低浓度瓦斯发电工艺分析

马志国

山西焦煤华晋焦煤公司瓦斯发电厂 山西柳林 033300

根据相关资料记载[1]，1m3含量100%的瓦斯，可以发电3.2-4kWh；1m3含量30%的瓦斯大约可以发电1kWh。利用燃气发动机带动发电机生产电能和利用余热锅炉产生热能的瓦斯发电技术日趋瓦斯，这也是近些年瓦斯发电站建设数目增加、规模拓展的主要原因之一。加强瓦斯发电站的建设，燃烧瓦斯的主要成分CH4，生成主要成分是CO2和H2O的尾气排放，由于CH4对大气的影响是CO2的21倍，因此，加强瓦斯发电工程的建设及相关工艺的研究，对生态环境可持续发展具有很大现实意义。

1 工程概况

沙曲矿井为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，各煤层均有煤尘爆炸危险性。2006年度全矿井生产原煤2.4Mt/a，绝对瓦斯涌出量为306m3/min，平均瓦斯抽放纯流量165.6 m3/min。预计到2011年矿井生产能力达到5 Mt/a时，预计抽采瓦斯纯量达564.0 m3/min。随着瓦斯涌出量的增加，沙曲矿目前正在进行瓦斯抽采系统的改造，改造工程完成后，沙曲矿将建成北翼、南翼2套瓦斯抽采系统。其中，北翼抽采站现装备有2BEC67A型水环式真空泵4台，单台电机功率450kW，额定流量是350m3/min。南翼抽采站现装备有CBF410A—2BV3型水环式真空泵2台，电机功率185kW，对应的额定流量为150m3/min。随机抽出的瓦斯取样成分分析结果见表1[2]：

表1 瓦斯取样成分分析结果统计

2 构建电力系统

2.1 计算瓦斯发电站气量

瓦斯发电站一期工程装机14MW，燃用现有北翼瓦斯抽采系统抽采的瓦斯，机组效率按3kWh/m3，机组平均出力按90%计算，其总用气量大概为69m3/min，扣掉瓦斯发电站一期工程用气后，瓦斯发电站二期工程可用气量见表2[3]。

表2 瓦斯发电站二期工程气量统计[单位：（m3/min）]

2.2 系统概况

沙曲矿坐落于柳林县中，隶属于吕梁地区电网管辖。地区总发电容量大概为300MW，其中柳林电厂装机容量2×100MW，4座小型热电厂总装机容量51MW，4所变电站依次为沙曲矿、青龙、三交及穆村110kV变电所，后3所变电站均由属吕梁地区电力公司管辖。沙曲矿变电所内设有2台变压器，容量是2×25MVA，有110kV、35kV和10kV三个电压级别。

2.3 预算电力负荷

吕梁电网属典型的受电网，无大型电源点支撑，只有柳林电厂和4座小型电厂，总装机容量251MW。为迎合地区经济快速发展的脚步，电力需求量有逐年上升趋势，预计2010年的最大用电负荷达950MW，“十一五”期间用电负荷年增长率均值为9.7%。

2.4 电力平衡

现已知沙曲矿瓦斯发电站二期工程装机容量为62MW，结合本地区历年间电力平衡检测情况，发现二期工程建成以后，依然无法满足本地区的供电需求，但可以为本地区电网提供较大的电源支持。

2.5 接入系统

因为沙曲矿110kV站内只剩有1个110kV间隔的扩建位置，且和二期工程间距只有1.5km，故而建议二期工程暂时用1回110kV电压输电线路并网于沙曲矿110kV变电所内，在接入系统设计工作结束后，将审批后的接入系统设计设为标准。二期工程接入系统方案见图1[4]。

2.6 拟定装机方案

沙曲矿在北翼瓦斯抽采站周边现已建成14MW（20×700）的瓦斯发电站（一期工程），耗气量大概为69m3/min。二期工程可发电气量大概为253.2m3/min。确定装机容量时遵照如下原则[5]：（1）机组的发电效率依照3.5kWh/m3计算；（2）结合高原环境特征，机组出力均值依照90-96%分析。（3）加强瓦斯发电的利用度。依照如上原则，并分析有关因素，拟定二期工程的装机规模为选用单机容量4000kW的进口机组，共计14台。

