瓦斯抽放与发电项目技术应用研究报告

研究报告瓦斯与发电项目技术应用研究

完成单位：**煤业**公司

**年**月

项目完成单位主要人员：

目录

1.概述 (5)

1.1概况 (5)

2.项目研究的目的与意义 (6)

2.1项目目的 (6)

2.2项目意义 (6)

3.项目研究的主要内容 (7)

3.1项目研究的主要内容 (7)

3.2项目研究的理论依据及技术支持 (7)

3.2.1低浓度瓦斯利用技术 (7)

3.3发电设备的比较与选择 (8)

3.3.1 燃气轮机发电机组 (8)

3.3.2燃气内燃机发电机组 (9)

4.项目研究的实施情况 (9)

4.1工程的设计 (9)

4.1.1低浓度瓦斯发电技术 (9)

4.1.3瓦斯抽放系统的设计 (11)

4.1.4瓦斯抽放系统供电系统设计 (11)

4.2瓦斯发电系统的设计 (12)

4.2.1电站总体布置 (12)

4.2.2冷却循环系统设计 (14)

4.2.3电力部分设计 (15)

4.3发电机组采用的先进技术 (17)

4.3.1电控燃气混合技术 (17)

4.3.2瓦斯与空气先混合后增压技术 (18)

4.3.3低压进气技术与燃气自动控制技术 (18)

4.3.4TEM-全电子控制技术 (18)

5.研究成果的评价 (20)

6.结论 (22)

1.概述

1.1概况

瓦斯是煤矿开采过程中的一种伴生资源,它易燃、易爆,对矿井的安全生产构成重大威胁,历史上煤炭企业重特大瓦斯爆炸事故频繁发生。

瓦斯防治和综合利用倍受国家、地方政府、社会各界和煤炭企业的高度关注，为减少资源浪费和瓦斯灾害事故、有效利用矿井瓦斯，实现“以利用促抽采、以抽采促安全”的煤矿良性循环发展。

煤层瓦斯不加以利用，直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍。煤矿瓦斯发电，既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又有利于增加洁净能源供应、减少温室气体排放，达到保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。

1.2项目背景

xx煤矿瓦斯发电项目为河xxxx煤业（集团）xx煤业有限责任公司在对煤层瓦斯综合治理利用的一项内容;也是节能减排的一个主要项目。

近年来，我矿井下开采水平不断向下延伸，煤层瓦斯含量不断提高，由于我矿煤质较软，在采掘施工过程中，随着煤炭的破落，瓦斯不断涌出，虽然也使用了瓦斯抽放设备，

但由于井下条件限制，有时会出现瓦斯影响生产现象。为保证正常生产，我公司与山东胜东集团进行合作，经过多次讨论、研究，多个方案对比，最后决定在地面建设瓦斯抽采和发电项目。

2.项目研究的目的与意义

2.1项目目的

在煤炭开采过程中，对于产生的瓦斯，为安全生产，需做抽排治理；合理利用瓦斯，变害为用，可以用矿井抽排瓦斯发电，这既解决了抽排瓦斯对大气环境的污染，又回收了瓦斯这一绿色能源，这是变害为宝的一条经济、有益途径。该项目属煤炭行业推广使用项目，是能很好的适应矿井安全质量标准化建设。

2.2项目意义

瓦斯发电技术是瓦斯开发利用的一项新兴技术,该技术对煤矿的安全高效生产、环境保护、瓦斯能源有效利用有着重要的现实意义。

首先瓦斯发电技术的应用，可以避免原来抽采的瓦斯直接对空排放对大气环境造成的污染，减少温室气体排放，达到保护生命，提高能源利用，改善环境的目标。

其次，瓦斯发电技术能够利用瓦斯的可燃性，经过能

量转换，变为电能，并网输送，达到节能减排的目标。瓦

斯发电技术的应用，将赢得良好的经济效益和社会效应。3.项目研究的主要内容

3.1项目研究的主要内容

项目研究的主要内容为建设瓦斯发电站。根据我矿采区部署和生产要求，分四xx五xx两xx个采区。根据工作面瓦斯情况采取预抽，每个采区的混合抽放量为35.64%，混合瓦斯浓度26.4%，根据计算可供6台胜东500GF1-3RW 瓦斯发电机组正常运行时的气量。按整体规划安装6台机组，其中一期工程为4台。抽放瓦斯采用两台2BEC42抽放泵进行抽放，构成我矿xx瓦斯发电厂。

3.2项目研究的理论依据及技术支持

3.2.1低浓度瓦斯利用技术

3.2.1.1 瓦斯的提纯①变压吸附技术。瓦斯提纯技术，大多还处在开发研究阶段。目前主要采用变压吸附技术。变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。变压吸附技术目前被认为是比较成熟的技术，有了成系列的装置可供选择，它在瓦斯提纯领域里的应用主要取决于其经济合理性。对于低浓度甚至极低浓度的瓦斯气体的提纯工序复杂，经济性步高，实

