黄陵二号煤矿瓦斯发电技术设计及应用

2021-06-03王鹏飞马功社

陕西煤炭 2021年3期

王鹏飞，马功社

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西延安 727307)

0 引言

黄陵矿业公司是陕煤集团所属核心骨干企业，“十三五”期间公司坚持发展循环经济，形成煤矸石发电、粉煤灰制砖、制水泥的循环经济产业链，实现了高碳产业低碳运营，黑色资源绿色开采的环保型经营模式。近年来，黄陵矿业公司响应国家号召，深化绿色矿山示范矿井建设，在矿井开采过程中在废弃物上下功夫，尤其把煤矿的“第一杀手”瓦斯当作一种新的资源开发和利用，率先在黄陵二号煤矿实施瓦斯发电，坚持企业发展生态优先的战略思想，减少瓦斯排空对大气造成的污染。

1 工程概况

黄陵二号煤矿属于黄陵矿业公司的二级企业，位于陕西省延安市黄陵县双龙镇境内，属于煤油气共生矿井，灾害十分严重。瓦斯发电选址在黄陵矿业公司二号煤矿二号风井瓦斯抽采站附近境内，实现就地抽采就地利用。可用于发电的瓦斯纯量为2 267 Nm3/h，混合后平均甲烷浓度9.98%左右，二号风井瓦斯抽采站根据多年来的检测数据，气源比较稳定并有增大趋势，加之顶底板油型气抽采，使甲烷燃烧得更加充分。

依据中煤科工集团西安研究院编制的黄陵矿区《陕西省煤层气开发利用有限公司“十二五”“十三五”煤层气开发利用规划》文件，黄陵二号煤矿含气面积311.86 km2，总资源量为3.716×109m3，平均资源丰度为1.2×107m3/km2，属于特低丰度中型气田。二盘区瓦斯储量2.5×108m3，可抽采量1.875×108m3。所建瓦斯发电年耗纯甲烷量1.632 2×107m3/a，由陕西新泰能源有限公司负责建设和运营，并在黄陵县注册成立了陕西新泰能源有限公司黄陵分公司，专门负责黄陵二号煤矿二号风井瓦斯综合利用工作。

2 瓦斯发电技术

2.1 瓦斯发电工作原理

以瓦斯作为燃料，空气经过滤清器过滤，进入涡轮增压器增压，导入内燃机气缸内的混合器，瓦斯经过压力调节阀也进入混合器，两者混合后，通过电子点火爆燃做功后，推动活塞移动和曲轴转动，产生动力，带动发电机[1-3]。再由发电机将动力转换成电能，经输变电装置输出，机组出线电压10 kV升压至35 kV接入黄陵县北沟35 kV变电站35 kV侧，自发自用[4-6]。再利用机组排出的高温烟气通入余热锅炉生成蒸汽供二号风井广场采暖，高温缸套水利用板换置换出热水，供二号风井广场职工生活洗浴使用。其生产工艺如图1所示。

图1 低浓度瓦斯发电系统生产工艺Fig.1 Production process of low concentration gas power generation system

2.2 设备选型及测算

2.2.1 方案对比

目前，国内技术成熟、运行稳定可靠的中大功率瓦斯发电机组有500 kW、600 kW、700 kW等，部分厂家开发出1 000 kW和1 200 kW机型，但运行机组较少。根据市场运行情况和场地情况，选择合适机型，对比分析见表1。

表1 700 kW瓦斯发电机组和1 000 kW瓦斯发电机组2种方案比较Table 1 Comparison of 700 kW and 1 000 kW gas generator set

2.2.2 瓦斯抽采量

黄陵二号煤矿二号风井广场有3套抽排系统，根据统计，1号系统年均瓦斯浓度为15%，2号系统4.39%，3号系统2.44%；将1号和2号系统抽排气掺混后瓦斯浓度为9.98%，适合瓦斯燃气内燃机组用气要求。15年内瓦斯抽采量只增不减，保证了瓦斯电厂运行的连续性。根据2017年8月—2018年7月12个月(365 d)的统计数值，1号和2号抽排纯瓦斯量为1 986万Nm3，合2 267 Nm3/h。

2.2.3 设备选型

项目选用大功率国产瓦斯发电内燃机组，按照每方纯瓦斯发电2.8 kWh计算，每小时可发电6 348 kWh，可安装7台1 000 kW燃气机组或10台700 kW燃气机组。瓦斯排量最大月为2018年3月，1号、2号混合后瓦斯量合计2 716 Nm3/h，发电量为7 605 kWh，可安装8台1 000 kW燃气机组或11台700 kW燃气机组。考虑未来瓦斯抽排量的增加，并结合现场用地紧张等情况，决定安装8台集装箱式1 000 kW燃气发电机组，年运行时间7 200 h，现有瓦斯气量年发电量约4 570.3万kWh。机组排烟温度约550 ℃，利用高温烟气，每2台机组配1台蒸发量1.4 t/h的余热锅炉，锅炉产生1.25 MPa的饱和蒸汽，4台炉产汽量为5.6 t/h。全厂总装机规模为81 000 kW瓦斯燃气发电机组+41.4 t/h余热锅炉。在冬季，余热锅炉蒸汽和燃气发电机组高温缸套水的热量为风井广场建构筑物供暖[7-8]。项目建成后可减少瓦斯排放，降低环境污染，同时，瓦斯电厂所发电力供煤矿生产使用，余热蒸汽和热水免费供矿区采暖使用，原采暖锅炉房停运，是变废为宝、保护环境、利国利民的好项目。

