基于电气控制的煤层气发电中气体处理系统优化

[摘 要] 为了让煤矿企业充分利用瓦斯发电，煤层气得到最大化利用，必须根据煤层气发电预处理系统进行控制优化。本文结合电气控制的煤层气发电中的气体处理，对煤气层发电技术、设备、预处理系统以及电气控制系统进行了简要的探究和阐述。

[关键词] 电气控制； 煤层气发电； 气体处理； 系统优化

煤层气发电作为煤层气资源利用最主要的方式，电气控制中的发电设备主要包括燃气轮机、内燃机以及蒸汽轮机等，在和热电联产、联合循环中，具有各自的应用范围和优点。我国第一台煤层气发电项目产生于辽宁省老虎台电站，煤层分组为：氮气42.1%、甲烷40.4%、二氧化碳5.8%、氧气11.7%，规模为1500x1kw，发电设备是从挪威引进的KGZ―3C汽轮机，通过锅炉预热可以为矿井供热，或者供洗衣房、浴室使用。

一 煤层气发电技术以及设备

基于电气控制中煤层气发电设备主要有内燃机、大型燃气轮机和小型燃气轮机。在燃气轮机的基础上，可以展现热电联产的作用。对于已经拥有燃煤的发电站，可以对其改造后，再利用煤层和煤进行燃料发电。

（一）大中型气轮机

对于大中型燃气机装置，主要由燃烧室、压缩机、动力透平以及发电机构成（如图一所示）。

大中型燃气机具有很宽的装机容量，从500KW到25MW都可以，工作效率一般在30%左右，通常采用热电联产的技术进行，被广泛应用于矿井煤层气，也可以利用甲烷含量在35%到70%左右的中等煤层气，部分厂家甚至已经制造出可以利用低品质煤层气的燃气轮机。

在技术方面，英国、德国、澳大利亚、日本等国已经能够利用煤层气进行燃气轮机燃料发电。近年来，随着科学技术增强，燃气轮机效率逐步提高，维修费用很低。目前，最先进的燃气轮机单机已经达到325MW[1]，效率也可以达到39%。为了保障压缩机配置，燃气轮机要求整个介质压力达到18个气压，抽放的气压相当于一个气压，所以必须配置压缩机，但是也会消耗一定的电力。

（二）微型燃气轮机

微型燃气轮机主要由航空技术发展而来，轮机系统由一个相对空冷的燃气轮机，连接到单轴压缩机和发电机中。目前，微型燃气轮机的生产厂家主要有：Solar Turbines、Centrax Cads Turvines、Ingersoll rand等。它的装机容量一般可以达到30KW到2000KW之间，在简单构造中拥有很强的输出能力，噪音较小、效率相对较高，在紧凑的结构中，可以放在窄小的区域，但是昂贵的维护费用逐步成为影响整个轮机系统的缺陷。它产生的电力通常用于地区用电中，但是并不直接进入电网（如图二所示）。

（三）内燃机

根据点火方式，内燃机可以分成两种形式，一种是电火花点火，它有一套比较系统的点火结构，并且缸盖上一致装有火花塞；另外一种则是以柴油点火为主，通过在柴油发动机的基础上添加供气系统，所以被称为柴油/燃气双燃料发动机，它的主要特点是由两套不同的油气转换与燃料供给系统构成。

内燃机的装机容量一般在10KW到4000KW之间，体积比较小巧，在模块化设计中，如果煤气层处理完毕，就可以将其轻易的安装在其他地方。并且它对其他浓度具有很强的适应性，每天消耗的甲烷量可以达到1000立方米[2]，在入口压力较低的环境中，不需要任何压缩机。

（四）联合循环以及热电联产

在燃气轮机的基础上，可以充分利用热电联产技术，根据燃气轮机尾气，进行热能供应，最后用于煤炭烘干、加热等。热电联产技术通过中等质量的发电效率，可以为矿井提供充足的电力供应，得到的热量也可以作为煤炭烘干、加热的后备用品。装机容量可以达到500KW到500MW之间，很多制造商通过努力研究小型联合系统，已经制造出3MW的燃气加上0.5MW的蒸汽发电系统，并且每小时产生的蒸汽可以达到13.6t（如图三所示）。