2.7 余热利用

瓦斯发电机组利用煤矿瓦斯实现发电，燃烧发电后排放的高温烟气温度约为430℃，合理应用方能将不可再生资源的价值充分发挥出来。为实现对该部分余热的有效应用，将余热利用锅炉安装于尾气排放管道上，其能有效吸收高温烟气中的热量，并。生产具备一定参数的蒸汽，锅炉的额定出力为14t/h。

2.8 测算供热量

二期瓦斯发电站采暖期年供热量为北194919GJ/a。

3 发电工艺分析

3.1 工艺程序

由瓦斯储配系统来的瓦斯气体通过调压阀进入内燃机进气系统，与空气在气缸内混合后点火燃烧，产生动力驱动发电机曲轴旋转，将动力传至交流发电机，将机械能转化成电能输出。瓦斯气体在瓦斯发动机内燃烧后产生高温烟气，在排气管上接入余热锅炉回收高温烟气的热量，产生蒸汽带动汽轮发电机组发电。为保证燃气发电机组、余热锅炉和汽轮发电机组正常运转，务必配备进气与燃气系统、烟气系统、回热系统等辅助系统[5]。

3.2 内燃机辅助系统

（1）进气与燃气系统：斯入口管道安装有阻火器、隔离阀、速断阀等，速动阀在各种事故中起快速关断作用。

（2）循环冷却系统：独立循环的中冷器冷却系统可以更好地冷却进气温度，增加空气进气密度，借此方式提升发电机的效率。

3.3 余热发电辅助系统

（1）烟气系统：主厂房7台燃气发动机共用1台余热锅炉。

（2）主蒸汽系统：为单母管系统。

（3）给水系统：设有低压及高压给水母管，高、低压给水系统均采用单母管系统。

（4）回热系统：热力喷雾除氧器和除氧器贮水箱各设有1台。

（5）凝结水系统：设有2台凝结水泵，1台运行，1台以备用。

3.4 单元主厂房

电气间、燃气发动机间、管道间中间柱距为5m，两端柱距为6.5m，共7个柱距，全长为38m，电气间跨度为5.0m，燃气发动机间跨度为13.5m，管道间跨度为3.5m。控制室柱距为6.0m，柱距2个，全长为12m，跨度为12.0m。汽机间柱距为6.0m、共3个柱距全长为18.0m，运转层标高为0.0m，汽机间跨度为12.0m[6]。

3.5 瓦斯储配

为确保为保证瓦斯发电机组的正常连续运行，二期工程考虑建设2座20000m3的瓦斯储气罐，供北翼瓦斯发电站一、二期工程运营使用。本期工程储气罐设计压力3-4kPa（表压），容积是20000 m3。瓦斯预处理流程如下：经由储气罐运送到厂区的瓦斯气体，经冷干机降温脱水后送到罗茨风机加压到9.8kPa，加压后的瓦斯气体进入燃气过滤器予以净化除尘处理（粉尘粒度＜2μm，浓度＜5mg/Nm3），通过2根DN800管道输送到各单元主厂房。

3.6 电气系统

二期工程装机容量偏大，隶属于公用性电厂，假定其所发电力整体被导入系统内，并网电压采用110kV，发电机出口电压为10.5kV。

站内设110kV升压站，设2台40000kVA 121/10.5kV升压变压器。以主厂房为单位，每7台机组和1台汽轮发电机组接入1台升压变压器升压后接入110kV母线。110kV母线采用单母线接线，以1回110kV线路送入沙曲矿110kV变电所和系统相衔接。

低压厂用电低压用380/220V，各单元主厂房中均安设2台10/0.4kV，1250kVA厂用低压变压器，1用1备。高压电源取自10kV母线。

图1 二期工程并网方案地理接线示意图

4 结语

总之，建设瓦斯发电站并加强推广，工程内的余热锅炉利用发动机的高温尾气产生蒸汽，为矿井的生产和生活热负荷提高热源，可降低矿井锅炉房的出力，减少原煤消耗和降低烟气排放量，有益于改善区域生态环境质量。