煤矿瓦斯发电工程监控系统的实践总结

摘 要： 阐述利用煤矿瓦斯发电的重要意义，介绍瓦斯发电工程监控系统的一般构成，并根据实践经验针对监控系统中厂房通风控制、瓦斯泄露保护、瓦斯流量计的选择和减排量的计算等主要问题进行重点分析。

关键词： 瓦斯发电；监控系统；通风控制；瓦斯泄露；减排计算

0 引言

煤矿瓦斯的主要成分是CH4（甲烷），CH4在100年时间框架内的温室效应指数是CO2的21倍，因此瓦斯气体对空排放对生态环境破坏性极强，同时瓦斯爆炸事故的防范和瓦斯有效治理一直也是困扰煤炭人的一大难题。目前多数煤矿坚持以“先抽后采、应抽尽抽、以用促抽、煤气共采”的方针，有效降低瓦斯爆炸事故率的同时兼顾了瓦斯气作为清洁能源的开发利用，一举多得，具有广泛的环保效应和安全效应。

煤炭工业合肥设计研究院从2004年开始在国内较早地开展利用煤矿瓦斯发电的工程设计与承包业务，与国内外众多的煤炭企业、咨询机构合作，一直致力于煤矿瓦斯利用领域的创新、研究与服务，目前作为主编单位正在进行《煤矿瓦斯发电工程设计规范》的编制工作。

瓦斯发电主要工艺是利用煤矿开采过程中矿井瓦斯抽放站抽排的30%以上浓度瓦斯为能源，经过脱水、除尘、增压等预处理措施后，输配至内燃式往复发电机组进行发电。目前进口发电机组自动化水平较高，安全保护完善，发电效率能达到40%以上，具有较好的经济效益和推广价值。

1 监控系统概述

在高瓦斯矿井，一般瓦斯组分中氧气>12%，甲烷>30%，利用矿井抽排的瓦斯气进行发电，必须严格做好瓦斯输配和发电过程中的安全防范工作，因此根据工艺特点设计一套完备的实时监控系统非常重要，是满足设备安全、经济运行和发电管理的内在要求。

煤矿瓦斯发电工程监控系统一般由现场检测仪表、现场控制系统、监控后台系统和监控网络构成。

1）现场检测仪表主要包括常规仪表和瓦斯气安全监测仪表，仪表的设置和选型应满足瓦斯预处理装置及发电机组等工艺设备安全、经济运转的监测要求，拟申报CDM（清洁发展机制）项目的还应满足CDM计量的要求；

2）现场控制系统目前多使用PLC（可编程控制器）实现对被控设备及工艺的监控和保护，现场控制站应具备通用可靠的工业控制网络接口便于各控制站和后台系统的通讯互联；

3）监控后台系统主要实现电站运行的监控、重要运行数据的记录与存储，宜配置操作、显示设备；

4）监控网络应使用成熟、标准的工业控制网络，各工艺系统监控设备的网络接口应尽量统一。

2 监控系统需要注意的主要问题

2.1 发电机房通风控制

《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》2.3.18条规定：爆炸性气体环境内的车间采用正压或连续通风稀释措施后，车间可降为非爆炸危险环境。内燃式往复发电机组厂房存在瓦斯泄露风险，而发电机组本身及其就地辅助电气控制设备和仪表均为非防爆设备，因此监控系统必须做到发电机组一旦运行即自动连锁启动通风机，风机故障或风压检测异常时应立即报警并作用于停机。同时通风机的自动控制还应满足发电机组的正常、经济运行对通风风量和风温的要求。

2.2 瓦斯气体泄露保护

使用爆炸危险气体为燃料，应有完备的瓦斯气泄漏的监测监控方案。在厂房上空应设置两段式（I段10%LEL；II段20%LEL）瓦斯泄露报警装置，当I段报警时监控系统应自动启动所有厂房通风机以稀释泄露的瓦斯气体，II段报警时监控系统应切断厂房内除通风机外所有电气设备的电源。当泄露浓度升高，瓦斯持续扩散时，应设置切断阀门切断瓦斯气源，避免事态扩大或影响供气系统的安全。有关瓦斯气源的切断阀门的选型，应选用正常情况下控制回路带电，切断阀开位的工作方式，在电源失电、回路断线或瓦斯泄露等异常工况需要切断气源的情况下自动连锁保护，迅速断电，关闭气源阀门。

