电的一个重要环节，该系统主要由粗过滤器、精过滤器、换热器、汽水分离器、罗茨风机、阻火器及配套手动阀、电动调节阀、气动阀等设备组成。该系统不仅用于实现瓦斯的脱水、增压、过滤除杂、安全保护的功能，同时还是瓦斯收集系统与发电系统之间的桥梁，保证了整个发电系统的可行性和可靠性。

由于煤层气属于易燃易爆气体，安全是现场运行的第一要求，同时要兼顾系统的可靠性和经济性，预处理系统具有瓦斯发动机运行时要求的流量可控、压力稳定、温度适宜，其主要功能如下：①降低气体的露点温度，减少水蒸气的含量，自动排水；②降低粉尘等固体杂质的含量；③具有自动增压和超压保护功能，稳定系统气体的出口压力、温度和流量；④具有在线监测、报警功能，能够保证系统安全可靠地长期运行。

2 预处理系统分类

预处理系统根据功能的不同，可以分为以下几个子系统：

2.1 过滤系统

在系统入口设置一次过滤器，可以防止换热器管路积尘和堵塞。在系统出口设置二级过滤器，可以满足发电机组对进气品质的要求。一次过滤器的滤后粒径为10 μm;二次过滤器的滤后粒径为1 μm。

考虑到气体压力很低、流量很大，现场使用流通面积较大的滤芯，在保证过滤精度和通流能力的情况下有较小的压力损失。过滤器前后设有压力表用来监测过滤器的压力损失。根据过滤器前后的压差变化来确定具体更换周期，运行初始过滤器前后压差≤2 kPa，当粉尘含量逐渐积累时，过滤器前后的压差将逐步加大；当压差达到3 kPa时，应考虑更换过滤器滤芯；当压差达到5 kPa时，必须更换滤芯。

2.2 制冷系统

制冷系统产生5 ℃～8 ℃的低温冷却水，进入冷冻换热器，将瓦斯的温度冷却到15 ℃～20 ℃。瓦斯在被冷却的同时，其内部的水蒸气预冷凝结析出，被分离后排往外界。在此过程中，瓦斯中的水蒸气含量减少，绝对湿度降低，从而达到除湿的目的。

制冷系统中，制冷压缩机产生的冷冻水在循环水泵的作用下进入冷冻换热器，将瓦斯气体冷却，自身的温度升高，然后回到制冷机组，冷冻水在制冷机组内被冷却，然后再被送往循环水泵，如此循环往复。

2.3 排水系统

排水系统主要由排水阀、排水管路和水封组成，是用来除去系统中产生的液态水，将水源排往系统外部。液态水的主要来源是：瓦斯气流中携带过来的水；瓦斯气体在被冷却的过程中产生的凝结水；瓦斯气体中的液态水被管路、设备阻隔产生的滞止水。

2.4 再循环系统

当系统的供气量大于发电机组的用气量且超过设定值时，再循环旁路开启，使部分气体回流到系统入口。

在自动运行状态下，当控制系统检测到出口压力高于设定值时，PLC会将再循环气动阀自动打开；当控制系统检测到出口压力低于设定值时，PLC会将再循环气动阀自动关闭。

在启动阶段状态下，当控制系统检测到风机频率低于5 Hz时，PLC会将再循环气动阀打开；当控制系统检测到风机频率高于8 Hz时，PLC会将再循环气动阀自动关闭。

2.5 放空系统

放空系统的启动主要有两种：一是系统管路内严重超压时，作为瓦斯气体的紧急放散通道；二是系统置换时，将管道内残余的瓦斯气体排放至系统外。在系统自动运行状态下，当控制系统检测到出口压力高于设定值时，PLC打开放空气动阀；当控制系统检测到出口压力低于设定值时,PLC关闭放空气动阀。

2.6 压缩空气系统

系统中所有的气动阀均由空气压缩机的压缩空气来驱动。

压缩机产生的压缩空气先经过汽水分离器除去液态的水，然后经过一个小型的储气罐，进入水过滤器和油过滤器，分别除去压缩空气中的固态杂质、水分和油份，最后进入各用气设备。

空压机的出口压力为0.6 MPa～0.8 MPa。当压缩空气系统检测到空压机启动信号后，空压机运行，自行监测出口的压力。当出气管的压力达到0.8 MPa时，其停止运行；当检测到出口压力低于0.6 MPa时，其自动启动补压。

2.7 控制系统

预处理控制系统由可编程控制器(PLC SIEMENS S7300)和嵌入式工控机等组成。如出现负荷自动降载，则应以预定的程序进行变频降负荷。当设备出现故障时，则断开供气管路，自动停机。该系统设有超压保护旁路，在超压情况下，旁路阀开启；如果压力持续升高，在极端情况下，设置在管路上的安全阀将自动开启。同时预处理装置会将风机转速、气体进出口压力和温度、气体出口甲烷浓度和流量、二次过滤前后差压等参数送至中控系统。

