矿井地面瓦斯发电机组冷却系统优化

李日成

（山西汾西矿业（集团）新产业发展有限责任公司， 山西 介休 032000）

引言

为确保矿井煤炭回采安全，降低采面瓦斯涌出量并避免煤与瓦斯突出等安全事故的发生，瓦斯矿井一般需要对煤层进行预抽[1-2]。抽采系统中大量的高浓度瓦斯若直接排放不仅会导致资源浪费，而且污染矿区环境。瓦斯发电是实现瓦斯高效利用的重要途径之一[3-4]。现阶段瓦斯发电多通过内燃机串联异步电机实现，发电机组冷却系统目的是平衡燃烧室金属结构温度，避免燃烧室温度较大变化降低发电效率[5]。现阶段发电机组冷却系统多为外循环冷却水，一套冷却系统可同时为多台发电机组降温，但是也不同程度面临能耗高问题[6-8]。为此，文中从节能、节水两个方面为出发点，在分析现阶段瓦斯发电机组冷却水循环系统基础上，依据瓦斯发电机组运行参数，对冷却水系统运行控制进行优化，现场取得较好优化改造效果。

1 山西某矿发电机组概况及其冷却水系统运行存在问题

山西某矿设计产能为600 万t/年，开采的煤层均为高瓦斯矿井，采用煤层预抽、采空区埋管、高位钻孔等方式对瓦斯进行抽采。在矿井回风井位置配套的瓦斯发电站，共计布置3 台瓦斯发电机组（发电机组型号为500GF1-3RW）。

冷却系统结构包括冷却水开放式循环、玻璃钢冷却塔、内外两套循环冷却系统等，其中外循环冷却系统包括两套独立运行的低温、高温部分。矿井瓦斯发电机组采用外循环冷却方式，外循环冷却泵是冷却系统主要电能消耗设备。单台瓦斯发电机组高温、低温换热器冷却水分别为30 m3/h、25 m3/h。采用的循环冷却泵型号为KQL100/150-11/2，单台设备流量为93.5 m3/h，功率11 kW，扬程28 m。按照冷却系统运行设计要求，瓦斯发电机组运行时需要启动2 台循环水泵，分别为一台低温换热器、高温换热器提供冷却水，循环水泵流量较大，从而使得冷却水系统存在较大裕量，具体瓦斯发电机组循环冷却系统结构如图1 所示。正常情况下发电机组运行时，循环水泵A、C 分别为发电机组低温换热器、高温换热器提供冷却水，循环水泵B 则为备用设备。

图1 冷却系统运行示意图

2 冷却系统优化改造

2.1 改造方案

为降低循环冷却系统能耗以及冷却水消耗量，对冷却水系统进行改造，具体改造后情况如图2 所示。将单台循环水泵同时为高、低温换热器提供冷却水。现场改造方式也较为简单，具体措施为将循环水泵原低温供水管路分为两路，一路为发电机组低温热换器供水、一路为高温热换器功能，并将低温热换器回水并入到高温回水管路中；高温回水管路在循环泵作用下泵送至高温冷却塔；在高温冷却塔、低温冷却塔间布置管线连接，冷却水经高温冷却塔冷却降温后流入到低温冷却塔，为瓦斯发电机组冷却系统提供冷却水，从而实现冷却水循环利用。

图2 改造后冷却系统运行示意图

对瓦斯发电机组冷却系统改造后，可实现单瓦斯机组、单循环泵运行，并可降低冷却水消耗量。将冷却系统循环水泵由“两用一备”方式改为“一用两备”方式，除可降低循环水泵电能消耗外，还可降低冷却系统磨耗以及后续的维护保养费用；将高温冷却塔以及低温冷却塔间采用管线连接，将冷却塔运行方式由满水单独运行改为低水位串联运行，可显著降低冷却水消耗量。采用的冷却系统优化改造方案不会给原有的冷却水系统有显著改动，仅需要增加管线即可满足优化改造需要，同时管线间布置有阀组，通过关闭阀组可将冷却系统改为改造前的状态。

2.2 改造可行性分析

2.2.1 冷却水需求量分析

单台瓦斯发电机组冷却水需求量55 m3/h（高温、低温冷却水分别为30 m3/h、25 m3/h）。单台冷却水循环泵额定运行可提供93.5 m3/h 冷却水，由此可见单台冷却水循环泵完全可满足单台瓦斯发电机组冷却需要。

2.2.2 冷却系统水冷却能力分析

高、低温换热器供水温度分别为40～45℃、30～35℃，冷却水进入到换热器后水温增加约10℃。冷却水经过低温换热器后的回水温度普遍在40 ℃以内，可满足温度换热器冷却降温需要。

2.2.3 冷却塔水冷能力分析

瓦斯发电机组冷却系统配套使用的冷却塔为GBNL3-125 玻璃冷却塔，共有高温冷却塔、低温冷却塔两台，单台冷却塔水处理能力为106 m3/h，配套使用的冷却风机功率为4 kW。一台冷却塔完全可满足单台循环水泵供水以及瓦斯发电机组冷却水需要。表明冷却塔水冷能力可满足冷却系统改造需要。

2.3 改造效果分析

对瓦斯发电机组冷却系统进行改造后，在节能以及节水等方面均表现出显著优势。受到瓦斯供应浓度、流量等制约，一般情况下瓦斯发电机组均运行单台机组，运行一台水管泵泵即可满足冷却需要，水冷却系统电能消耗降幅约50%，预计全年可节省电能消耗超过1.6 万元。

将两座冷却塔串联后，冷却塔水量消耗每月可降低约150 m3，预计全年可节水约1800 m3。同时由于矿井所在区域冬季寒冷，瓦斯发电机组在冬季停机运行时，需要排放冷却塔内冷却水，由于以往冷却塔均是满水运行，而改造后冷却塔处于低水位运行，就此项而言，年可减少放水量约1200 m3。粗略估算，冷却水系统改造后年可节省水量约3000 m3。

同时冷却水系统改造较为简单，仅需要在原有的供水管路中增加管线、阀门等即可，整个改造投入成本少。

3 结语

针对矿井瓦斯发电站以及冷却水系统工作特点，以及瓦斯发电机组冷却水系统功率远大于单体机组运行需要的问题，对冷却水系统进行优化。具体优化改造方案为：采用一台循环水泵同时为高温、低温冷却水管供水，实现高、低温冷却器冷却需要；将两台冷却塔采用管线串联。并具体针对改造方案可行性以及实施措施进行设计。现场应用后，改造后的冷却系统不仅可满足瓦斯发电机组冷却需要，而且在降低电能消耗以及节约水资源等方面表现出显著优势。