低浓度瓦斯发电技术在峻德煤矿的应用

摘 要：煤矿瓦斯是一种新型能源，主要成分是甲烷，储量丰富，与天燃气储量相当。开发利用瓦斯具有节能、环保、增效等重要意义。煤矿瓦斯发电具有极佳的市场前景，通过对峻德煤矿瓦斯抽采现状的分析，对煤矿瓦斯发电设备进行选型，阐述了低瓦斯发电机组的关键技术特点和发电技术安全性。为煤矿瓦斯发电技术的运用提供技术支撑，促进我国煤矿瓦斯发电事业的健康发展。

关键词：煤矿瓦斯 发电技术 能源

引言

煤矿瓦斯是储藏在煤层里的以甲烷气体为主要构成物的非常规天然气能源。它无色无味、易燃 易爆并且有较大的毒性，在煤炭资源开采中会 自动散发到矿井内。特别是在其主要成分甲烷气体占空气体积的5%～16 %范围时，遇到明火将引起爆炸的发生。正因如此在业界也把煤矿瓦斯称之为安全杀手，但与此同时煤矿瓦斯以甲烷为主要成分，也可以作为一种具有较高经济价值的新型清洁能源被利用。当前在全球资源日益匮乏的大环境下，合理地开发和利用煤矿瓦斯具有极其重要的现实意义。

1 矿井概况及瓦斯抽采现状

峻德煤矿是东北地区最大的国有井工煤矿，全国瓦斯治理示范矿井，行业一级安全高效矿井。矿井位于黑龙江鹤岗煤田最南端，1981年11月26日投产，煤质为气煤和肥气煤，是优质的动力煤，矿井生产能力300余万吨，综合机械化开采。已探明矿井剩余可采储量共计5.3亿吨，按目前开采能力可采130年。该矿为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯剩余储量约20亿立方米，气体储量非常丰富。地面运行两套瓦斯抽采系统，实现矿井高、低浓度分源抽采，利用矿用坑道钻机打穿层钻孔技术，分别对二水平南一、二区及三水平的21#、22#、23#、27#、30#、33#可采煤咏行瓦斯预抽。瓦斯抽采纯量为2040万 m3/a ，瓦斯平均浓度25%左右，属于低浓度瓦斯。

2 机组选型

目前国内瓦斯发电站普遍采用瓦斯内燃发电机组，其中应用较多的国产机组主要有胜动集团、济柴动力、无锡开普等公司生产的燃气发电机组，功率有1000KW、600KW和500KW三种容量机型。低浓度瓦斯发电必须解决两个问题：一是发电机组要适应瓦斯浓度和压力的变化要求；二是要有安全的瓦斯输送系统，保证安全发电。由于峻德煤矿瓦斯气体浓度相对不高，发热量较低，适应性差等特点，瓦斯平均浓度20%-25%，而胜动机组设计为CH4≥9%即可发电，因此选择8台胜动500GF1-3RW型低浓度瓦斯发电机组及其配套设施。

3 500GF1-3RW瓦斯发电机组主要技术特点

3.1空燃比自动调节技术

通过计算机实现发动机空燃比闭环控制，对于低浓度瓦斯，设计大口径瓦斯进气通道。瓦斯与空气分别由电动蝶门进行控制。当CH4的浓度变化时，发动机自动实时监控燃烧状况，由中央控制单元发出指令，执行器调整燃气通道，从而改变燃气进气量，达到自动调节混合比的目的，使发动机空燃比始终保持在理想状态，整个过程自动实现。

3.2 低压进气技术

针对抽排瓦斯压力低的特点，机组采用瓦斯与空气先混合后增压技术适应煤矿瓦斯压力低的特点。该技术的应用，可实现直接应用煤矿抽排瓦斯发电的目的。瓦斯压力到调压阀前达到3kPa以上就可以达到使用条件，不需要增加加压装置，减少投资。

3.3 稀薄燃烧技术

通过合理匹配配气系统，利用自主知识产权的新概念燃烧室技术和缸温控制技术，共同实现稀薄燃烧，降低热负荷，提高了机组对燃气的适应性和机组的热效率，其动力性和可靠性大大提高。

