谈煤矿瓦斯发电站设计与应用

沈先福 李 丽

(兖矿集团贵州发耳煤业有限公司，贵州六盘水 553017)

1 瓦斯发电站项目建设必要性

煤层瓦斯气体是一种洁净能源，又是一种温室气体，其温室效应为CO2的21倍。我国煤层瓦斯气资源丰富，分布区域广，位居世界第三，储量与我国30万亿m3的天然气资源量基本相当，相当于450亿t标准煤。过去因为没有找到合理的利用手段，使得我国每年瓦斯的实际利用率不到4%，煤矿开采中所抽放的瓦斯多排入大气中，既浪费了资源，又污染了环境。

随着我国建设节约型社会和发展循环经济的大力推进，煤矿瓦斯的规模开发、分质利用是配合矿产开发的必然趋势，在促进矿井安全生产、节约能源、保护环境等方面具有显著的经济效益和社会效益。

我国是世界上煤矿瓦斯灾害最严重的国家，在现有重点煤矿576处矿井中，高瓦斯矿井、瓦斯突出矿井就有277处，占48%。发耳矿井属高瓦斯矿井，要进行安全采煤，就必须抽放瓦斯，而抽放瓦斯又需要一定的经济投入，加大了开采成本。因此利用煤层瓦斯气发电，“以用促抽、以抽促安全”，是瓦斯气体资源综合利用最有效的途径之一。

另外根据《国务院办公厅关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见》(国办发［2006］47号)和《关于利用煤层气(煤矿瓦斯)发电工作的实施意见》(发改能源［2007］721号)，要求做好煤层气(煤矿瓦斯)综合利用工作，变害为宝，保障煤矿安全，节约利用能源，保护生态环境。

综上所述，利用煤矿瓦斯气发电是建设节约型社会和发展循环型经济的需要，是促进煤矿安全生产，降低煤矿开采成本的需要，同时也是减少环境污染，促进生态环境良性循环的需要。

2 发电站瓦斯气来源及输送

1)瓦斯气来源。

矿井瓦斯电站气源来自矿井的瓦斯抽采系统。根据某矿井提供的年钻场抽放参数报表，目前井区高负压瓦斯抽放总纯量为17．1 Nm3/min，抽放浓度为12% ～13%，低负压瓦斯抽放总纯量为2．42 Nm3/min，抽放浓度为8% ～9%，因低负压瓦斯抽放量极少，故工程只利用高负压瓦斯，抽放浓度按12．5%考虑。

2)瓦斯气的输送。

低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计时应遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多级防护、确保安全”的基本原则。

瓦斯气由矿井抽放泵站负责抽放，利用瓦斯抽放泵的背压作为动力，采用细水雾输送技术输送到瓦斯电站，经旋风重力脱水器脱水后送入燃气发动机。

3 装机方案确定

根据瓦斯抽采量确定矿井瓦斯发电站装机容量的原则为:

1)瓦斯发电站可用气量按矿井瓦斯抽采站目前最大抽采量的80%计取。

2)根据国产600 kW集装箱式低浓度瓦斯发动机的额定负荷热耗率计算发电效率为3．3 kWh/m3，机组理论连续出力按0．9考虑。

机组选型计算如下:

小时平均供气量:Q=17．1 Nm3/min ×0．8 ×60=820．8 Nm3/h。

小时发电量:W=820．8 Nm3/h×3．3 kWh/m3=2 709 kW。

计算装机容量:P=2 709 kW/0．9=3 010 kW。

选用600 kW的国产机组6台，投产后5台运行，待瓦斯供气量充足，6台机组全部运行，发电量共计3 600 kW。

某矿井2012年～2017年平均用电负荷见表1。

表1 某矿井2012年～2017年平均用电负荷

瓦斯发电站正式投产后，只需网供电量1 677．5 kW，从而极大地降低矿井的电费支出。

发电设备年利用小时按6 000 h计算，6×600 kW瓦斯机组年发电量为2 160万kWh，年消耗纯瓦斯654．6万Nm3/年，折合标煤0．8 万 t/年。

4 燃气系统及其主要辅助设备选择

本次瓦斯发电项目中设计的6×600 kW集装箱式低浓度瓦斯发电机组运行，瓦斯总耗气量为1 090．92 m3/h(纯量)，折合成混合气体，其流量为8 727．36 m3/h，输气主管线管内径为 D=18．8 ×(8 727．36/15)0．5=453．5 mm，综合考虑计算管线内径时选用的瓦斯气体的流速、排水占用管道截面等因素，故本次设计中从瓦斯抽放站原放散阀后接一根DN500的螺旋缝弧焊钢管用来输送一期工程所耗瓦斯气体。

为确保安全，瓦斯输送母管与每台水环真空泵出口管均采用防爆蝶阀隔离。瓦斯输送管道上设置手动切断阀、水封阻火器、放散装置和自动切断阀。自动切断阀受瓦斯浓度在线监测仪控制，并与放散装置放散管阀门连锁。

每台机组的供气支管均采用D219×5．0的螺旋缝弧焊钢管。瓦斯气体从母管进入每一根支管，然后经防爆蝶阀、旋风重力脱水器、调压阀、阻火器等进入机组预燃室，由火花塞点燃出现多个着火点，然后由机组程控装置将预燃的瓦斯气通过电控混合器送入各个气缸燃烧做功，带动发电机发电。

做功后的废气经机组排气口排出，排气口上设有消声器，废气经消声器后排入大气。

5 经济效益评价及分析

通过对本项目生产成本的计算，并参照同类煤层气电厂电价0．54元/kWh(含税)，发电设备年利用小时按6 000 h计算，6×600 kW瓦斯机组年发电量为2 160万 kWh，年消耗纯瓦斯654．6万Nm3/年，折合标煤0．8万t/年。可以计算出本项目的投资财务内部收益率为50%以上，高于行业基准收益率8%，项目可行并有很强的抗风险能力。

采用瓦斯气作为燃料发电，可以减少瓦斯事故、保障煤矿职工生命安全，是实现安全高产高效矿井的有力保障措施，有效改善周边环境，节约能源，具有明显的环境效益和社会效益，符合当前国家相关能源开发利用政策。

通过以上技术、经济分析可以看出，煤矿瓦斯发电站项目选择瓦斯内燃发电机和余热回收系统，热电联供，发电效率高。同时，将原本是有害气体的瓦斯作为洁净燃料，变害为利，变废为宝，本身就是一个典型的节能工程。煤矿瓦斯发电站项目为煤炭工业的综合利用，能源的可持续发展起到了示范作用，为资源综合利用项目，有利于矿区循环经济的发展，具有良好的社会效益和环境效益。