煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)綜述

1、收稿日期:2008208221修回日期:2008210206作者簡介:張國昌(1962—)男山東省濰坊市人高級工程師主要從事生產(chǎn)與技術(shù)管理以及氣體機研究。編者按:煤層氣作為一種極具開發(fā)利用前景的新型代用燃料尤其是在石油資源日趨枯竭的后石油時代已經(jīng)成為當今世界許多國家應對全球能源危機和生態(tài)環(huán)境危機的重要戰(zhàn)略選擇美、加、德、法等國在煤層氣開發(fā)利用和煤層氣發(fā)動機研發(fā)方面取得了成功的經(jīng)驗處于領(lǐng)先地位。我國煤層氣資源豐富在發(fā)電、民用、工業(yè)燃料、化

2、工、汽車燃料等方面得到一定應用并取得了可觀的效益。近年來國家已將煤層氣開發(fā)列入“十一五”規(guī)劃重點項目各部委接連出臺了一系列政策和激勵措施并高度重視節(jié)能減排的新型清潔燃料發(fā)動機的研發(fā)和推廣使用。煤層氣發(fā)動機應用領(lǐng)域由固定發(fā)電拓展到出租、公交和長途運輸?shù)溶囕v應用領(lǐng)域。本文作者從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)介紹了煤層氣發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)針對低濃度瓦斯輸送中的安全問題、發(fā)動機穩(wěn)定工作不穩(wěn)定等技術(shù)難題提出了煤層氣發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)和解決對策對

3、引導發(fā)電和車用發(fā)動機行業(yè)重視煤層氣雙燃料和多種燃料發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開發(fā)具有重要參考價值。本刊特載此文以饗讀者。煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)綜述張國昌(勝利油田勝利動力機械有限公司山東東營257032)摘要:煤礦瓦斯是煤層伴生物主要成分是甲烷儲量豐富與天然氣儲量相當。開發(fā)利用煤礦瓦斯具有安全、節(jié)能、環(huán)保、增效等重要意義。介紹了3種煤礦瓦斯開發(fā)方式及其產(chǎn)氣特點闡述了國內(nèi)外瓦斯發(fā)電現(xiàn)狀并對燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機應用條件進行了比較提出了煤礦瓦斯發(fā)

4、電需要解決的“技術(shù)安全、瓦斯?jié)舛鹊倪m應性和壓力的變化”三大技術(shù)問題重點論述了利用燃氣發(fā)動機進行瓦斯發(fā)電的三大類、十項專有的關(guān)鍵技術(shù)并就瓦斯發(fā)電市場前景進行了展望。關(guān)鍵詞:煤礦瓦斯瓦斯發(fā)電安全輸送中圖分類號:TD712文獻標志碼:A文章編號:100122222(2008)0520009207煤礦瓦斯是指儲集在煤層中的一種非常規(guī)天然氣(其主要成分是甲烷)是在煤礦采煤過程中自動散發(fā)出來的一種有害氣體無色、無味、易燃、易爆。當空氣中甲烷的體積分

5、數(shù)達到5%～16%時遇明火就會發(fā)生爆炸。瓦斯是煤礦的“安全殺手”但同時瓦斯也是一種潔凈能源有較高的利用價值被稱為“第二煤炭資源”。我國煤層氣資源豐富居世界第三每年在采煤的同時排放130億m3以上的瓦斯約折合標煤1600萬t。過去除了供暖外煤層氣沒有找到合理的利用手段未能充分利用所以抽放瓦斯絕大部分排入大氣花去了費用浪費了資源污染了環(huán)境。開發(fā)利用煤礦瓦斯具有以下重要意義:a)中國的常規(guī)石油、天然氣資源相對缺乏20多年來中國經(jīng)濟迅速發(fā)展對能

6、源的需求也越來越大近年來中國對國際能源市場的依賴程度日漸加大中國要想保持經(jīng)濟持續(xù)快速的增長有必要開發(fā)新的能源改變原有不合理的能源結(jié)構(gòu)b)開發(fā)利用煤礦瓦斯具有可觀的經(jīng)濟效益現(xiàn)階段國內(nèi)外原油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源的價格不斷攀升而開發(fā)利用煤礦瓦斯可以伴隨著煤礦開采的工程進行節(jié)約工程成本c)煤礦瓦斯是煤礦事故的罪魁禍首國內(nèi)煤礦礦難70%～80%都是由瓦斯爆炸或突出引起加大煤層瓦斯抽采可以減少礦道內(nèi)的瓦斯含量有效預防事故發(fā)生d)煤礦瓦斯的主要成

7、分是甲烷是主要的溫室氣體之一其對大氣臭氧造成的破壞是CO2的22倍如果對煤礦瓦斯進行開發(fā)利用還可減少碳排放。1煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)研究1.1煤礦瓦斯開發(fā)現(xiàn)狀煤炭開采前地面鉆井開采煤層氣方式抽采又稱煤層氣地面開發(fā)是指利用垂直井或定向井技術(shù)、儲層改造技術(shù)(如壓裂、洞穴完井等)、排水降壓采氣技術(shù)來開采原始儲層條件下的煤層氣資源的開發(fā)方第5期(總第178期)2008年10月車用發(fā)動機VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.178)Oc

8、t.2008瓦斯體積分數(shù)達到5%～15%時遇明火就會發(fā)生爆炸。因此在2004年以前體積分數(shù)為6%～25%的煤礦瓦斯全部排空得不到有效利用。2004年9月勝動集團研究開發(fā)了煤礦瓦斯細水霧安全輸送系統(tǒng)和低濃度瓦斯發(fā)電機組解決了低濃度瓦斯輸送的安全性問題和發(fā)動機安全問題在淮南礦業(yè)集團潘三礦建立了世界上首座低濃度煤礦瓦斯發(fā)電站裝機容量為6500kW。1.3煤礦瓦斯發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)1.3.1煤礦瓦斯發(fā)電設備應用比較燃氣輪機比較適合于高濃度瓦斯需要1.