另外，燃气―蒸汽联合循环，在低污染、高效的基础上越来越被相关单位重视。根据相关数据资料显示，从上个世纪九十年代后期开始，全球投入运营的天然气循环机组的总功率已经达到41000MW。燃气―蒸汽联合循环的热效率通常可以达到58%甚至以上，和燃煤电厂相比，燃气机组的耗水量只有相同容量燃煤机组的50%到60%，被广泛应用于缺水、煤层气含量较高的西部区域。

（五）联合燃烧技术

联合燃烧技术则是在煤和煤层气的基础上，产生蒸汽，并且推动蒸汽轮机发电的过程。它只需要将传统燃煤简单改造后就能使用，并且不断增加供应系统。该种技术在发电中，能有效降低二氧化硫、二氧化碳、飞灰的排放，并且它可以使用廉价的煤，燃料比例可以从10%一直到100%[3]，最后数值根据锅炉设计而定，如果煤层气不能满足用户和气体性质需要，就会直接进行煤燃烧。

在系统功率中，和用油点火相比，它更加经济可靠，需要的空气过量相对较少。在推动碳燃烧过程的同时，具有技术风险低、投资少等特点。在耗气量中，装机容量可以达到600MW，当甲烷占到燃料3%的比重时，日消耗可以达到10万立方米（如图四所示）。在使用中锅炉必须接近煤层气源，进而减少运输费用，对于日运输量在30000立方米之上的管道，锅炉和矿井之间的直线距离必须在8千米以内。

二 煤层气发电预处理系统和电气控制系统

（一）煤层气发电预处理系统

1、煤矿煤层气

在电气控制中的煤矿煤层气是煤层中一种伴生或者共生的气体，主要包括：氮气、甲烷、氧气等，由于没有氰、酚等有毒气体，所以在燃烧后不会造成任何化学或者粉尘污染。如果大量煤层气抽出后，直接进入大气层，不仅会造成资源浪费，还会污染环境。因此，在电气控制中，煤矿企业通常利用的是瓦斯发电，从根本上保障环境效益、社会效益。

2、煤层气发电预处理系统

煤层气发电作为当今比较成熟的内燃机技术，它是以内燃机为燃料供给，在系统改造中，以瓦斯为燃料，在内燃机原动机的基础上，将瓦斯气体内部蕴含的热量转化成机械能，从而转换成电能的过程。它的主要作用是在煤层气脱水冷却、过滤除尘、增压的基础上，为机组提供对应的燃料。

通常预处理系统可以分成：过滤、脱水制冷、增压、卸压循环、电气控制以及空气压缩系统等。

（二）预处理的电气控制系统

在煤层气发电中，电气控制系统一般利用PLC控制，通过Wincc6.0西门子进行组态软件开发，它是在Winxp[4]平台的基础上进行。适用于各种气体设备预处理以及参数取样，通过逻辑程序再发出对应的命令和判断；在保障各种预处理设备、系统正常运行的同时，对各种数据进行储存、整理。

1、控制系统组成以及性能

在煤层气发电中，控制系统主要由两台PLC系统控制、一台以太网交换机、两套工控机组成（如图五组成）。

在PLC控制系统中，一般情况下，1#为主主控站系统，2#为备用系统，一旦主控系统1#中任何一个组件出错，任务都会自动切换到2#备用系统，此时1#为主控站备用系统，2#为主控系统。在这过程中，切换过程包括：CPU、电源、模块接口、通讯电缆等的整体切换，并且不会造成任何瓦斯计量的关键数据丢失和突变。

在工控机控制过程中，正常运行的两套工控机能同时监控1#主控机运行状态和设备参数读取；如果1#主控机被直接切换到2#主控站时，工控机会自动切换到2#控制台，并且进行2#主控机监控，读取相关数据。两套工控机是为了互为备用而准备的，如果一台工控机出现故障，还可以在另外一台监控设备中运行。

