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[摘 要]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，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。该论文以芦岭煤矿高浓瓦斯发电系统设计为例，详细介绍了电站规模、瓦斯输送、电力接入、余热利用等关键系统的设计。实践证明，瓦斯发电项目可取得显著的经济、环境、社会效益，具有广阔的发展前景。
[关键词]瓦斯发电 高浓度 系统设计 效益
中图分类号：R784 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0399-01
1、前言
淮北矿区位于安徽省北部，地处经济发达的华东平原，总面积9600Km2，其中含煤面积6912km2，包括闸河、宿县、临涣、涡阳四大矿区，22对生产矿井。22对生产矿井中，煤与瓦斯突出矿井13对，高瓦斯矿井7对，瓦斯矿井2对。2014年瓦斯等级鉴定（测定）全矿区绝对瓦斯涌出量为719.59m3/min。
淮北矿业集团“十三五”期间，计划瓦斯抽采量为8.38亿m3，但目前矿区瓦斯利用率低，不到30%。如果瓦斯得不到有效可利用而直接排空，不仅造成了能源的浪费还会给大气层带来极大的污染。
2、芦岭煤矿瓦斯现状
芦岭煤矿位于宿州市东南20km处，北距淮北市82km。矿井走向长约 8.2km，倾斜宽3.6km，勘探面积29.5km2。矿井生产能力为2.30Mt/a。2013年矿井瓦斯鉴定为煤与瓦斯突出矿井，主采8、9、10煤层均为突出煤层，2013年度瓦斯绝对涌出量95.1m3/min，相对涌出量24.09m3/t。根据矿井提供资料可知，8煤层瓦斯抽采率平均按70%计算、9煤层瓦斯抽采率平均按65%计算、10煤层瓦斯抽采率平均按55%计算、围岩及不可采煤层煤层瓦斯抽采率平均按20%计算，矿井共有可抽瓦斯量14.19亿m3。2017～2023年预计矿井最大高浓瓦斯抽采纯量将达到69m3/min，平均抽采浓度35%。
3、高浓瓦斯发电原理
瓦斯气体进入燃气发动机气缸内由点火装置将其点燃引爆，爆炸所产生的动力用于驱动发动机曲轴旋转，发动机曲轴带动交流发电机转子旋转，运转起来的发电机将动力转换为电能输出。
瓦斯发电工艺流程：抽放泵瓦斯利用管道→电动蝶阀→丝网过滤器→瓦斯管道专用阻火器→紧急电动切断阀→流量计→手动蝶阀→CS（J）系列燃气降温脱水设备→手动蝶阀→瓦斯发电机组。
4、高浓瓦斯发电系统设计
4.1 电站规模
目前国内发电工艺比较成熟的厂家主要有胜利油田胜利动力机械集团有限公司（胜动集团），中国石油天然气集团济南柴油机股份有限公司（济柴股份），中船重工河南柴油机重工有限责任公司（河柴重工）三家。集团公司现已安装使用胜动集团发电机组64台，设计芦岭煤矿瓦斯发电机使用胜动集团700kW集装箱式燃气发电机组。
根据芦岭矿提供的资料，近三年年瓦斯抽采纯量分别为55m3/min，50m3/min，62m3/min，纯甲烷的热值按35.8MJ/Nm3，发电机组的发电效率按35%计算，按照瓦斯发电站建设规模与预计的可利用瓦斯抽放量相匹原则，当发电机组的效率取35%时，近三年可同时运行的机组容量为10890kW，9900kW，12276 kW的发电站。
根据芦岭矿提供瓦斯抽采气源分析，2017～2023年瓦斯抽采标纯量平均为3200N·m3/h，可同时运行的容量为10560kW，可同时运行700kW的台数为15.1台。
根据市场调查及机组厂家的资料，胜动集团的发电机组运行时间为8000小时，而抽排站运行为全年运行，运行时间为365×24=8760小时，即每台机组每年有760小时处于检修状态，为了充分利用抽排站的瓦斯，同时考虑减少投资，本设计每8台发电机组设1台备用。因此本项目工程选择18台700kW机组。
发电机组采用集装箱型式，露天布置，不需建厂房，仅需在集装箱底部建造钢筋混凝土基础，机组布置平面为48m×47m。
4.2 瓦斯输送系统
根据机组选型，发电机组效率为35%，单台发电机组耗气量则为212Nm3/h（纯标况），18台700kW发电机组耗气量为3816Nm3/h（纯标况），根据芦岭矿提供的资料，高浓瓦斯浓度不低于30%。本设计管段管径为φ529×10的钢管2根，管道流速最大8.7米/秒，每根输送管道均设置水封阻火器，瓦斯管道专用阻火器等安全保障设施。
