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(jiǎn)介:張國(guó)昌(1962—)男山東省濰坊市人高級(jí)工程師主要從事生產(chǎn)與技術(shù)管理以及氣體機(jī)研究。編者按:煤層氣作為一種極具開(kāi)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(shí)代已經(jīng)成為當(dāng)今世界許多國(guó)家應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境危機(jī)的重要戰(zhàn)略選擇美、加、德、法等國(guó)在煤層氣開(kāi)發(fā)利用和煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)方面取得了成功的經(jīng)驗(yàn)處于領(lǐng)先地位。我國(guó)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(yīng)用并取得了可觀的效益。近年來(lái)國(guó)家已將煤層氣開(kāi)發(fā)列入“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目各部委接連出臺(tái)了一系列政策和激勵(lì)措施并高度重視節(jié)能減排的新型清潔燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和推廣使用。煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域由固定發(fā)電拓展到出租、公交和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)溶囕v應(yīng)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(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)針對(duì)低濃度瓦斯輸送中的安全問(wèn)題、發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作不穩(wěn)定等技術(shù)難題提出了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和解決對(duì)策對(duì)

3、引導(dǎo)發(fā)電和車用發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)重視煤層氣雙燃料和多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重要參考價(jià)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(guó)昌(勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械有限公司山東東營(yíng)257032)摘要:煤礦瓦斯是煤層伴生物主要成分是甲烷儲(chǔ)量豐富與天然氣儲(chǔ)量相當(dāng)。開(kāi)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(kāi)發(fā)方式及其產(chǎn)氣特點(diǎn)闡述了國(guó)內(nèi)外瓦斯發(fā)電現(xiàn)狀并對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)應(yīng)用條件進(jìn)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(yīng)性和壓力的變化”三大技術(shù)問(wèn)題重點(diǎn)論述了利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行瓦斯發(fā)電的三大類、十項(xiàng)專有的關(guān)鍵技術(shù)并就瓦斯發(fā)電市場(chǎng)前景進(jìn)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(hào):TD712文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):100122222(2008)0520009207煤礦瓦斯是指儲(chǔ)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(guò)程中自動(dòng)散發(fā)出來(lái)的一種有害氣體無(wú)色、無(wú)味、易燃、易爆。當(dāng)空氣中甲烷的體積分

5、數(shù)達(dá)到5%～16%時(shí)遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。瓦斯是煤礦的“安全殺手”但同時(shí)瓦斯也是一種潔凈能源有較高的利用價(jià)值被稱為“第二煤炭資源”。我國(guó)煤層氣資源豐富居世界第三每年在采煤的同時(shí)排放130億m3以上的瓦斯約折合標(biāo)煤1600萬(wàn)t。過(guò)去除了供暖外煤層氣沒(méi)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(fèi)用浪費(fèi)了資源污染了環(huán)境。開(kāi)發(fā)利用煤礦瓦斯具有以下重要意義:a)中國(guó)的常規(guī)石油、天然氣資源相對(duì)缺乏20多年來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展對(duì)能

6、源的需求也越來(lái)越大近年來(lái)中國(guó)對(duì)國(guó)際能源市場(chǎng)的依賴程度日漸加大中國(guó)要想保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的增長(zhǎng)有必要開(kāi)發(fā)新的能源改變?cè)胁缓侠淼哪茉唇Y(jié)構(gòu)b)開(kāi)發(fā)利用煤礦瓦斯具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外原油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源的價(jià)格不斷攀升而開(kāi)發(fā)利用煤礦瓦斯可以伴隨著煤礦開(kāi)采的工程進(jìn)行節(jié)約工程成本c)煤礦瓦斯是煤礦事故的罪魁禍?zhǔn)讎?guó)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(yù)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(duì)大氣臭氧造成的破壞是CO2的22倍如果對(duì)煤礦瓦斯進(jìn)行開(kāi)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(kāi)發(fā)現(xiàn)狀煤炭開(kāi)采前地面鉆井開(kāi)采煤層氣方式抽采又稱煤層氣地面開(kāi)發(fā)是指利用垂直井或定向井技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)(如壓裂、洞穴完井等)、排水降壓采氣技術(shù)來(lái)開(kāi)采原始儲(chǔ)層條件下的煤層氣資源的開(kāi)發(fā)方第5期(總第178期)2008年10月車用發(fā)動(dòng)機(jī)VEHICLEENGINENo.5(SerialNo.178)Oc