2.3 瓦斯流量计的选择

笔者参与设计的瓦斯发电项目目前多选用V锥流量计，V锥流量计是采用在密闭管道中心线悬挂V型锥体作为节流件的一种差压式流量计，由于其独特的中心流线型节流结构的设计，使得经过节流件的不规则流场整流成近似理想气体，因此它能基于密闭管道中能量转换的伯努利定理进行准确测量。V锥流量计直管段要求前3D后1D，便于选择位置安装；精度可达到0.3%，利于贸易计量；量程比可达30:1，压力损失仅为孔板的1/5～1/10，降低了对差压变送器的要求和输送系统能耗；同时由于流过锥体后的流体加速，达到自吹扫的功能，克服了瓦斯脏污的测量难点，使得开孔比β长期不变，稳定性高。V锥流量计的这些特性恰恰克服了煤矿瓦斯含水量大，粉尘多，振动不稳定、输送压力低的种种特性，保证了瓦斯减排量的准确计量。

2.4 瓦斯减排量的计算

煤矿在生产过程中连续对空排放瓦斯，造成了大气污染和环境破坏，现在利用瓦斯进行发电，实现了温室气体的实际减排，这符合CDM项目的基本原则，发达国家通过提供资金和技术，在发展中国家获得温室气体减排指标，由缔约方用于完成在《京都议定书》的承诺。

减排量的确认本质上是一种国际贸易计量，在监测仪表的选择和减排计量方法学上都有严格的要求，减排量也必须经过定期的审核，要求数据做到完整、精确，而且监测计划中应该考虑到主监测新系统故障时有可比性的备用监测数据，避免由于数据不完整造成的减排量的损失。

减排量的计算最终折算到甲烷的质量，因此瓦斯气体的检测仪表主要配置温度、压力、浓度和流量四参数仪表，其中甲烷浓度的测量建议使用红外原理的产品，但需注意瓦斯取样气体需经过脱水和除尘，避免影响测量精度并有效延长传感器使用寿命。减排计量的方法学是否得当是CDM项目申请的第一步，也是关键的一步，因此在工程实践中应充分重视。

笔者根据以往工程实践经验列举常用的一种减排量计算方法如下（使用V锥流量计）：

1）根据现场仪表反馈，获得瓦斯气体测量值：压力P（kPa）；温度T（℃）；浓度C（%VOL）；流量差压 （kPa）。值得提醒的是压力参数的测量一般为表压，计算时需加上工程当地的标准大气压，标准大气压 （kPa）受海拔高度H（m）影响，可通过下面公式一进行校正，避免由此产生计算误差；

2）根据公式二计算瓦斯气体密度 （kg/m3）；

3）根据V锥流量计流量公式计算工况瓦斯气体瞬时体积流量 （m3/h）；

其中K为V锥流量计的仪表系数，由流量计管道内径D、锥体外径d、流出系数CF、开孔比β及气体膨胀系数Y五个参数决定的流量计的特性系数；

4）根据理想气体状态方程P1×V1／T1＝P2×V2／T2计算标准状况下瓦斯气体瞬时体积流量QS（Nm3/h）；

5）根据公式Qm=QS×0.7154×C/1000计算甲烷气体瞬时质量流量Qm（t/h）；

6）通过监控系统对甲烷气体瞬时质量流量进行积算，获得累计减排的纯甲烷的质量，再乘以甲烷和二氧化碳的温室效应倍数21即可得到项目减排量的标准值。

3 结语

在目前能源局势趋紧的情况下，利用煤矿瓦斯发电为矿井补充了绿色电力，节约了能源，降低了温室气体的排放，同时作为储量丰富的气体能源，也是对国家能源结构的重要补充。

通过瓦斯发电监控系统的优化设计，提高了瓦斯发电项目的控制水平，完善了瓦斯利用过程的监控功能，为矿井带来更多的安全保障、经济效益和社会效应。

参考文献：

[1]GB50058-92.爆炸和火灾危险环境电力力装置设计规范[S].

[2]陆国平，V-Cone锥形流量计在工程上的应用[J].石油化工自动化，2005（3）.

[3] 李涛、张明会、王羽、王祖迅、李勇，管道瓦斯流量计量技术的分析与应用[J].自动化仪表，2010（8）.