西铭煤矿瓦斯发电项目研究分析

张 琦

(西山煤电公司发电分公司， 山西 太原 030024)

1 前言

煤层的开采会伴随有瓦斯的释放，而直接排放瓦斯则会对环境产生污染，且瓦斯含量达到一定浓度范围时，遇明火极易发生爆炸事故，造成事故[1-3]。因此，煤炭行业逐步发展瓦斯发电技术，不仅能够保护环境，还能降低企业的生产成本，减少瓦斯事故的发生[4]。

2 西铭煤矿瓦斯资源概况

根据西铭煤矿探明的地质资料可知，矿井瓦斯储量达2638.952Mm3。其中2#煤层瓦斯储量114.188Mm3，可抽放量42.272Mm3；3#煤层瓦斯储量279.895Mm3，可抽放量103.416Mm3；8#煤层瓦斯储量968.880Mm3，可抽放量397.102Mm3，9#煤层瓦斯储量1029.809Mm3，可抽放量421.665Mm3。矿井瓦斯资源储量及可开发瓦斯量较丰富。

西铭煤矿属高瓦斯矿井，在2014年南二采区采掘工作临近尾声，南四采区进入9#煤回采期，北五采区进入8#煤回采期，故在2010年至2012年新形成采区尚未正式进行回采期间，矿井绝对瓦斯涌出量逐年下降，而在西十一2#煤42110工作面回采结束、北七8#煤48709工作面回采开始后，形成了上组煤2#、3#煤在不同采区合理配采、下组煤8#、9#煤在不同采区合理配采，且下组煤北七南六8#煤因埋藏深，瓦斯涌出量大，在2013年之后矿井绝对瓦斯涌出量呈现上升趋势。

3 西铭煤矿瓦斯发电项目探究

3.1 项目概况

西铭煤矿井田位于山西省太原市境内，地面覆盖王封乡、化客头街办及古交市河南乡一部分。西铭煤矿在冀家沟建有地面永久瓦斯抽放泵站，该项目建设地点位于冀家沟瓦斯抽放站东北侧约30m的山坡上，安装燃气内燃发电机组进行瓦斯综合利用，可以通过发电并网产生经济效益。根据燃机厂家相关资料以及抽放泵站瓦斯抽放情况，公司决定建设一座8MW瓦斯发电厂，安装16×500kW燃气内燃发电机组+16×0.3MW余热回收装置，一次设计，分步实施。一期建设规模为12×500kW燃气发电机组+12×0.3MW余热回收装置，余下为二期建设。设计总投资为5628.80万元，其中一期为4788.65万元，二期为840.15万元；单位造价7036.00元/kW，其中一期为7981.08元/kW，二期为4200.75元/kW。

3.2 瓦斯抽放

(1)瓦斯抽放方法。西铭矿井整体上是通过在地面上设置固定泵站，在井下设置移动泵站互相配合抽采瓦斯。井下工作面采用本煤层抽采方法或边采边抽的方法，采空区则采用钻孔抽采等方式。

(2)瓦斯抽放量预计。预计预抽瓦斯量19m3/min，边采边抽瓦斯量19.5m3/min，邻近层瓦斯抽采量23m3/min，掘进瓦斯抽采量12m3/min，采空区瓦斯抽采量30m3/min，全矿井瓦斯的抽采总量为103.5m3/min。

(3)瓦斯抽放泵站。西铭煤矿的永久瓦斯抽放泵站建立在冀家沟山坡上，采用双系统即高负压和低负压系统进行抽放。其中三台型号为2BEC-72的水环真空泵用在高负压抽放系统中，电机功率为560kW，两台运行一台备用，用于矿井本煤层瓦斯抽放；而邻近层和采空区瓦斯主要由低负压抽放系统进行抽放，水环真空泵的型号为2BEC-100，准备两台，一台使用，一台作为备用。其服务年限为37年，与矿井的服务年限保持一致。

3.3 发电机组选型

依据矿山资料，拟将现阶段西铭煤矿冀家沟瓦斯抽放泵站的低负压抽放系统抽采的瓦斯混合到高负压抽放系统抽采的瓦斯中，得到瓦斯浓度为11%，总量为2149Nm3/h(即25.82Nm3/min)，多余部分对外排放。依据国内外目前的瓦斯燃烧技术，再结合矿井抽放瓦斯的参数，最终决定将国产燃气内燃机发电机组应用于本次瓦斯发电项目中，因其对燃料具有较强的适应性，对瓦斯浓度和压力的要求较低，且价格便宜。为了尽可能将抽采的低浓度瓦斯全部利用，确定本工程总装机容量为8MW，装机规模为16×500kW国产低浓度燃气内燃发电机组，机组布置方面采用低噪、内部空间大、通风效果好的厂房式。

