低浓度煤层气发电提效系统设计
2023-09-27黄克海
黄克海
(1.煤层气灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;2.中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039)
1 概述
依据甲烷体积分数可将煤层气分为低浓度煤层气和高浓度煤层气,煤矿抽采的煤层气中70%以上属于低浓度煤层气,低浓度煤层气的甲烷体积分数大于等于3%且小于30%[1-3]。低浓度煤层气主要用于内燃机发电。低浓度煤层气中甲烷体积分数较低且波动较大,同时低浓度煤层气中含有大量水分,经常造成发电机组频繁停机,导致发电机组年开机率不足50%,发电效率低于30%,降低了煤层气发电站的发电量和经济效益[4-5]。对进入煤层气发电机组的低浓度煤层气进行预处理,对于提高低浓度煤层气发电效率具有积极意义。
2 低浓度煤层气发电效率影响因素
① 甲烷体积分数
煤层气抽采泵站一般建有高负压和低负压两套抽采系统[6]。高负压抽采系统主要用于工作面预抽或掘进面煤层气抽采,低负压抽采系统用于采空区抽采。两者抽采的煤层气组分包括甲烷、二氧化碳、氮气等,其中高负压抽采系统抽采的煤层气中甲烷体积分数相对较高,低负压抽采系统抽采的煤层气中甲烷体积分数相对较低。抽采过程受井下抽采管网接续等因素影响,煤层气的甲烷体积分数变化速率较大,常常大于2% min-1,一旦甲烷体积分数变化速率大于2% min-1,就会引起发电机组停机,有效发电时间减少,发电量降低。另外,发电机组要求低浓度煤层气的甲烷体积分数不小于7%,低负压抽采系统抽采过程中煤层气的甲烷体积分数存在小于7%的情况,会造成发电机组停机,影响发电量。
② 含水量
低浓度煤层气中含有大量液态水和饱和水,这些水分来自抽采泵站的湿式水环真空泵工作水和煤层中裂隙水等。大量水分进入发电机组增加了发电机组气缸、活塞、缸盖、增压器等零部件的故障率,机组零部件发生故障需停机维修,降低发电机组开机率,影响发电量。
含有大量水分的煤层气进入发电机组还将造成热能损耗,影响发电机组的发电效率。水分占据了发电机组的进气体积,单位时间进入发电机组的甲烷减少,用于做工的热量减少,造成发电机组发电效率降低。另外进入发电机组的水分还会损耗热量,有效做功热能减少,发电机组发电效率降低[7-8],水分热能损耗计算式为:
Q=Q1+Q2+Q3
(1)
式中Q——进入发电机组的水分引起的热能损耗,kJ
Q1——液态水升温造成的热能损耗,kJ
Q2——水的汽化潜热热能损耗,kJ
Q3——水蒸气升温热能损耗,kJ
3 低浓度煤层气发电提效系统工艺设计
低浓度煤层气的甲烷体积分数及含水量是影响发电效率的两个主要因素,故低浓度煤层气发电提效系统旨在通过以稳浓(稳定煤层气的甲烷体积分数)、脱水达到煤层气发电提效目的,低浓度煤层气发电提效系统工艺流程见图1。
图1 低浓度煤层气发电提效系统工艺流程
高负压抽采系统抽采的煤层气和低负压抽采系统抽采的煤层气先通入稳浓装置,再通入安全保障装置,低浓度煤层气易燃易爆,需要设置安全保障装置[9],保证输送安全。安全保障装置由水封阻火泄爆装置、抑爆装置和阻爆装置构成。低浓度煤层气进入水封阻火泄爆装置后水分会增加,因此净化脱水装置设置在安全保障装置之后。净化脱水装置脱除煤层气中的水分,最后,脱水后的煤层气进入发电机组发电。
3.1 稳浓装置
稳浓装置设置在整个工艺流程的最前端,见图2。流量计采用威力巴流量计,其传感器插入管道中。稳浓装置主要作用为调控煤层气的甲烷体积分数,保障输出煤层气的甲烷体积分数相对稳定,同时稳浓装置还具有掺混功能,使两路煤层气均匀混合。掺混器采用中国煤碳科工集团重庆研究院有限公司研制的动态连续混气装置,采用双螺旋结构增加两股气流的扰动,达到均匀混合的目的[10]。稳浓装置由掺混器、调节阀、流量计、甲烷体积分数传感器、快关阀及可编程控制器等构成。低浓度煤层气发电机组入口处气源品质要求甲烷体积分数大于或等于7%,甲烷体积分数变化速率小于或等于2% min-1。
1、2—甲烷体积分数传感器; 3、4—流量计; 5、6、7、8—调节阀; 9—甲烷体积分数传感器; 10—流量计; 11、12、13、14—快关阀。
稳浓装置减小了低浓度煤层气甲烷体积分数的波动程度,保障稳浓后煤层气的甲烷体积分数变化速率小于或等于2% min-1,同时掺混系统使低负压抽采过程中抽采的甲烷体积分数低于7%的低浓度煤层气得到利用,增加了发电量。
3.2 净化脱水装置
