关于八字山瓦斯发电项目建设应用的研究

刘睿

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西太原 030022）

作为温室气体的瓦斯，会引发气候变暖的生态环境问题；同时作为清洁能源的瓦斯气体，其利用价值也相当丰厚，享有“第二煤炭资源”的美称。所以，通过煤矿瓦斯的合理利用，能将煤矿瓦斯事故有效规避，既有利于煤矿安全生产条件的改善，能促进洁净能源供应的增加、也可将温室气体排放量的减少，从而为资源利用、尊重生命及环境保护等多重目标的实现奠定基础。

1 八字山瓦斯发电厂建设关键技术

1.1 瓦斯安全供应输送系统

该煤矿瓦斯储量为2060.25Mm3，可抽采储量为646.59Mm3。根据采掘进度在2019—2027年抽采量为9~12m3/min，抽采的瓦斯维持在20%～25%的浓度，通过低浓度瓦斯输送安全保障技术的运用，能有效保障输用气的安全性[1]。根据《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》来看，需将三种原理不同的阻火防爆装置安设在低浓瓦斯管道输送保障设施，具体包含泄爆、抑爆、阻爆[2]。目前较为常见低浓瓦斯输送方式为细水雾输送抑爆装置和自动喷粉抑爆装置，但是考虑到运行的经济性与可靠性本项目拟采用自动喷粉抑爆的输送方式。其工艺流程如图1 所示。

图1 瓦斯输送工艺流程

1.2 机组选型布置方案

综合各方面情况来看，选择燃气内燃机发电机组作为本瓦斯发电项目，目前在我国运行或者安装的燃气内燃机发电机组分为国产和进口两种。受制于技术的限制国产厂家目前只有500kW、700kW 和1000kW 等小型机组运行，单机容量大的暂无成功运行经验。美国卡特比勒、德国道依茨等属于主要的进口厂家，均有额定功率在1.3MW 及以上的大型机组。根据本项目占地面积、额定功率、燃料消耗量和单位投资，下面对满足本项目的3种不同功率的国产和进口机组进行了全方位的比较，如表1 所示。

表1 3 种不同功率的国产和进口机组相关指标比较

通过在中冷器内设置高性能阻火器、进气支管设置泄爆口等措施，提高了机组的安全性；增大空燃比设计、使得机组的甲烷浓度10%~100%范围内可调；并且根据相关数据资料，在无须进行烟气脱硝的情况下，进口机组的氮氧化物（NOX）排放量指标与《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》中Ⅴ阶段NOX排放绩效值不大于2.0g/kWh 的要求相符合，远低于国产机组的NOX排放。根据以上原因本项目低浓度拟选址单机容量大、占地小，且大部分指标均较优点进口1.5MW 燃气内燃发电机组。

表2 瓦斯发电项目建设费用

表3年生产成本

在机组布置方式方面，目前主流的方式有厂房式布置和集装箱式布置两种，厂房式的特点是占地面积较大，施工周期长，但是内部空间较大、通风效果好，检修和运行维护方便，并且具有较好的隔音降噪的特点。适合用在城市郊区，拥有较大的占地面积且临近村庄的地区[3]。集装箱式布置具备施工周期短、占地面积小等特点，且运输和安装设备不难，但是该型机组内部通道狭窄、运行和检修不便，隔音降噪性能差，适合用在偏僻、远离人烟且可用面积有限的地区。而八字山工业场地位于远离人烟的八字山山谷中，处于一半回填土一半基岩的半山腰，可用场地面积十分有限，因此拟选择集装箱式的布置形式。

2 八字山瓦斯发电厂建设应用

2.1 电厂发电负荷

本项目属于资源综合利用项目，总装机容量定为3MW，按照2×1.5MW 集装箱式燃气内燃机发电机组配套热管换热器，利用八字山瓦斯抽放站抽采的瓦斯进行发电，电厂发出的电除厂用电外，多余电量将以单回6kV 线路与八字山35kV 变电站6kV母线并入内网。但是由于抽放站的抽放量有限，所配置的2 台机组不能够满负荷运行，电厂总运行负荷约为2780kW。因此本项目建成投产后，预计年设备利用小时数为7500h，年耗纯瓦斯量540.0×104Nm3，年发电量为 2084.4×104kWh，同时通过热管换热器回收机组烟气余热产生热风，全部送往八子山风井场地进风井；机组缸套水板式换热器产生的热水，除供应电厂采暖外，剩余部分供应厂区其他建筑物使用，预计年供热量为3.2858×104GJ。

2.2 余热利用方式

以八字山工业场地实际情况来看，风井场地南翼进风井需要8475m3/min 的风量，井筒防冻热负荷为4807kW，为了保证井筒混合温度大于2℃，要求热风炉送风温度大于60℃。场地内规划的红外线电加热热风炉共五台，热功率共计4255kW。风井场地各建筑物采暖热负荷总计680kW。因此本项目拟配置两台热管换热器和高温水板式换热器，热管换热器回收机组烟气余热产生的热风，全部送往进风井；机组高温水板式换热器产生的热水，除供应电厂采暖外，剩余部分供应八字山风井场地各建筑使用。其中：单台热管换热器能够回收782kW 的热量，产生-20℃/95℃热风20000Nm3/h；单台高温水板式换热器能回收773kW 的热量，产生80℃/60℃热水。由此可见：本项目余热利用系统共可产生60℃热风约958.3Nm3/min 送往井下，虽不能满足井下所需热风量，但是可以作为红外电加热风炉的有效补充，节约部分能源，而两台高温水板式换热器回收的热量可满足八字山工业场地内所有建筑的采暖需求。

2.3 八字山瓦斯发电项目建设及效益分析

2.3.1 建设投资分析

根据本项目实际情况，选择概算编制法对主要工程及设备材料展开估算，以类似项目投资水平估算次要工程、设备及材料，以生产环节为根据估算投资。得到如表2 所示的各项建设费用。

2.3.2年生产成本分析

本项目中，经营成本、其他费用、摊销费和折旧费等费用共同组成了年生产成本。其中，经营成本将材料费、修理费、职工薪酬等多项费用包含在内[4]。表3 展示了年生产成本中各项具体费用。

2.3.3 效益分析

本项目竣工并投入发电时，每年基本能保持2084.4×104kWh的正常发电，年上网电量1966.21×104kWh，税后上网电价执行0.4267 元/kWh；瓦斯用量 540×104Nm3，利用 1Nm3瓦斯可获得国家补贴0.4 元。由此估算在正常年份，本项目的售电收入可达839 万元，经济效益十分可观。如果维持在540 万m3的年平均利用瓦斯，超过了85%的利用率，可将矿井瓦斯抽采向大气排放的量大幅减少，从而缓解大气污染问题，产生极大的社会效益。

3 结语

综上所述，通过瓦斯发电站的建设与应用，可促进煤矿瓦斯抽采量的有效利用，同时能将瓦斯排放减少，减少电力系统中的用电量，从而达到节省煤炭资源与环境保护的双重目标。具备双回路电源供电条件的煤矿有很多，煤矿瓦斯发电厂是矿井用电的有效补充，可当作重要的备用电源使用，能带来相当丰富的经济效益。