3.4 瓦斯输送系统

(1)工艺流程。本项目实施过程中，将西铭煤矿矿冀家沟瓦斯抽放泵站的低负压抽放系统抽采的瓦斯混合到高负压抽放系统抽采的瓦斯中，使高负压系统中的瓦斯得到充分利用，最终得到瓦斯浓度约为11%，然后通过细水雾输送系统对其进行输送，该输送系统能够在瓦斯管道内利用水雾发生器达到连续成雾的效果，从而降低了瓦斯管道在通往燃机间时的危险程度，最大限度地保证生产安全。瓦斯首先通过配备的旋风重力脱水器，充分脱水之后进入机组。

(2)安全保护措施。在输送系统中，除利用细水雾输送技术以外，还设置有多级阻火器来控制爆炸火焰的传播，另外还通过湿式放散技术来保障系统的稳定运行。

(3)燃气系统。经管道将瓦斯引至燃气内燃发电机组，在机组进气口处进行空气混合，通过涡轮增压器进行增压，由中冷器进行冷却，由与进气管相连的进气门控制进入气缸，火花塞将混合气体引燃，使活塞做功以达到发电的目的。

(4)空气系统。空气在进入箱体之前首先经过消音器，然后再通过配置在燃机上的空气滤清器进行过滤，最后进入到燃机本体。

(5)循环冷却系统。将封闭式冷却技术应用于燃气内燃发电机组的冷却系统，机组各配备1台水箱，水箱为多风扇卧式，承载散热水箱的钢平台布置在燃机间室外，为达到减少水损失量的目的，水箱直接与发动机通过管道连接。高温水冷却系统和低温水冷却系统，配被的冷却水管道相互独立。

(6)余热利用系统。本着资源综合利用原则，本工程每台燃气发电机组均配套一台余热回收装置，回收机组尾部高温烟气的余热，产生100℃的热风，送往风井场地现有热风锅炉房，补充井下暖风。余热回收装置与机组一一对应，主厂房燃机间内每排8台余热回收装置产生的热风汇入厂房外风道平台上布置的1.5m×1.5m风道干管，再一同汇入2.0m×2.0m的风道母管，架空送至厂外1m处。每台机组的高温水通过各自的支管汇入高温水母管并送至散热水箱区进行冷却，本次设计将从高温水母管上引出一路支管(DN32)送往联合建筑辅助间内设置的一台高效智能水- 水换热机组进行换热，换热后的冷却水通过管道(DN32)返回至高温水母管，进入散热水箱区继续进行冷却，换热机组两侧产生的75℃/50℃热水用做厂区采暖。

3.5 经济评价

财务评价中的各种参数参数发改投资〔2006〕1325号《建设项目经济评价方法与参数》(第三版)，计算依据2009年中华人民共和国住房及城乡建设部公告第366号文的有关规定进行选取。主要评价指标见表1。

表1 财务评价指标一览表

由表1可看出，税后内部收益率为14.02%，略大于行业基准收益率12%，财务净现值为590万元，大于零。表明本项目除能满足行业最低要求外，还有盈余，因而在财务上是可以接受的。由盈亏平衡点可得出净值进入情况下，只要发电量达到年总发电量的33.25%，即0.128×108kW·h，企业就可以保本。对市场需求变化有较强的适应能力，并具备较强的抗风险能力，综上所述，本项目的投资规模合理。

4 节能效果

(1)生态环境：本项目燃用井下抽放瓦斯，年消耗瓦斯1 279.68万Nm3(折纯)，折当量CO2(CER)19.28万t，区域环境空气污染物明显减少，减少了因瓦斯排放所造成的环境污染和温室效应。

(2)节能损耗：本项目年消耗瓦斯1 279.68×104Nm3(折纯)，年发电量为0.384×108kW·h，单位水耗为0.172kg/kW·h，单位气耗为0.333Nm3/kW·h，年节约标煤量约为1.55万t。

(3)经济效益：本项目建成发电后，正常年份每年可发电0.384×108kW·h，年上网电量0.362×108kW·h，上网电价执行0.499元/kW·h(含税价)，估算得本项目年销售收入可达1 807万元。

5 结语

西铭煤矿冀家沟瓦斯抽放泵站的高、低负压抽放系统，将抽采的瓦斯进行混合，然后利用混合后的低浓度瓦斯为燃料，通过燃气内燃发电机组进行发电。该项目的建成，使得年瓦斯减排量折纯为1 279.68×104m3，折合年节约标煤1.55×104t，使煤炭附属资源得到充分综合利用，既减轻了温室气体对环境的污染，又通过电力并网使企业提高了经济效益，拉长了煤炭生产产业链，带动了地方经济的发展。