低浓度瓦斯发电技术在羊东矿的应用

瓦斯是与煤炭共同伴生的优质洁净能源,同时也是一种温室气体,它的危害是CO₂的21倍,国际清洁能源组织把瓦斯作为主要温室气体之一,要求各国尽可能降低煤矿向大气排放瓦斯。冀中能源峰峰集团有限公司羊东矿多年来，对低浓度瓦斯采取直接排空，未得到充分利用。胜利油田胜利动力机械集团公司研制的低浓度瓦斯发电机组及配套装置充分利用低浓度瓦斯，解决了羊东矿瓦斯排空所带来的环保问题和困扰煤矿安全的瓦斯爆炸问题，并带来了可观的经济效益。

1 概述

冀中能源峰峰集团有限公司羊东矿建设的5台500GF1-3RW低浓度瓦斯发电机组及配套余热利用装置，装机容量为5×500KW。该项目于2010年9月开工建设，2011年4月调试并开始试运行，工程总投资1500万元。该发电设备采用电控技术，实现了空燃比闭环自动调节，可燃成分在9%-25%之间变动时都能被有效利用，适用于低压力的燃气，不必增压，热效率高，而且投资小，投运后具有良好的经济效益和社会效益。

2 羊东矿瓦斯抽采情况

羊东矿为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯储量为159913万m³。2^#煤层中瓦斯含量比较高。根据煤科总院沈阳研究院对矿井2^#煤层瓦斯含量的测定，原始煤层瓦斯含量为12.83～13.10m³/t，煤层瓦斯压力为0.85～1.37MPa。2009年瓦斯鉴定结果为，瓦斯绝对涌出量为59.89m³/min，相对瓦斯涌出量为26.73m³/t。根据矿井生产情况，矿井高浓度瓦斯抽采量为23.96m³/min，居民利用量为6m³/min左右，剩余17m³/min排空；低浓度瓦斯抽采量为8m³/min，瓦斯浓度为10%左右全部排空。由此可见，羊东矿的排空的瓦斯量为低浓度瓦斯发电机组正常运行提供了可靠的资源保障。

3 瓦斯发电生产工艺

羊东矿瓦斯发电生产工艺由热机系统、冷却循环系统、电气系统、燃气供给系统及自动化控制系统及余热回收利用系统六部分组成。

（1）热机系统发电机房安装5台500GF1-3RW燃气发电机组（三开两备），额定功率为500KW，额定电压为400V。燃气发电机组对瓦斯气的技术要求：瓦斯气进燃气发电机组前1米处，①瓦斯温度≤40℃；②瓦斯压力3～10kPa，压力变化速率≤1kPa/min；③瓦斯中甲烷体积含量不低于9%，变化速率≤2%∕min；④对于甲烷体积含量小于30%的瓦斯，甲烷与氧气体积含量之和不低于28%，氧气体积含量不低于16％；⑤杂质粒度≤5μm，杂质含量≤30mg/Nm³；⑥硫化氢含量不大于200mg/m³。

当瓦斯在发动机气缸内爆燃做功驱动发电机转子旋转，发电机定子输出电能经升压至6KV输送至变电站供用户使用。瓦斯燃烧做功后，产生温度高达550℃废气，通过余热回收利用，生产饱和蒸汽，满足冬季厂区取暖及职工澡堂供热需要。

（2）冷却循环系统 冷却循环系统分为外循环和内循环，即燃气发电机组外部冷却循环和燃气发电机组内部冷却循环，内外冷却循环是通过热交换器进行降温冷却。同时循环系统又分为高温冷却循环和低温冷却系统，高温冷却循环是指气缸套、气缸盖等高温部件的冷却循环，低温冷却循环是指机油、瓦斯介质的冷却循环。

（3）电气系统 3台发电机组与1台2500KVA 0.4/6.3KV升压变压器构成单元接线，2台发电机组与1台1600KVA 0.4/6.3KA升压变压器构成单元接线，所发电能经高压馈电柜接入羊东矿地面变电所6KV母线上。

发电机组开始运行前，有变电所6KV系统通过瓦斯电厂升压变压器低压侧向瓦斯电厂送电，为发电机辅助系统供电，待辅助系统工作正常时，启动发电机组，安装在发电机组控制屏上的同期装置检测同期信号，达到并网条件后，发电机组所发电能通过升压变压器升压至6KV，输送至羊东矿地面变电所与6KV配电系统并网，向并网系统输送电能。

（4）燃气供给系统 燃气供给系统采用了低浓度瓦斯细水雾输送技术。该技术是利用水位自控式水封阻火器、瓦斯管道专用阻火器及瓦斯与细水雾输送等技术，实现低浓度瓦斯安全输送给瓦斯发电机组发电。在低浓度瓦斯水雾输送系统的始端先安装水位自控式水封阻火器，通过雷达监控水面实现自动补水和放水，保持水位不变，提高输送系统的安全可靠性能。水封自控式水封阻火器后安装两路丝网过滤器（一开一备）；过滤器前后安装防腐压力表测试过滤器前后压差，当阻火器的安全阻火速度可以达到1210m/s，可有效阻火，从根本上保证了系统的安全可靠性。为维修方便在瓦斯管道专用阻火器后面安装通用波纹膨胀节；通用波纹膨胀节后面安装低温湿式放散阀，当管道内瓦斯压力超过设定值时放散阀可自动打开。在低温湿式放散阀后面安装防爆电动蝶阀，在防爆电动蝶阀后每20m处安装一个水雾发生器。每台低浓度瓦斯发电机组配套一套旋风重力脱水装置，脱水后的瓦斯经手动蝶阀和瓦斯专用阻火器后供发电机组发电。

（5）自动化控制系统 采用瓦斯发电综合自动控制技术。发动机采用先混合后增压的方式，混合后的气体浓度不随瓦斯进气浓度的变化而变化，当瓦斯浓度变化时，计算机对运行参数进行分析判断，自动调节混合器，使瓦斯与空气混合比例发生变化，瓦斯浓度低时多供瓦斯少供空气；当瓦斯浓度高时，少供瓦斯多空气，实现了气源浓度不同但经过混合器后的混合气浓度保持不变。先混合后增压技术优势在于对瓦斯气的压力要求低，不需要再上增压设备，就能满足使用要求。采用双碟阀混合器的优点在于可以在瓦斯浓度有较大变化时混合浓度也能保证在合理的范围，适应瓦斯的浓度范围较宽。

（6）余热回收利用系统 燃气发电机组的尾气从机组内部排出的过程中携带有大量的热量，排气温度在550℃左右。将机组尾气引至针形管换热器回收，产生0.7 MPa饱和蒸汽输送至矿蒸汽管网。

余热回收利用流程为:

　　　　　　　　170℃左右烟气排出         0.7MPa蒸汽

　　　　550℃左右烟气　　　　　　　　　汽水混合物

                                                     软化水

4 经济和环境效益分析

羊东矿瓦斯电厂自2011年4月开始试运行以来，截止当年年底，累计发电756.2万KWh，生产蒸汽5040吨，消耗纯瓦斯量235.1万Nm³。

（1）经济效益分析

羊东矿瓦斯电厂单位电力成本为0.21元/KWh，电站人员25人，年工资支出125万元，电价为0.65元/KWh，蒸汽价格为80元/t。经核算，生产总收入为531.85万元，生产总支出283.8万元，实现利润248.05万元。

（2）环境效益分析

2011年羊东矿减少纯瓦斯排放量为235.1万Nm³，发电机节约标煤量（折合）2646.7吨，余热回收利用节约标煤量（折合）450.95吨。共计节约标煤3097.65吨。