高浓度煤层气发电低浓度适应性技术研究

［摘 要］煤层气内燃发电机组作为我国清洁能源体系的重要组成部分，为国家经济发展和人民生活提供了巨大的能源支持。然而，我国作为能源供应大国，在发展的过程中其能源消耗大和利用率低等问题也日益凸显，亟需采取措施来实现能源的高效利用。文章分析了高浓度煤层气内燃发电机组系统，并提出了针对性的提高煤层气利用率和增加发电量的对策，以促进高浓度煤层气内燃发电机组的可持续利用。

［关键词］煤层气；发电机组；低浓度；对策

［中图分类号］TM619 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0025–03

1 煤层气内燃发电机系统概述

煤层气也称煤矿瓦斯，是煤矿井安全生产的重大危险所在，所以煤矿企业要生产，必须按照安全操作规程要求先抽采瓦斯后开采，抽采的煤层气一直以来都是直接对大气排放。煤层气的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷及丁烷，此外一般还含有H2S（一种仅次于氟利昂的温室气体，能破坏大气的臭氧层，其温室效应是CO2 的21 倍，严重破坏人类的生存环境）。同时，煤层气也是燃烧值与天然气相当的清洁能源，用煤层气发电并充分利用其余热，通过以用促抽、以抽促采，可降低煤矿企业煤层气灾害事故。煤层气开发利用有着良好的经济效益和环境效益。

煤层气内燃发电机是一种高效、可靠的发电设备。煤层气内燃发电机组的主要组成部分包括内燃机、发电机及煤层气供应系统，一般工艺流程为：瓦斯升压→混气→预处理系统→瓦斯→发电机组→余热发电机组。内燃机采用火花塞点燃煤层气和空气的混合物，产生爆炸推动活塞运动，通过连杆将动力传递到发电机。发电机将机械能转化为电能，通过输出电缆输送到负载或电网。煤层气供应系统包括煤层气储配系统、调压装置及供气管道，负责提供适宜压力的煤层气到内燃机。

煤层气内燃机发电机具有高效、可靠、环保等优势。其发电效率通常在30%～40%，相比其他类型的发电机具有更高的能效。同时，其结构简单、维护方便、成本低廉，使其在许多场景下成为一种优选的发电方式。此外，煤层气内燃发电机在燃烧过程中产生的污染物较少，对环境影响较小。煤层气内燃发电机适用于各种需要发电或供暖的场景，特别是在缺乏电力供应、需要移动便携式发电设备或需要较高能效的场景下。例如，其在工厂、商场、酒店、农村等场所得到广泛应用，为各种设备提供电力和热力。此外，在灾害救援、野外作业、车载电源等领域，煤层气内燃机发电机也具有重要应用价值。

2 开发现状和发展趋势

目前，煤层气内燃发电机组分为高浓机组和低浓机组两种类型。随着矿区煤炭的不断开采，高浓度煤层气量逐年减少。同时，由于居民用气量增加，且随着煤改气等设备设施的大量投入，导致高浓度（30%以上浓度）煤层气量逐渐紧缺。随着高浓气源的紧缺，现有的高浓度内燃发电机组负荷水平逐年下降，煤层气利用率和发电效率也随之下降。机组的启动及运行稳定性受到了很大冲击，煤层气浓度在25% 左右时，负载只能达到65%，发电效率低下，运行的稳定性、经济性下降。在这种现状下，有必要开展燃气发电机组低浓度适应性技术研究。这既能提高发电机组负荷水平，也可利用现有的设备，充分高效利用低浓度煤层气，承担企业节能减排的责任。

随着高浓度能源的逐步紧缺，高浓度机组利用低浓度煤层气进行发电，是今后煤层气发电行业的大势所趋。国内外对高浓度煤层气内燃机组在低浓度环境下的运行开展了研究，并取得了阶段性成果。

3 高浓度煤层气发电机组低浓度适应性的项目研究

3.1 项目目标

本项目的目标是，在某煤层气发电公司现有的4台颜巴赫620 系列高浓度燃气发电机组基本结构、辅助设备、上游供气方式等不作改变的情况下，通过对进气系统、控制系统及点火系统的开发研究，提升预燃压缩系统的安全性能，使得煤层气浓度在25% 左右时，机组能够正常启动，并且负载达到80% 左右稳定运行。

3.2 研究内容

本项目的研究内容是，颜巴赫620 系列高浓度燃气发电机组的空燃比调节、点火控制系统开发、进气系统的研究，以及预燃压缩系统的研究。

3.3 本项目的关键技术解决方案

（1）对燃气发电机组文丘里混合器进行核算，重新研究开发调节范围更广的文丘里空燃比调节器，使得空燃比的配气范围增大，当煤层气浓度下降到25%及以下时，文丘里混合器仍能有效调整。通过信息化实现发动机空燃比闭环控制，对于低浓度煤层气，研究设计口径较大的煤层气进气通道，煤层气与空气分别由电动装置进行控制。当煤层气的浓度变化时，发电机组自动实时监控传感燃烧工况，由控制单元发出指令，执行器调整燃气通道的大小，从而改变燃气进气量，达到自动调节空燃比的目的，使发电机组空燃比始终保持在理想状态，整个过程自动实现。

（2）根据煤层气浓度，重新计算核定点火系统点火提前角和凸轮夹角等数据，优化闭环控制模式点火提前角的控制方法，使发动机始终处于最佳点火工作状态。保证在低浓度情况下，合理的点火时刻控制和爆燃控制，缸内的压缩、点火冲程更加高效，燃料能量更加充分释放。