3 预处理系统控制

3.1 变频器控制

预处理系统参与变频系统的主要有变频器和罗茨风机。变频器根据预处理系统出口压力自动跟踪输出频率值的运行参数，此参数与预处理出口实际流量有很大关系，即当输出浓度或流量有变化时，应根据实际情况调节此值，调节时须微调此值，罗茨风机的频率不得高于50 Hz。

3.2 气动阀门控制

预处理系统的管路使用手动、气动一体阀门，气动阀门的开关需要有空压机、压缩气体储气罐来共同完成。压缩机利用自身运转后在系统内部形成的压力将空气增压，通过管路输送至储气压力罐体中，空压机要将储气罐内的空气压力维持至要求范围内。

3.3 PLC系统控制

预处理控制系统采用SIEMENS可编程的PLC S7300系统，系统操作如下：

(1) 单元操作及罗茨风机操作。打开单元操作画面子窗口，罗茨风机图标工作状态为红色，灰色为非工作状态。开关罗茨风机必须先打开入口气动阀，打开罗茨风机，打开出口气动阀。也可以直接投自动操作，单元会实现自动控制。投自动调节时必须确保输出压力与设定压力值之间的差值小于0.5 kPa。若气动阀打不开及罗茨风机没有运行反馈信号，该单元会自动报警停机。

(2) 气动阀操作。点击气动阀下边的启动或停止按钮，气动阀开始动作；关到位图标显示为绿色，开到位图标显示为红色，开动作和关动作过程中为灰色。必须确保空压机压力大于0.45 MPa，才能操作气动阀。当单元处于连锁状态时，必须按顺序才能开启相应的气动阀和罗茨风机。

(3) 调节阀操作。首先给调节阀的电磁阀送电，调节阀图标变为绿色说明电磁阀送电，点击打开调节阀操作子窗口，开度输入“0.00%”，此时可直接双击输入数值，确定后调节阀开始动作开或关；可以点击向左、向右的三角箭头以减少和增大开度，还可以直接拖动百分标尺。调节打开或关闭正常时可以通过反馈信号的值读取；调节阀投自动运行时，调节阀操作图标按钮显示为绿色；有故障时，调节阀操作图标按钮显示为红色闪烁。

(4) 制冷机组操作。进入制冷系统操作画面子窗口，点击选择启动水泵制冷机组，制冷机组则显示下班；若制冷机组工作正常，有运行反馈信号时则显示变为上班。启动制冷机时必须先启动水泵。

(5) 厂房排风扇操作。进入厂房通风机操作画面，选择启动相应的通风机，启动正常时，通风机图标变为旋转；若有故障时，通风机按钮显示为红色。报警提示栏里有报警提示。

3.4 预处理安全防护控制

预处理控制系统对系统入口和出口的气体压力、温度、浓度、湿度以及环境温度、环境瓦斯浓度设置高报警、低报警、高停机、低停机。一旦系统参数超过设定值，系统会报警或自动停机。泄露仪仪表只要有一台的浓度值达到0.5%报警启动所有风机,达到1.0%停止所有设备,达到1.5%切断配电柜所有设备的电源。

3.5 预处理系统功能的实现方法

(1) 气体输送与压力、流量控制。气体流量的控制是通过对出口压力的调节来实现的。当预处理单元出口流量大于发电机组的用气量时，表现为处理单元出口压力升高。此时，PLC自动调节降低风机转速，减少气体输送量，使压力降到正常值。反之，当发电机升负荷时，预处理单元出口流量小于发电机组的用气量时，处理单元出口压力会下降。此时，PLC自动调节增加风机转速，加大气体输送量，使压力升到正常值。

(2) 湿度调节。发电机组要求的10 ℃～60 ℃的温度范围内，保证系统出口的相对湿度小于80%。由于预处理系统供气湿度较大，因此，预处理系统必须有除水工艺，另外，除湿设备在排水时要保证瓦斯不会泄漏，避免发生爆炸。

4 总结

瓦斯预处理系统是保证燃气发电设备安全运行的关键环节，通过换热器、二级过滤器、罗茨风机、制冷机组等设备，在预处理各系统的控制下，对瓦斯气体进行处理并使其达到机组的用气标准。

[1] 肖保生.设备管理系统[M].西安：西北工业大学出版社，1997.

[2] 李向荣，魏镕，孙柏刚，等.内燃机燃烧科学与技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

Coal-bed Methane Power Plant Pretreatment System and Control

ZHAO De-yue1,2

(1.Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Shanxi Yangquan Coal (Group) Co., Ltd., Supply Branch of Coalbed Mathane Power Plant, Yangquan 045000, China)

This paper mainly introduces a gas pretreatment process of coal-bed methane power generation system and its control system, including the pretreatment system’s working process, main equipment, control system and technical parameters, etc.

pretreatment; power plant; coal-bed methane; system control

1672- 6413(2015)06- 0188- 02

2015- 07- 22；

2015- 10- 23

赵德悦(1974-)，男，山西平遥人，机电工程师，注册安全工程师，本科。

TP273

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