薄煤层低浓度瓦斯发电总体系统方案设计及应用

甘业忠

摘 要：煤层瓦斯作为重要的能源资源，可供人们使用。低浓度瓦斯具有不可民用、热爆炸、热值低等特点，为了加快低浓度瓦斯的有效开发，应从源头上降低其安全事故发生频率，增加能源供应。本文将对低浓度瓦斯发电技术展开研究，对其实际应用对策加以阐述。

关键词：低浓度瓦斯；瓦斯发电系统；瓦斯利用

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0177-02

瓦斯是一种清洁高效能源，1m3纯瓦斯燃烧热值相当于1.13kg汽油，1.21kg标准煤，可以与天然气混合输送，是工业、民用极好的燃料。我国煤矿每年抽放的瓦斯气体总量达到130亿m3，其中可利用的总量达80亿m3直接排入空气，造成巨大的温室效应，同时等于浪费掉1000万吨标准煤的能源，少发电300亿kw·h。低浓度瓦斯发电是一项绿色环保高效清洁，有利于降低安全事故的瓦斯利用技术，值得大力发展和推广。

低浓度瓦斯发电是采用抽采的低浓度瓦斯，采用安全输送方式和空气混合进入内燃机中，在内燃机中发生爆炸，利用爆炸的能量带动电动机转动，产生电流，实现电能输出。

1 低浓度瓦斯发电系统组成

小河嘴煤礦低浓度瓦斯发电项目采用内燃式低浓度瓦斯发电机组。该方案具有发电量大，投资小，运行维护方便，占地少、电站自用电少，要求进气压力低（3～20kPa即可），适用瓦斯浓度范围广（浓度7%以上即可利用），发电效率高（一般在30%～38%），启动时间短、运行灵活等特点等优点，而且目前国内有多项工程应用投产，已积累了成熟的经验。

低浓度瓦斯发电机组由润滑系统、空气过滤系统、点火系统、冷却系统、排气系统及发电机组控制系统等组成。全套装置包括：燃气发动机、发电机、空气过滤器、排气消音器、机组辅助系统，燃气调压装置、机组系统同期控制屏等装置。

本系统设计为：本项目敷设1条DN400的进气管线为电站输送瓦斯为电站输送瓦斯。为了确保发电机组的正常运行，在瓦斯输送主管线上安装水封阻火器、蓝式过滤器、瓦斯管道干式阻火器、湿式放散阀、防爆电动蝶阀等设备，并通过瓦斯与细水雾混合输送系统，将低浓度瓦斯输送到发电站。瓦斯输送系统工艺流程如下图1所示。

2 低浓度瓦斯发电机组系统

本项目确定采用内燃式低浓度瓦斯发电机组。该方案具有发电量大，投资小，运行维护方便，占地少、电站自用电少，要求进气压力低（3～20kPa即可），适用瓦斯浓度范围广（浓度7%以上即可利用），发电效率高（一般在30%～38%），启动时间短、运行灵活等特点等优点，而且目前国内有多项工程应用投产，已积累了成熟的经验。

根据小河嘴煤矿抽放泵站附近场地和现场水源的实际情况，小河嘴煤矿低浓度瓦斯发电项目采用闭式冷却机组。同时通过对国内主要燃机厂家的介绍和技术参数对比，针对小河嘴煤矿抽放的低浓度瓦斯气进行燃机设备选型，浙江纽恩洁瑞动力股份有限公司作为本项目投资方的控股公司，拥有低浓度瓦斯发电机组的专利技术和软件著作权，生产的低浓度瓦斯发电机组可以针对目前的瓦斯状况进行针对性开发，具有适用性强、技术先进、性价比高和维护成本低等优势。故本工程选用浙江纽恩洁瑞动力股份有限公司生产的500kW低浓度瓦斯发电机组为发电主机设备。

3 低浓度瓦斯发电并网系统

3.1 电网现状

小河嘴煤矿在地面设有35kV变电站，分别由川东电业局盘石变电站和集团公司电网双回路供电，全矿供电方式采用平行双回路供电。主变为2台SZ11-3150kVA变压器，由35kV变6kV向全矿各点供电。由35kV站向中变采用双回路供电，由地变所双回路向主通风机供电。±0水平设有中央变电所分别向101、201、301、402采区变电所供电。

