探究瓦斯发电气体预处理

马志国

山西焦煤华晋焦煤公司瓦斯发电厂 山西柳林 033300

既往有资料记载，国内低于2000m的煤层气储量高达37万亿m³。20世纪80年代以来，我国煤矿行业发展期间予以安全生产、节能环保问题一定重视，加强煤层气抽取技术水平提升及方案优化。目前，煤层气的用途以居民生活用燃料为主，但是针对甲烷浓度＞35%的情况，应加强煤层气资源的挖掘，将其运用到发电领域中[1]。于瓦斯――内燃机发电单元内，因瓦斯气体含有粉尘、水蒸气等杂质，气体品质难以达到发电机组的要求，所以要对瓦斯进行预处理，以满足发电机组的进气要求。

1 工程概况

沙曲北翼瓦斯发电站二期工程利用沙曲煤矿井下抽放煤层气（简称CMM）为燃料。燃气发动机发电机组及其余热发电装置构成联合循环发电。本期发电总容量大概为31MW。发电设备被安装于1个单元厂房中。发电机输出电压10.5KV，经升压变压器和电网110kV联接。

厂区南侧已建有1座湿式储气柜，未来还将增加一座湿式储气柜，作用以储存煤层气为主。

2 瓦斯发电气体预处理系统简介

设计的预处理系统符合足14台卡特G3520C瓦斯发电机组满功率运行需求。发电机组所需的煤层气总量为31878Nm3/h（CH4＝25%）。立足于煤层气的真实抽吸、释放状况，预处理单元对其能达到的处理能力最大值为31875Nm3/h（CH4＝25%），最小为600Nm3/h。预处理单元分5个独立单元，各单元对应的最大处理能力均为6376Nmm3/h。

在预处理单元进口处压力为-0.3～0.6kPa。

依照设备生产厂家提供的材料，经过预处理的煤层气应该和如下几点要求相匹配：①压力： 14～40kPa；②温度：25～55℃；③湿度：＜80%；④杂质：＜1μm。单元运行流程见图1所示[2]。

3 主要模块的单元规划

3.1 除湿

为保证发电机组能安全、有效运转，则应维持其周边气体湿度低于60%，但现况是矿井下抽吸的瓦斯气体湿度较高，故而对瓦斯正常、有效发电过程形成一定制约作用。若瓦斯气体湿度偏大，则会造成点火后不易燃烧，此时发电机组运行效率会下降，特殊情况下会对发电机组构件功能造成损伤，除湿单元的运转肌力可以做出如下表述：在压缩机的协助下，促进制冷剂在本单元中循环往复流动过程，借此方式促进瓦斯气体温度下降过程，经以上降温处理后对气体内水分冷却溢出过程有促进作用，瓦斯湿度自然而然被降低。该单元的结构框架见图2[3]。该单元运营期间，在湿度传感器的协助下采集与瓦斯气体相关的湿度指标，随机传感器将其整合至PLC控制器内，经PID算法处理，依照最初规划的气体湿度指标，有针对性的调整压缩机的运转模式，促使气体湿度达到最适宜的状态。若能将汽水分离器及自动放水器安装与常规除湿单元中，能更有效率的采集湿度偏大的瓦斯气体，优化降湿效果。

图1 预处理单元流程示意图

图2 除湿单元结构与运行机理

3.2 过滤

将初级过滤器安设在系统入口处理，其在降低换热器管路积尘、堵塞等问题发生率方面体现出较明显的辅助性作用，并能排除进气带有的部分液态水。在系统出口处理安装精密度较高的过滤器，该设施的功能是优化进气质量，以迎合发电机组的安全运行要求。

各预处理单元除尘过滤系统内初级过滤器、精密过滤器均为1台，各台过滤器均依照100%负荷予以设计。初级、精密过滤器的滤芯材质分别是玻璃纤维、PP，滤芯自身有除尘功能，前者还有过滤液态水功能[4]。