4.3 电气系统
芦岭矿瓦斯电站项目位于芦岭矿内，电站共投入18台700GJZ-PWWD-TEM2发电机组。单机额定功率为700kW，输出电压为0.4kV。持续运行功率700kW。装机规模为18×700kW高浓度瓦斯发电機组。
考虑芦岭矿供电现状，发电站接入系统采用6kV电压等级直接接入芦岭矿工广35kV变电所6kV母线上。
每3台发电机组通过1台2500kVA 箱式升压变压器升压到6kV，总计投入6台2500kVA箱式升压变压器运行。每台箱式升压变压器高压侧出线采用电缆敷设至高压配电室内的高压开关柜。高压接线方式采用单母线分段的方式，每3台箱式升压变压器组成一段母线，共分两段，每段母线再经1回电缆接入矿井工广35kV变电所6kV不同的母线上。
低压系统使用箱式设备。每台箱变设有变压器一台，出线开关柜1面，隔离柜2面，站用电配电柜1面。低压开关柜均选用 GCS 通用型低压开关柜。变压器选用 SCB11—2500/ 0.4/6.3kV±2×2.5%系列干式低损耗电力变压器。
变压器选型计算：3 台机组配置 1 台 2500kVA升压变压器，3 台发电机组有功功率 Pf=3×700=2100kW，三台机组自身用电容量195kW，视在功率 Sf=（2100—195）/0.9=2117kVA，所选升压变压器容量为 2500kVA，负荷率=2117/2500=84.7%。
5、效益分析
瓦斯主要成分是CH4，甲烷CH4属温室气体，它对地球产生的温室效应约为CO2的21倍，因此，减少瓦斯的排放对缓解温室效应有这十分重要的意义。
瓦斯发电站为18×700kW，厂用电率7%、每度电按耗标准煤360g计，年发电量小时按8000h，年供电量为9374×104kWh；年供电节约标准煤为360（g/kWh）×10-6×9374×104kWh=33747吨；年供热可节约标准煤5250吨；工程建成后年可节约标煤合计为38997吨。
6、结束语
瓦斯发电符合国家能源产业政策，瓦斯发电项目使排空燃燒的瓦斯气变害为利，减少了瓦斯气对大气的污染，降低地球表面的温室效应，保护地球的生态环境，提高了煤矿生产的安全性，具有良好的社会效益和经济效益。
作者简介
陈平凡（1979-）男，安徽淮北人，工程师，毕业于北方工业大学自动化系，现就职于淮北工业建筑设计院有限责任公司，从事设计工作。
[关键词]瓦斯发电 高浓度 系统设计 效益
中图分类号：R784 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0399-01
1、前言
淮北矿区位于安徽省北部，地处经济发达的华东平原，总面积9600Km2，其中含煤面积6912km2，包括闸河、宿县、临涣、涡阳四大矿区，22对生产矿井。22对生产矿井中，煤与瓦斯突出矿井13对，高瓦斯矿井7对，瓦斯矿井2对。2014年瓦斯等级鉴定（测定）全矿区绝对瓦斯涌出量为719.59m3/min。
淮北矿业集团“十三五”期间，计划瓦斯抽采量为8.38亿m3，但目前矿区瓦斯利用率低，不到30%。如果瓦斯得不到有效可利用而直接排空，不仅造成了能源的浪费还会给大气层带来极大的污染。
2、芦岭煤矿瓦斯现状
芦岭煤矿位于宿州市东南20km处，北距淮北市82km。矿井走向长约 8.2km，倾斜宽3.6km，勘探面积29.5km2。矿井生产能力为2.30Mt/a。2013年矿井瓦斯鉴定为煤与瓦斯突出矿井，主采8、9、10煤层均为突出煤层，2013年度瓦斯绝对涌出量95.1m3/min，相对涌出量24.09m3/t。根据矿井提供资料可知，8煤层瓦斯抽采率平均按70%计算、9煤层瓦斯抽采率平均按65%计算、10煤层瓦斯抽采率平均按55%计算、围岩及不可采煤层煤层瓦斯抽采率平均按20%计算，矿井共有可抽瓦斯量14.19亿m3。2017～2023年预计矿井最大高浓瓦斯抽采纯量将达到69m3/min，平均抽采浓度35%。
3、高浓瓦斯发电原理
瓦斯气体进入燃气发动机气缸内由点火装置将其点燃引爆，爆炸所产生的动力用于驱动发动机曲轴旋转，发动机曲轴带动交流发电机转子旋转，运转起来的发电机将动力转换为电能输出。