用价值不大。根据实验表明，制取80%浓度的瓦斯，原始气浓度为30%时，回流比为0.43；原始气浓度为20%时，则为0.72，效率降低2/3。通风气流中瓦斯的浓度<5%，因此装置的实用价值不大。②甲烷冰。目前实验发现瓦斯中的CH4在0～10℃、3～8MPa下与水能够生成固态气体水合物，这种气体水合物在常压下具有较好的稳定性，分解时能释放出180～200倍体积的瓦斯，其巨大的储气能力和相对温和的储气条件备受重视，甲烷水合物制备过程同时又是对CH4的提纯过程，可以用来处理甲烷含量较低的瓦斯。

3.2.1.2 低浓度瓦斯多孔介质预混燃烧。多孔介质预混燃烧是近几十年来发展起来的新型燃烧技术，采用了新的燃烧理论，是一种新颖独特的燃烧方式，它可以提高燃烧效率，降低污染，扩展贫燃极限，甚至可以燃烧极低浓度可燃性气体，目前在国内外引起了燃烧和工程热物理界的高度重视。

3.3发电设备的比较与选择

3.3.1 燃气轮机发电机组

对于煤层气电站, 则只有甲烷含量大于50 % ,气量较大的而且气源稳定的情况下, 才适于采用燃气轮机为主机发电设备。这是由于燃气轮机要求的进气压力高, 当井下抽排的煤层气加压到燃气轮机要求的0.19MPa 时, 此时要求煤层气的安全界限应为甲烷浓度大于39 % , 并且要求浓度

稳定、连续。限制在抽采瓦斯浓度高的矿井, 由于井下瓦斯抽采系统抽采的瓦斯浓度变化范围大, 会随着工作面的推进, 煤层的不同和出煤量的变化而变化, 但这些机组受瓦斯抽采浓度波动的影响, 会经常因为瓦斯浓度达不到安全要求, 而不得不时开时停。因此, 近年来这种装机形式较多的应用在具有一规模, 抽采效果较好, 气量和浓度比较稳定的矿区。

3.3.2燃气内燃机发电机组

燃气内燃机发电具有系统简单, 运行灵活, 发电效率高的特点, 可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电, 虽使系统复杂, 但可大大提高发电效率。尤其是这种机组要求进气压力低, 仅为5～35kPa ,适用瓦斯浓度范围广, 浓度6 %以上均可利用, 这使得燃气内燃机发电机组在煤层气发电方面获得了越来越广泛的应用。

根据上述两种发电机组的比较，结合我矿实际情况，选择使用燃气内燃机发电机组。

4.项目研究的实施情况

4.1工程的设计

4.1.1低浓度瓦斯发电技术

低浓度瓦斯发电需要解决2个问题，一是煤层中所含的

瓦斯浓度随时都在变化，传统的发电机组很难“以不变应万变”；二是低浓度瓦斯的安全输送问题。

山东胜动集团研制的的低浓度瓦斯发电机组，解决了上述问题。该机组采用电控燃气混合器技术，可以自动控制空燃比，以适应瓦斯的浓度变化，同时，发明了低浓度瓦斯安全输送技术，采用细水雾技术，解决了低浓度瓦斯的地面安全输送问题。

4.1.2低浓度瓦斯发电基本要求

首先、按国家煤矿安全管理部门的要求安装了瓦斯抽放系统,并且瓦斯抽放系统须正常运行；其次、瓦斯抽放系统纯瓦斯抽放量在100万m3/年左右，瓦斯浓度在6-25%之间。达到这2个条件就能具备建设瓦斯电站的基础，建设瓦斯电站就可实现“以利用促抽采、以抽采促安全”的煤矿良性循环发展。

根据我矿采区部署和生产要求，四采区和五采区是主要生产区，每个采区布置2个掘进工作面和回采工作面。每个采区的抽放地点按1个掘进工作面和1个回采工作面考虑。根据设计的抽放方法预计，1个掘进工作面的抽放系统混合瓦斯流量Qc=8m3/min、混合瓦斯浓度20％，1个回采工作面预抽的系统混合瓦斯流量Qc=7.64m3/min、混合瓦斯浓度50％，1个回采工作面强化抽放的系统混合瓦斯流量5m3/min、混合瓦斯浓度20％，1个回采工作面采空区抽放的系

统混合瓦斯流量15m3/min、混合瓦斯浓度20％，则每个采区的系统混合瓦斯流量35.64m3/min，混合瓦斯浓度26.4％，整个矿井的混合抽入量为71.28m3/min，混合瓦斯浓度26.4％，矿井纯瓦斯抽放量18.84m3/min。根据计算，可提供8台胜动500GF1-3RW瓦斯发电机组正常运行时的气量，根据我矿规划要求，总体按6台机组设计，一期工程设计4台。

4.1.3瓦斯抽放系统的设计

根据设计抽放方法预算的瓦斯抽放量，瓦斯抽采的距离，用两台2BEC42抽放泵和一台2BEC60型抽放泵进行抽采瓦斯，两台2BEC42型抽放泵同时运行时，2BEC60型抽放泵作为备用，满足规程要求。