低浓度煤层气常采用机械脱水,机械脱水能够脱除大部分煤层气中的液态水,部分液态水及饱和水无法通过机械方式脱除。由于进入发电机组的低浓度煤层气相对湿度应小于或等于80%且不含液态水,为了保护发电机组不因水分损坏,提高发电效率,设计了机械+冷冻脱水的复合净化脱水方式。机械脱水装置是由重力与丝网过滤相结合的立式气液分离装置构成[11]。冷冻脱水利用发电机组高温烟气进行溴化锂吸收式制冷脱水,提高了发电机组高温烟气余热利用率,克服了电制冷脱水耗电量大、运行成本高等缺点[12]。净化脱水装置见图3。
1、2—压力传感器; 3、4—温度传感器; 5、6—压力传感器; 7—温度传感器; 8—压力传感器; 9、10—温度传感器;11—调节阀; 12、13—温度传感器。
低浓度煤层气先经过一级机械高效脱水装置除去煤层气中大部分液态水,再进入降温换热器,将煤层气中的饱和水降温析出,形成液态水,降温析出的液态水和之前未脱除的少量液态水经过二级机械深度脱水装置进一步脱水,脱水后的低浓度煤层气经过升温换热器提升温度,实现无液态水和低湿度要求,最后进入发电机组发电。
3.3 甲烷体积分数调控系统逻辑控制流程
低浓度煤层气的甲烷体积分数调控系统逻辑控制流程见图4。
图4 甲烷体积分数调控系统逻辑控制流程
4 设计案例分析
某实际案例,高、低负压抽采系统抽采的低浓度煤层气分别用DN 500 mm管路输送至发电站,发电站设有8台1 MW低浓度煤层气发电机组。设置了低浓度煤层气安全保障装置和发电机组自带的旋风式脱水器。低浓度煤层气流速一般在10~15 m/s,流速较低,旋风式脱水器脱水效果不佳。经调查,安装发电提效系统之前经常有2~3台发电机组因低浓度煤层气的甲烷体积分数变化速率大于2% min-1而停机。
4.1 发电提效系统设计
因安全保障装置中的水封阻火泄爆装置要求管道煤层气流速不大于10 m/s,因此发电提效系统煤层气设计处理量为14 130 m3/h。为了控制煤层气中含水量,降温换热器后煤层气设计温度不大于15 ℃。根据设计处理量及降温换热器后煤层气设计温度,发电提效系统主要设备技术参数见表1。
表1 发电提效系统主要设备技术参数
4.2 低浓度煤层气发电提效系统运行效果
高、低负压抽采系统抽采的煤层气经过稳浓装置避免了煤层气的甲烷体积分数低于7%以及甲烷体积分数变化速率大于2% min-1引起的停机;经过机械+冷冻脱水的复合净化脱水方式去掉了煤层气中的游离水和部分饱和水,实现进入发电机组的煤层气相对湿度小于80%。为了比较煤层气发电站安装发电提效系统前、后的发电效率,统一将1天内发电量折算为单位体积纯甲烷发电量进行比较。
单位体积纯甲烷发电量计算式为:
(2)
式中Eper——单位体积纯甲烷发电量,kW·h/m3
E——1天内发电量,kW·h
V0——1天内发电机组消耗的纯甲烷体积,m3
采样周期为1 s,1天内发电机组消耗的纯甲烷体积计算式为:
(3)
式中T——采样周期,s,取1 s
qi——1天内第i秒煤层气流量,m3/s
φi——1天内第i秒煤层气甲烷体积分数
未安装发电提效系统时低浓度煤层气发电站某10天运行数据见表2,安装发电提效系统后低浓度煤层气发电站某10天运行数据见表3。
表2 未安装发电提效系统时低浓度煤层气发电站某10天运行数据
未安装发电提效系统时发电机组10天累计消耗纯甲烷体积398 877 m3,累计发电量为1 127 930 kW·h,平均单位体积纯甲烷发电量为2.83 kW·h/m3;安装发电提效系统后发电机组10天累计消耗纯甲烷体积395 526 m3,累计发电量为1 256 968 kW·h,平均单位体积纯甲烷发电量为3.18 kW·h/m3;安装发电提效系统后平均发电效率比安装前提高12.37%。
5 结束语
① 分析了低浓度煤层气甲烷体积分数和含水量对低浓度煤层气发电机组发电效率的影响。基于这两个影响因素设计了稳浓+净化脱水的低浓度煤层气发电提效系统。
② 稳浓装置将高负压抽采系统抽采的煤层气、低负压抽采系统抽采的煤层气经掺混器均匀掺混,保障稳浓后煤层气的甲烷体积分数变化速率小于2% min-1,避免了甲烷体积分数波动造成停机,使甲烷体积分数低于7%的低浓度煤层气得到利用。
③ 设计了机械+冷冻脱水的复合脱水装置。机械脱水装置采用重力与丝网过滤相结合的立式气液分离装置。冷冻脱水采用溴化锂吸收式制冷脱水,其中溴化锂吸收式制冷利用发电机组高温烟气,克服了电制冷方式耗电量大、运行成本高等缺点。
④ 针对某低浓度煤层气发电站设计了发电提效系统。运行数据表明:安装发电提效系统后平均发电效率比安装前提高12.37%。