瓦斯发电工艺流程：抽放泵瓦斯利用管道→电动蝶阀→丝网过滤器→瓦斯管道专用阻火器→紧急电动切断阀→流量计→手动蝶阀→CS（J）系列燃气降温脱水设备→手动蝶阀→瓦斯发电机组。
4、高浓瓦斯发电系统设计
4.1 电站规模
目前国内发电工艺比较成熟的厂家主要有胜利油田胜利动力机械集团有限公司（胜动集团），中国石油天然气集团济南柴油机股份有限公司（济柴股份），中船重工河南柴油机重工有限责任公司（河柴重工）三家。集团公司现已安装使用胜动集团发电机组64台，设计芦岭煤矿瓦斯发电机使用胜动集团700kW集装箱式燃气发电机组。
根据芦岭矿提供的资料，近三年年瓦斯抽采纯量分别为55m3/min，50m3/min，62m3/min，纯甲烷的热值按35.8MJ/Nm3，发电机组的发电效率按35%计算，按照瓦斯发电站建设规模与预计的可利用瓦斯抽放量相匹原则，当发电机组的效率取35%时，近三年可同时运行的机组容量为10890kW，9900kW，12276 kW的发电站。
根据芦岭矿提供瓦斯抽采气源分析，2017～2023年瓦斯抽采标纯量平均为3200N·m3/h，可同时运行的容量为10560kW，可同时运行700kW的台数为15.1台。
根据市场调查及机组厂家的资料，胜动集团的发电机组运行时间为8000小时，而抽排站运行为全年运行，运行时间为365×24=8760小时，即每台机组每年有760小时处于检修状态，为了充分利用抽排站的瓦斯，同时考虑减少投资，本设计每8台发电机组设1台备用。因此本项目工程选择18台700kW机组。
发电机组采用集装箱型式，露天布置，不需建厂房，仅需在集装箱底部建造钢筋混凝土基础，机组布置平面为48m×47m。
4.2 瓦斯输送系统
根据机组选型，发电机组效率为35%，单台发电机组耗气量则为212Nm3/h（纯标况），18台700kW发电机组耗气量为3816Nm3/h（纯标况），根据芦岭矿提供的资料，高浓瓦斯浓度不低于30%。本设计管段管径为φ529×10的钢管2根，管道流速最大8.7米/秒，每根输送管道均设置水封阻火器，瓦斯管道专用阻火器等安全保障设施。
4.3 电气系统
芦岭矿瓦斯电站项目位于芦岭矿内，电站共投入18台700GJZ-PWWD-TEM2发电机组。单机额定功率为700kW，输出电压为0.4kV。持续运行功率700kW。装机规模为18×700kW高浓度瓦斯发电機组。
考虑芦岭矿供电现状，发电站接入系统采用6kV电压等级直接接入芦岭矿工广35kV变电所6kV母线上。
每3台发电机组通过1台2500kVA 箱式升压变压器升压到6kV，总计投入6台2500kVA箱式升压变压器运行。每台箱式升压变压器高压侧出线采用电缆敷设至高压配电室内的高压开关柜。高压接线方式采用单母线分段的方式，每3台箱式升压变压器组成一段母线，共分两段，每段母线再经1回电缆接入矿井工广35kV变电所6kV不同的母线上。
低压系统使用箱式设备。每台箱变设有变压器一台，出线开关柜1面，隔离柜2面，站用电配电柜1面。低压开关柜均选用 GCS 通用型低压开关柜。变压器选用 SCB11—2500/ 0.4/6.3kV±2×2.5%系列干式低损耗电力变压器。
变压器选型计算：3 台机组配置 1 台 2500kVA升压变压器，3 台发电机组有功功率 Pf=3×700=2100kW，三台机组自身用电容量195kW，视在功率 Sf=（2100—195）/0.9=2117kVA，所选升压变压器容量为 2500kVA，负荷率=2117/2500=84.7%。
5、效益分析
瓦斯主要成分是CH4，甲烷CH4属温室气体，它对地球产生的温室效应约为CO2的21倍，因此，减少瓦斯的排放对缓解温室效应有这十分重要的意义。
瓦斯发电站为18×700kW，厂用电率7%、每度电按耗标准煤360g计，年发电量小时按8000h，年供电量为9374×104kWh；年供电节约标准煤为360（g/kWh）×10-6×9374×104kWh=33747吨；年供热可节约标准煤5250吨；工程建成后年可节约标煤合计为38997吨。
6、结束语
瓦斯发电符合国家能源产业政策，瓦斯发电项目使排空燃燒的瓦斯气变害为利，减少了瓦斯气对大气的污染，降低地球表面的温室效应，保护地球的生态环境，提高了煤矿生产的安全性，具有良好的社会效益和经济效益。
作者简介
陈平凡（1979-）男，安徽淮北人，工程师，毕业于北方工业大学自动化系，现就职于淮北工业建筑设计院有限责任公司，从事设计工作。