（3）重新设计曲轴箱呼吸器，研究曲轴箱油气的最佳解决方案，通过提高曲轴箱油气的净化程度，保证中冷器的洁净度，从而保证混合气的进气畅通。将原有压风机与机组曲轴箱的呼吸器进行连接，通过压风机的吸力将曲轴箱底部的气体抽出，气体内含有空气、少量的瓦斯气、水气及油气，压风机抽出的气体通过简单的过滤将气体带出的润滑油进行过滤，通过放油口进行回收，通过回油阀再次回到曲轴箱底壳内参与机组的润滑，剩余的气体排空。压风机前端加1个吸风阀，用来调节油底壳压力，即能保证润滑不外渗，又能减少曲轴箱底壳内瓦斯气聚集，使机组能够安全稳定运行。

（4）提高涡轮增压器的增压压力，保证进气管路的高效运行。采取定期保养维修涡轮增压器、增加涡轮增压器旁通阀等方法，从而增加单位时间内的混合气进气量，使得煤层气浓度下降时，缸内燃料也能充分燃烧。

（5）加装安全的煤层气输送系统。低浓度、处于爆炸极限内的瓦斯在进入机组前的过程中不允许设置储气罐及罗茨风机等，而高浓度煤层气在输送过程中可不设计瓦斯安全输送系统。所以需要增加1 套煤层气安全输送系统（包括雾化水系统、水封阻火器、安全阀等）。低浓度煤层气发电流程如下：抽放泵站→电动调压阀→水封阻火器→湿式放散器→丝网过滤器→液压快关阀→水雾输送系统→水封阻火器→燃气重力汽水分离气→冷冻脱水器→手动进气阀→干式阻火器→瓦斯发电机组。

（6）为提高低浓度煤层气的清洁度，可在雾化水系统基础上增加过滤系统，对发动机进气系统的前端管路加装过滤系统，对煤层气及空气中的有害杂质进行清除，以避免进气不纯而导致燃烧不良使发电机组缸温高或磨损。

（7）为改进煤层气利用系统，提高低浓煤层气的采集利用率，可采用高效的管道和泄漏检测装置，防止瓦斯泄漏。研究采用多级火箭发生器等设备将低浓度煤层气进行浓缩，以提高瓦斯浓度，提高燃烧效率。

（8）设置加装1 套合理的混合装置及储气设备，由于瓦斯矿的抽放浓度不同，用于瓦斯发电之前必须将浓度不同的瓦斯气体按一定比例进行均匀混合且无分层现象，使之达到一个相对平衡、稳定的热值，之后在储气柜进行稳压存储。

表1 为某电站改造前后因不同原因导致的停机次数对比。

改造后，煤层气浓度在25% 左右时，机组能正常启动，负载在80% 左右安全稳定运行。

3.4 项目实施的风险及主要对策

（1）风险：燃气发动机组无法启动。措施：增加预燃压缩系统燃气浓度，必要时更换高能量火花塞。

（2）风险：瓦斯浓度下降时，燃气发动机组负载不稳定。措施：修改机组控制程序及相关参数，适当降低负载高限设置。

（3）机械和电气安全风险。措施：项目实施过程中，严格按照电力系统两票三制制度、煤层气管理相关制度进行现场安全管理，将现场安全风险降到最低。

（4）预燃压缩系统安全风险。措施：通过系统加装压力、温度及超限泄压等安全装置，将预燃压缩系统安全风险控制到最低。

3.5 实施场地与技术基础条件

上述煤层气发电公司拥有国外三大品牌曼海姆、颜巴赫、卡特彼勒机组，同时还拥有国内济柴、胜动两大品牌机组，公司发电工艺涵盖了高浓度、低浓度两种工艺。且其产业结构完备，工艺系统齐全，是开展燃气发电机组低浓度适应性研发和试验的最佳场地。同时，该公司各种操作、检修等工作已经形成标准化、制度化、流程化，各种配套设施和配套工艺齐全，满足研发条件。

在燃气发电机组低浓度适应性研究方面，该公司有深厚的产学基础。由于日常运行中，煤层气浓度、压力等参数存在波动，在长期的实践中，操作人员已熟知低浓度下如何调整机组参数，公司有完备的低浓度下机组稳定运行的的处置方案。且该公司和机组制造商、服务商等保持长期的技术合作关系，并和国内大型煤层气发电兄弟单位保持长期的交流和沟通机制，在行业内的产学基础优势明显。

本项目完成后，有效解决了煤层气发电行业内，高浓度燃气机组在低浓度环境下稳定运行的技术难题，特别是打破了进口煤层气发电设备控制系统的技术垄断，实现了技术本土化。本项目完成后，公司4台颜巴赫620 系列高浓度燃气发电机组由65% 负荷提升至80%，年发电量增加1350 万kW · h。

4 结束语

综上所述，煤层气发电作为我国清洁能源体系的重要组成部分，必须提高煤层气利用率，降低能源消耗和污染物排放。通过对煤层气发电机组空燃比调节、点火控制系统开发等措施，优化煤层气发电工艺，可以提高煤层气发电的经济性和环境效益，促进煤矿煤层气等天然气资源的有效利用，实现可持续发展，为我国能源安全和环境保护作出贡献。

参考文献

[1] 邓素华. 低浓度瓦斯发电可行性探究[J]. 中国矿山工程，2021，50（2）：42-44.

[2] 马培耀. 瓦斯发电技术的改进分析[J]. 科技风，2019（25）：170.

[3] 张晋东. 高浓瓦斯发电效率分析[J]. 山西科技，2014，29（3）：132-133.