在控制系统性能中，正常运行时，预处理系统的出口压力一般在正负2KPa之间波动，出口压力速率始终低于1KPa/s[5]。当发动机组并联时，如果一台发动机组突然停机，预处理系统会直接通过自动调整的方式，让气体发电机组能够正常运行。如果是故障状态，预处理系统2#和1#主控站会自动切换，通常主控站切换时间为1到3秒，在切换中一般不会造成设备停机的现象。

在正常运行状态中，电气控制预处理系统会自动显示出主控站运行情况，另外，操作人员也可以通过预处理画面，逐步实现手动切换。当工控机切换时间运行到3到5秒之间时，在紧随主控站运行的同时，通常不会影响整个数据记录工作，尤其是CDM仍然会完好无损。

2、加压风机控制

当发动机是一台或者多台机组同时跳机时，预处理出口压力处于变换状态，跟随性较差，因此很容易造成其他发动机组随着跳机。如果取消固有的电磁阀再循环，增加电动调节阀，在跟踪后续设备流量的同时，就可以大幅度调整工况气体性能（如图六所示）。正常情况下，电动再循环会出现一个小型的开度，让部分气体回流；当整个运行机组由于故障停机时，预处理的气体流量就会减小，压力随之增高，控制系统电动循环阀迅速打开，此时回流会由于停机，不会出现过多剩余气量，也就让气体处理系统始终在目标压力1KPa左右。出口压力则通过电动再循环的方式实现，而不是加压风机。

如果电气控制系统出口压力随着风机频率成反比例运转时，气体预处理压力就会随之增大，出口压力也将在2.5KPa的压力下进行左右波动，此时，气体预处理系统就不会太稳定。在频率特性分析中，为了明确稳态传递函数，在PLC编程处理中，相关人员设定了P、I、D不同的系数值，从而让系统逐渐成为稳定的状态。当系统压力和流量都发生变化时，再调整参数也能达到理想状态，也就避免了控制程度繁琐的修改过程。在控制系统修改中，加压前的系统出口压力和电极频率呈线性关系，但是其再循环阀只能起定量控制的作用，不能调节气量。

3、系统数据采集

在电气控制煤层气气体处理系统中，为了给系统提供对应的来气信息，必须安装压力、浓度仪、温度表，另外，入口浓度直接参与CDM架梁过程。在气体处理出口中，必须安装的有：压力、浓度仪、温度、差压和湿度表等。或者根据上述信息，显示并且计算出系统流量出口，进而控制好冷却设备启动以及加压风机运作频率，再将出口浓度直接传递给机组或发动机进行控制。

结束语

煤层气发电作为我国经济发展的基础行业，随着煤层气越来越被重视，我国发电技术得到了很大的发展。但是和发达国家相比，我国煤层气发电项目技术仍然很落后，国产发电机组也比较有限。因此，在实际工作中，必须根据煤层气设备以及技术，加大资金、政策投入；在不断吸收国内外先进技术经验的同时，开发更加经济实惠的发电项目，不断促进风发电技术发展。在煤层气发电以及预处理系统中，为了进一步优化系统处理进程和效果，必须明确控制系统组成和性能，让加压控制充分展现作用，实现数据采集，让电气控制在煤层气发电中发挥出更多的经济效益和社会效益。

[参考文献]

[1] 侯效勇.浅析煤层气发电中气体处理系统的电气控制[J].煤矿机电，2011，（5）：39-41.

[2] 张旭生.采煤机电气设备与电气控制技术[J].科技资讯，2007，（12）：24.

[3] 白青亮.极薄煤层采煤机电气控制系统需求分析[J].黑龙江科技信息，2012，（2）：65-65.

[4] 杨爱萍.薄煤层 MG100/240-BW1型采煤机牵引调速的电气控制[J].科技创业家，2012，（6）：214.

[5] 林吉祥，李泽，程立新等.采煤机电气设备与电气控制技术[J].中国科技博览，2012，（15）：10-10.