8、t.2008瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%～15%時(shí)遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。因此在2004年以前體積分?jǐn)?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(dòng)集團(tuán)研究開(kāi)發(fā)了煤礦瓦斯細(xì)水霧安全輸送系統(tǒng)和低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組解決了低濃度瓦斯輸送的安全性問(wèn)題和發(fā)動(dòng)機(jī)安全問(wèn)題在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦建立了世界上首座低濃度煤礦瓦斯發(fā)電站裝機(jī)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(shè)備應(yīng)用比較燃?xì)廨啓C(jī)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(jí)壓縮機(jī)進(jìn)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(shí)容易發(fā)生爆炸因此如果瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于35%以下就不能運(yùn)行。另外低的瓦斯?jié)舛纫苍斐蓧嚎s機(jī)需求的排量大功耗加大投資效益變差。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的燃燒在封閉的燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒時(shí)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(dòng)機(jī)的燃料但是進(jìn)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(duì)煤礦安全產(chǎn)生威脅。1.3.2煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)難點(diǎn)不同的發(fā)電設(shè)備其系統(tǒng)構(gòu)成和技術(shù)難點(diǎn)是不一樣的以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為煤礦瓦斯發(fā)電設(shè)備需要解決以下技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)于體積分?jǐn)?shù)大于30%的高濃度煤礦瓦斯一般采用建造儲(chǔ)氣柜來(lái)保存和緩沖瓦斯供給從而使供給機(jī)組的瓦斯壓力和濃度波動(dòng)較小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行非常有利但發(fā)動(dòng)機(jī)如果不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組功率的大幅變化瓦斯突變超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)允許的范圍將會(huì)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(chǔ)氣柜條件就會(huì)給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)新的問(wèn)題一是到機(jī)組的瓦斯?jié)舛韧蛔兯俣瓤煨枰獧C(jī)組快速調(diào)節(jié)二是機(jī)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(duì)機(jī)組供氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)壓力高時(shí)通過(guò)排空管進(jìn)行排空或通過(guò)變頻增壓泵進(jìn)行壓力控制。對(duì)于體積分?jǐn)?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(dòng)機(jī)回火不會(huì)造成火焰在管網(wǎng)中傳播。另外瓦斯?jié)舛群蛪毫Φ淖兓瘜?duì)空燃比的影響更大為保證發(fā)動(dòng)機(jī)

12、可靠運(yùn)行機(jī)組對(duì)瓦斯壓力的控制精度要求更高。歸納起來(lái)就是一要“技術(shù)安全”二要“適應(yīng)不同地區(qū)不同時(shí)間的瓦斯?jié)舛鹊淖兓比斑m應(yīng)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(dòng)控制、安全阻火三大類細(xì)分為十項(xiàng)。等真空度膜片混合技術(shù)主要用于甲烷體積分?jǐn)?shù)大于75%的煤層氣調(diào)整混合器燃?xì)夤鈮毫凸?jié)流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度可以實(shí)現(xiàn)空燃比隨功率變化的匹配特性低負(fù)荷空燃比小高負(fù)荷空燃比大。該技術(shù)無(wú)法自動(dòng)適應(yīng)瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>

13、由于地面開(kāi)發(fā)的煤層氣成分非常穩(wěn)定隨時(shí)間的變化非常緩慢相當(dāng)于天然氣因此這種混合器能滿足高濃度煤層氣應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓力使瓦斯從側(cè)通道進(jìn)入混合器進(jìn)行混合。當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行控制調(diào)整混合器瓦斯通道的開(kāi)度從而使混合氣濃度保持穩(wěn)定。這種混合器可以適應(yīng)體積分?jǐn)?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(jiǎn)圖。1—步進(jìn)電機(jī)2—

14、外罩3—萬(wàn)向節(jié)4—聯(lián)軸器5—下限位霍爾元件6—感應(yīng)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(duì)于低濃度瓦斯如果體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(wú)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(guó)昌:煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)綜述