目前小河嘴煤矿供电最大负荷2230kW，架空线采用LGJ-120钢芯铝绞线，其中盘河线共5.1kM，小斌线12.2kM。两线路电杆型号为SLZ（19.5），避雷线型号为GJ-35，矿井供电电力调度接受集团公司统一调度。

3.2 电力平衡

小河嘴煤矿低浓度瓦斯发电项目装机容量为2.125MW，充分考虑到矿井由于生产规模的扩大和瓦斯抽放量的断增加，为后续扩大瓦斯发电规模留有发展余地。由于低浓度瓦斯发电装机规模都比较小，对当地电网供电能力和对电网的影响非常有限，因此本可研的电力平衡仅在矿井供电区域范围内研究。根据煤矿提供资料，小河嘴煤矿正常生产时预计平均电力负荷为1500kW。新建低浓度瓦斯发电项目所发电能全部供给矿区自用。

3.3 电站接入系统

电站附近变电所有川东电业局盘石变电站和小河嘴煤矿35kV变电所。由于川东电业局盘石变电站距电站较远，且电站性质按自备电厂考虑，发电机组发出的电力主要用于满足煤矿用电需求，故接入系统推荐电站采用35kV电压等级接入小河嘴煤矿35kV变电所。最终接入系统方案以供电部门接入系统专项设计为准。

3.4 电气接入系统

小河嘴煤矿瓦斯电站共设4台500GF-WK2发电机组，单机额定功率为500kW，持续运行功率450kW，发电机组出口电压为400V；螺杆膨胀发电机组额定功率为125kW，持续运行功率100kW，发电机组出口电压为400V。4台发电机组及1台螺杆膨胀发电机组所发电量通过2台1250kVA升压变压器（0.4/38.5kV）升压到35kV。高压接线方式采用单母线分段接线方式。电站所发电量经高压出线柜以一回高压架空线接入小河嘴煤矿35kV变电所35kV母线侧与之并网。

4 效果分析与结论

基于低浓度瓦斯发电系统设计，以及综合应用低浓度瓦斯发电技术，瓦斯发电主干管路内的瓦斯浓度基本稳定在10%～15%，流量在200～260m3/min，纯瓦斯抽出量达到20m3/min左右，为瓦斯发电机组正常运转发电提供了保障。通过该项目的发电运行，实现了年发电量2000kW的发电规模，实现发电销售收入722.8万元，实现利润222.07万元，上交利税74.02万元，产生了显著的经济效益，实现了四川省低浓度瓦斯发电零的突破。

5 结语

（1）根据低浓度瓦斯发电设计原则，提出了低浓度瓦斯发电系统方案设计，确定了热机系统参数、煤气发生炉技术参数、燃机本体系统、燃气输送系统等。

（2）根据小河嘴煤矿厂区位于山区，地形复杂，不适宜建大型厂区的客观条件，分别分析了无法满足联合循环系统厂区设备较多、占地较大、汽轮发电机组最小发电机型限制的弊端；也无法满足乏风氧化装置制热发电需要的占地面积较大，且需要靠近乏风出口的客观条件要求；综合比较分析，确定小河嘴矿发电站采用内燃式低浓度瓦斯发电机组，方案具有发电量大，投资小，运行维护方便，占地少、电站自用电少，要求进气压力低（3～20kPa即可），适用瓦斯浓度范围广（浓度7%以上即可利用），发电效率高（一般在30%～38%），启动时间短、运行灵活等优点，而且目前国内有多项工程应用投产，已积累了成熟的经验。

（3）发电系统采用自主研发的控制系统将发动机的空燃比控制、点火控制、调速控制、并网并机自动控制进行了高度集成，空燃比智能控制技术，低压大流量先导调压电子控制技术低浓度瓦斯发动机要求调压阀调压精度高，智能网电无隙备用技术可以实现对电网反送电，会对大网造成任何影响。

（4）低浓度瓦斯低温置换安全输送技术在细水雾输送系统的基础上，本系统增加了管线调压系统和低温脱水系统，从而进一步提高了瓦斯发电机组的发电稳定性和发电效率。

参考文献

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