3.4 防回火技术

针对低浓度瓦斯的特点，研制了金属波纹带瓦斯管道专用的阻火器，用于发动机的三处阻火点，防止发动机回火。

3.5 数字点火技术

点火系统与美国ALTRONIC公司的产品配套使用，通过在世界范围内的使用证明：该系统具有较高的可靠性，尤其适用于大功率机组，保证燃气燃烧充分，机组可靠运行。此点火系统尤其适合多缸机型，使每个气缸都能在最佳状态工作，发挥机器的最佳性能。

3.6电子调速技术

选用美国WOODWARD电调系统，该系统是当前世界最先进的大功率调速系统，经过20多年燃气机研发经验和国内外机组的使用验证，该调速系统的使用性能优越，具有高稳定性和反应快速等优点，适合多台机组并车或并网时使用，可达到精确的速度控制，使机组调速率稳定。

3.7 TEM（工控计算机）技术

利用TEM（工控计算机）系统对瓦斯浓度、发动机缸温、排温、混合器转角、监控仪测量参数、电量参数进行采集记录与故障报警，并能自动调节混合器控制阀开度，使机组始终处于最佳工作状态。进气总管装甲烷传感器，符合煤矿防爆要求。TEM系统还可以根据用户的需要实现信息远传和远程监控。

4低浓度瓦斯发电技术的安全性

500GF1-3RW瓦斯发电机组在设计时充分体现了最初的设计原则，充分考虑瓦斯气体的易燃、易爆性，尤其低浓度瓦斯。机组本身具有多种安全保护装置：

短路保护：利用主回路低压断路器的延时脱扣器做短路保护电器，动作电流整定8-10倍额定电流。

过电流保护：利用机组上的过流继电器检测过流信号，按照发电机额定电流的1.25倍整定。

欠压保护：在主回路低压断路器装设失压脱扣器，当发电机电压低于50%―60%额定电压时，使主断路器分闸。

逆功率保护：采用反时限逆功率保护机组，并联运行时发生5%-15%额定功率的逆功率时，10s内逆功率保护装置使主断路器分闸。

发电机热保护：定子温度超过145℃，发出声光预告报警信号，超过155℃使主断路器分闸。

TEM保护系统：交流电流表、电压表、功率表、功率因数表、频率表、电能表、转速表、运行时间累计表及相应配套的电流互感器、电压互感器、测量转换开关；燃气机的进口气压、水温及排烟温度、油温、机油压力、缸温、同期测量仪表及同期控制设备、运行状态预告、故障报警信号、水温、油温过高报警。

发动机的状态信号：油压过低、超转速故障报警并停车。

5 排气余热利用

利用循环泵将矿区自来水经软化处理送至锅炉，利用瓦斯发电机组排放的尾气进行加热，可以生成1.0MPa、120℃的饱和蒸汽，再通过管道送入热交换器转换成60℃的热水后，供峻德职工浴池洗澡和更衣室烘干用水。烟道式余热锅炉，单机额定出力为0.4t/h，总出力为8×0.4t/h，可节约供蒸汽气量3.2t/h。

6 经济效益、社会效益：

1.发电机组每年发电2040万KWh，所发电量全部供矿区内部使用，每年为我矿节约电费1264万元。余热利用4400GJ，节约煤炭720吨，加上人工费、设备维护费等每年可节省资金300万元；

2.实现了能源的综合利用及公司的可持续发展；

3.减少温室气体排放，保护生态环境

7 结论

煤矿瓦斯发电在一定程度上改善能源结构，实现“以利用促抽采、以抽采保安全”的煤矿良性循环发展；在抽放站附近建立瓦斯发电站，实现“就地发电，就地使用，多余上网”的模式 ，缓解区域性电力短缺，提高煤矿企业生产效益。具有安全、环保、节能的显著特点，经济效益和社会效益都十分显著。

参考文献 ：

[1] 陈宜亮. 低浓度煤层气发电机组技术及其应用[J ]. 山东理工大学学报（自然科学版） ，2003 （4） ：1082110.

[2] 王竹南. 煤矿瓦斯发电技术综述[ J].科技创新导报，2013（12）：0042-01