4.1.4瓦斯抽放系统供电系统设计

煤矿安全规程规定：煤矿瓦斯抽放设备必须由来自变电所不同母线段的两回路电源供电，以保证瓦斯抽放工作的正常进行，预防煤矿瓦斯事故的发生。我矿在瓦斯发电厂安装6KV变电所，电源来自地面变电所的不同母线段，作为瓦斯抽放泵的电源，构成我矿南山瓦斯发电厂。

4.2瓦斯发电系统的设计

4.2.1电站总体布置

满足6台燃气发电机组正常运行和维护保养需要留有足够的操作间距、维修场所和机组安装进出运输通道以及符合国标安全防火规范间距的前提下，尽量做到生产流程工艺流向合理；尽量减少管线长度，避免交叉，减少弯曲；注意噪声控制和隔震；尽量做到电站布局整齐、美观，创造良好的使用条件和操作环境。

电站示意图

工艺流程图

4.2.2冷却循环系统设计

根据500GF1-3RW燃气发电机组的性能要求，冷却水采用开式循环；软化水由余热部分软化水处理装置提供；厂区排水采用混流制排水系统，即生活污水、生产废水与雨水一同排放，电站的补给水接自矿区的供水管网。

图为冷却循环系统

4.2.3电力部分设计

4.2.3.1接入系统

电站内6台发电机组为2组，其中每组各3台。3台发电机组与1台2000KVA、0.4/6.3KV升压变压器组成单元接线。通过高压开关柜（共计1回）向矿变电所6KV侧供电。

发电装置投入6KV系统前，将6KV系统电引至发电装置升压变压器低压侧，为其发电机组辅助系统供电。待辅助系统工作正常后，启动发电机组，检测低压同期，发电机组在低压侧与矿变电所电源并联运行。通过升压变压器与6KV

系统相连，向矿变电所6KV系统送电。

图为升压变压器

4.2.3.2电气主接线

瓦斯发电站共计6台机组，通过变压器低压进线柜与2台升压变压器构成单元接线，高压接线采用单母线接线方式，通过一回线路接至矿变电所6KV侧母线。在变电所中央配电室内需新增加一台高压开关柜，外形、安装尺寸与矿变电所的原高压开关柜相同。

4.2.3.3站用电气系统

站用电低压开关柜进线电源采用双电源自动转换装置。电源分别引自升压变压器0.4KV母线和抽排泵站。配电电压为220/380V，配电方式采用放射式。采用交流接触器或断路器在现场或低压控制室内控制。线路铺设方式采用电缆沿

电缆沟铺设或穿保护管埋地铺设方式。

图为高低压控制系统

4.2.3.4 6KV配电装置

6KV高压开关柜采用单列走廊布置方式。6KV高压开关柜选用具有五防功能的KYN28A-12型移开式金属封闭开关柜，配真空断路器。所有进出线均为电缆进出线。该柜体积小、无燃烧和爆炸危险，受气体环境影响小，运行安全可靠，无油、无气，维护工作量少。

4.3发电机组采用的先进技术

4.3.1电控燃气混合技术

瓦斯抽放过程中浓度和压力不稳定，采用电控混合技术

对空燃比。进行实时控制，发动机自动实时监控燃烧状况，

有中央控制单元发出命令，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，整个调整过程自动实现。

4.3.2瓦斯与空气先混合后增压技术

利用发动机排气动力，将配比好的瓦斯与空气的混合气同时增压中冷，增加进气量，提高功率，适应煤矿抽排的低压瓦斯发电。

4.3.3低压进气技术与燃气自动控制技术

机组调压阀前瓦斯压力只要达到3kp即可达到条件，不需要增加加压装置。燃气自动控制可将机组的缸温控制在420度以下，排气温度控制在550度以下，显著降低热负荷，明显提高机组运行的可靠性特别是具有避免爆震发生的作用。

4稀燃与防回火技术

通过合理匹配配气系统，利用燃烧室技术和缸温控制技术实现稀薄燃烧，降低热负荷，提高机组对燃气的适应性和机组的热效率，动力性和可靠性也大大提高。发动机安装了3道干式阻火器和7个瓦斯专用阻火器防止发动机回火。4.3.4TEM-全电子控制技术

全电子控制系统对温度、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。TEM系统还可以实现信息远传和远程监控，便于机组的维护管理。

上图为瓦斯发电机组

图为电脑控制监控系统

5.研究成果的评价

5.1按建设六台机组电站(基础设施为六台，一期安装四台机

组)约需投资1000万计算。

5.2年总运行成本

机组连续运行功率按430kW，年运行时间按7200h计算。

年发电量：4×430 kW×7200h≈1238万kW h。

机油消耗：0.0015g/kW h×1238.4万kW h×15元/千克=28万元

人员工资：电站运行及维护人员按12人考虑，人员工资平均按3万/年。共计3万元/人年×12人=36万元。

设备维护：每台机组3万元/年，4台机组共计12万元。5.3年收入：

机组发电电价按0.5/kwh计算，年收入为：

0.5元/kwh×1238.4万kwh=619.2万元

5.5瓦斯发电站的余热效益