3 实践应用

3.1 设备布置

由于地处林区，建厂征地困难，只能采用二号风井广场自用地，选用集装箱式燃气发电机组，在保证安全间距的情况下，最大可能地减少占地面积，厂区布置总平面图如图2所示。8台集装箱机组布置在综合楼东南侧的空地上；配电室布置在污水处理站南侧的狭长空地上；抽排站东墙拆除后向西移3 m，最大限度地满足瓦斯电厂用地要求；采暖热水泵房布置在综合楼后。8台1 000 kW集装箱式低浓度瓦斯发电机组按东、西两列布置，两列之间间距8.6 m，列间距内布置2根瓦斯输送母管路和支气管路及其附属设施。集装箱前后排之间间距2.5 m。集装箱长12.5 m，宽3.2 m；集装箱内有发电机组、板式换热器、机旁柜；集装箱顶部布置卧式风扇散热器、排气管路。

图2 二号风井瓦斯发电厂厂区总平面Fig.2 General layout of gas power plant in No.2 air shaft

3.2 安全保护设施

煤矿瓦斯发电厂利用低浓度瓦斯作为发电燃料，瓦斯气年混合甲烷浓度为9.98%。瓦斯浓度处于易爆区间，为防止发生爆炸事故，保证抽放站水环真空泵及矿井的安全生产运行，燃气瓦斯不能送入储气罐储存，抽排系统与瓦斯利用输送系统只能直接连接，所以利用低浓度瓦斯发电最重要的环节是安全问题[9-10]。

3.2.1 瓦斯输送系统

为了保证瓦斯输送安全，保证燃气发电机组正常运行，黄陵二号煤矿二号风井1号、2号、3号抽排系统，瓦斯气经DN900瓦斯管线混合后，用2条DN500的瓦斯输气管线输送到燃气发电机组，DN500的瓦斯输气管线到发电机组接口之间采用带自动喷粉抑爆装置的输送系统，将瓦斯气供给8台低浓度瓦斯发电机组。全部过程由计算机监控运行，并确保输送系统压力正常，实现安全放散。

3.2.2 进气工艺简要流程

主管路：抽排泵站放散管预留接口→水位自控式水封阻火泄爆装置→湿式放散阀→丝网过滤器→干式阻火器→瓦斯自动阻爆装置→自动喷粉抑爆装置→水位自控式水封阻火泄爆装置→机组进气支管→阻火器→放散管。

机组进气支管路：主管→气水分离器→火焰传感器→阻火器→调压阀→电磁阀→瓦斯发电机组。

3.2.3 瓦斯输送系统主要保护设施

水位自控式水封阻火泄爆装置：水位自控式水封阻火泄爆装置由水封阻火罐、雷达液位计、水位自动监控系统、工控机等部分组成，实现水封阻火罐水位的全自动监控。水位自控式水封阻火器泄压阀开启压力为50 kPa。

丝网过滤器：主要是用于过滤由瓦斯带来的水汽和灰尘，防止瓦斯管道专用阻火器堵塞，延长其清洗周期的装置。其过滤材料采用不锈钢丝绒，利用拦截、碰撞机理过滤瓦斯中的粉尘颗粒和机械水。

瓦斯管道专用阻火器：瓦斯管道专用阻火器是为瓦斯发电的专用安全装置，属于干式阻火器中的一种。其阻火芯结构为不锈钢波纹板式。其作用是阻止可能产生的火焰沿着瓦斯输送管道传播，以便有效保障瓦斯管道网中所有设备(包括发动机组本身)和矿井的安全，防止因发动机气缸的回火或其他部位可能产生的火花点燃瓦斯造成意外火焰向瓦斯管网蔓延，从而引起的爆炸灾害。同时它应当具有尽可能小的气体流动阻力，以便瓦斯能够顺利通过阻火器。

湿式放散阀：当系统用气量突然减少时(如瓦斯发电机组突然停机或突然降低负荷)，为保证矿井水环真空泵的安全运行和整个输送系统的压力稳定，在输送系统的输气主管道上设置湿式放散阀。当输送系统管道压力增高时，瓦斯便通过水溢出排空。放散压力可通过改变放散阀内的水量或水面来调整或设定。通过液位变送器可以实现计算机远程控制。瓦斯的排空是通过水而放散到空中的，因此该放散阀能够将外部可能产生的火源与系统内瓦斯隔离，实现安全放散。

自动喷粉抑爆装置：自动喷粉抑爆装置技术原为军用技术，后引入民用矿业领域，是针对煤炭行业低浓度瓦斯管道输送专门设计开发的超高速主动抑爆设备，具有主动监测、高速启动、自动抑爆等突出特点，能有效弥补被动隔爆方式的不足，消除或减少瓦斯爆炸事故造成的人员伤亡和财产损失。主要优点是电耗低、瓦斯含水量少、维护量小。

脱水器：通过脱水器将瓦斯中水分脱离。脱水采用旋风脱水器，设置在机组入口，防止游离态水进入机组保护机组安全。

3.3 设备运行情况

黄陵二号煤矿二号风井瓦斯发电项目于2020年元月开工建设，2020年7月23日并网发电运行，目前处于试运转阶段，机组各项指标正常良好，日发电量15万kWh以上，日消耗纯瓦斯53 571 Nm3，在发电过程中产生的余热供二号风井广场采暖及洗浴使用。预计年发电量4 570万kWh，年消耗煤矿纯瓦斯量1 632.2万Nm3，年减排CO2的量25.85万t，年可提供10.2万GJ热量供矿区采暖及洗浴使用。