3.3 制冷

制冷系统最主要的作用是能产出5℃～8℃的低温冷冻水，对瓦斯适宜冷却处理，促使其温度降低到12℃～15℃区间内。

系统构成如下：1套风冷式制冷机，1个主模块，1个从模块；1台冷冻循环水泵；冷干机出口隔离阀、逆止阀以及水过滤器各1个；2个水泵进出口隔离阀。

各单元制冷机组分2个模块，各个模块能在制冷主机的控制下自动运行。制冷机组通过自动检测回水的温度达到对各模块的启停状态的有效调控。当回水温度＞8℃时，机组会分级启动，直到温度降至预先设定的范围。当回水温度＜5℃时，机组会分级停止，直至温度回到预设区间内。

3.4 排水单元

系统构成以排水管路和水封为主，依照排水系统的压力规划水封的埋深高度及安置排水管路。该系统的功能是排除系统内产生的液态水。液态水的始源主要由如下几种：（1）伴随瓦斯气流携带而来的液态水；（2）瓦斯气体冷却期间形成的凝结水；（3）其他状况下产生的液态水[5]。

3.5 放空单元

各套预处理单元均安装了放空管系，再由DN200的放散总管经阻火器排送厂房外部。各套单元都设有两级放散装置，一种是自动放散DN100，此阀前后设有手动阀，且正常情况下手动阀呈开启状态，一种是机械式放散DN80。当系统内的压力＞70kPa时，通过控制系统可以自动打开放散气动阀 ，当压力＜55kPa时，放散阀通过控制系统可以自动关闭。当压力达到100kPa时，机械式的安全阀会开启，当压力指标跌落后，安全阀随即闭合。以上两路放散管路统一接至系统总的放散管路，且于该段管路上安装了阻火器。

在自动运转的工况下，当控制系统检测到出口压力＞70kPa时，PLC就会促使放空气动阀（DN100）自动启动；当出口压力＜55kPa时，放空气动阀（DN100）会自行闭合。

3.6 压缩空气单元

系统构成如下：2台空气压缩机（一备一用）；1个储气罐；1个汽水分离器；1个水过滤器；1个油过滤器。

空压机产生的压缩空气先经汽水分离器除去液态水，随即经一个小型的储气罐，而后被整合到水过滤器与油过滤器，分别剔除压缩空气中的固体杂质、水分和油份，最后进入各个用气设备。空压机为预处理系统内5个进气总阀、5个出气总阀、5个放散阀供应气源。

空压机的出口压力为0.6～0.8MPa。当压缩空气系统检测到空压机启动信号后，#1空压机运转，其能只能出口对应的压力指标。当储气罐的压力达到0.7MPa时，其暂停运行。当其检测到出口压力＜0.5MPa时，其智能启动补压。

3.7 控制单元

瓦斯预处理系统符合持续运转工况，应具备如下几点功能[6]：（1）瓦斯预处理装置应符合持续自动运行要求，在无人值守下能实现有效控制；（2）自动负荷卸载，如果发电机组减负荷，则应采用预设的流程，采用变频降低负荷。当发电机组出现故障时，则要断开供气管路，自动停机；（3）系统安设了超压保护旁路，这样就能在超压工况下，启动放散阀，排空气体；若系统压力不断上升，在特殊情况下，安装于管路上的安全阀将自动启用；（4）管路上安装了甲烷分析仪，在甲烷浓度偏低状况下，入口的燃气切断阀会自动闭合；（5）将压力传感器安置于系统入口，当检测到系统来气压力低于设定值时，系统自性发出报警信号，并停机；（6）控制系统能把检测到的参数传导给主控室；（7）控制系统有历史数据查询、趋向图查阅等功能。

4 结语

本文中设计的预处理系统从储气罐出来的瓦斯气首先经过进气母管，经由各个单元进气总阀以后，瓦斯气进入初级过滤器，简单除去液态水并滤除大颗粒杂质，然后流经除湿设备进行冷冻干燥，干燥后的气体随后经风机升压后入精密过滤器除去小颗粒的固体杂质，然后流经阻火器，监测仪表和出口流量计，最后进入瓦斯发电机组。生产实践有力的证明，通过对瓦斯气体实施预处理措施，有益于提升自动化水平，降低值班人员的工作强度，最关键的一点是使煤矿安稳生产作业得到根本性保障。