9、0MPa以上的瓦斯壓力必須配套多級壓縮機進行瓦斯壓力提升在高溫高壓下瓦斯爆炸上限提高著火范圍變寬瓦斯?jié)舛鹊蜁r容易發(fā)生爆炸因此如果瓦斯體積分數(shù)低于35%以下就不能運行。另外低的瓦斯?jié)舛纫苍斐蓧嚎s機需求的排量大功耗加大投資效益變差。燃氣內(nèi)燃機的燃燒在封閉的燃燒室內(nèi)進行燃燒時不與外部相連因此從原理上講除了可以燃用高濃度瓦斯外在爆炸范圍內(nèi)的瓦斯也可以作為發(fā)動機的燃料但是進氣管回火現(xiàn)象是客觀存在的如果不能消除回火那么將引起在爆炸范圍內(nèi)的瓦斯發(fā)生爆

10、炸對煤礦安全產(chǎn)生威脅。1.3.2煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)難點不同的發(fā)電設備其系統(tǒng)構(gòu)成和技術(shù)難點是不一樣的以燃氣內(nèi)燃機作為煤礦瓦斯發(fā)電設備需要解決以下技術(shù)難點。對于體積分數(shù)大于30%的高濃度煤礦瓦斯一般采用建造儲氣柜來保存和緩沖瓦斯供給從而使供給機組的瓦斯壓力和濃度波動較小對發(fā)動機穩(wěn)定運行非常有利但發(fā)動機如果不能實現(xiàn)閉環(huán)控制當瓦斯?jié)舛茸兓瘯r會導致機組功率的大幅變化瓦斯突變超過發(fā)動機允許的范圍將會出現(xiàn)爆震造成燒蝕活塞、拉缸、連桿斷裂等惡性事故。有的

11、用戶不具備建儲氣柜條件就會給機組運行帶來新的問題一是到機組的瓦斯?jié)舛韧蛔兯俣瓤煨枰獧C組快速調(diào)節(jié)二是機組快速調(diào)節(jié)又將引起瓦斯壓力升高破壞其調(diào)節(jié)作用因此需要對機組供氣壓力進行調(diào)節(jié)壓力高時通過排空管進行排空或通過變頻增壓泵進行壓力控制。對于體積分數(shù)在6%～30%的煤礦瓦斯由于瓦斯?jié)舛鹊淖兓锌赡茉斐赏咚節(jié)舛扰R界爆炸極限范圍內(nèi)因此必須采取可靠的阻火措施保證發(fā)動機回火不會造成火焰在管網(wǎng)中傳播。另外瓦斯?jié)舛群蛪毫Φ淖兓瘜杖急鹊挠绊懜鬄楸ＷC發(fā)動機

12、可靠運行機組對瓦斯壓力的控制精度要求更高。歸納起來就是一要“技術(shù)安全”二要“適應不同地區(qū)不同時間的瓦斯?jié)舛鹊淖兓比斑m應壓力的變化”。1.3.3煤礦瓦斯發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)煤礦瓦斯發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)可以概括為瓦斯混合、自動控制、安全阻火三大類細分為十項。等真空度膜片混合技術(shù)主要用于甲烷體積分數(shù)大于75%的煤層氣調(diào)整混合器燃氣供氣壓力和節(jié)流調(diào)節(jié)閥的開度可以實現(xiàn)空燃比隨功率變化的匹配特性低負荷空燃比小高負荷空燃比大。該技術(shù)無法自動適應瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>

13、由于地面開發(fā)的煤層氣成分非常穩(wěn)定隨時間的變化非常緩慢相當于天然氣因此這種混合器能滿足高濃度煤層氣應用場合。文丘里電控混合器混合技術(shù)文丘里電控混合器采用文丘里管原理利用空氣在文丘里管流動產(chǎn)生一個負壓力使瓦斯從側(cè)通道進入混合器進行混合。當瓦斯?jié)舛茸兓瘯r控制系統(tǒng)自動進行控制調(diào)整混合器瓦斯通道的開度從而使混合氣濃度保持穩(wěn)定。這種混合器可以適應體積分數(shù)為30%～55%和45%～75%的瓦斯混合需要。圖1為文丘里電控混合器結(jié)構(gòu)簡圖。1—步進電機2—

14、外罩3—萬向節(jié)4—聯(lián)軸器5—下限位霍爾元件6—感應磁塊7—上限位霍爾元件8—橄欖閥9—混合器體A10—滑閥11—混合器體B圖1文丘里電控混合器結(jié)構(gòu)示意圖雙蝶門混合器電控技術(shù)對于低濃度瓦斯如果體積分數(shù)為25%空氣與瓦斯混合的體積比大約為3∶1如果瓦斯體積分數(shù)降為10%那么空氣與瓦斯混合的體積比大約為9∶1。因此常規(guī)的混合器無法滿足低濃度瓦斯混合的需要。圖2為專用于低濃度煤礦瓦斯的雙蝶門電控混112008年10月張國昌:煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)綜述