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我国煤层气发电技术现状研究

北极星电力网技术频道    作者:徐志强,唐井峰,宋英东   2012/3/20 11:39:10   

0 引言

煤层气是一种存在于煤层及其围岩中的与煤共伴生的非常规天然气。在成煤作用过程中,有机质生成了烃类气体,经运移、散失后,吸附在煤的内表面并储存在煤层中,俗称瓦斯。其主要成分是甲烷(CH4)。当其甲烷含量大于95%时,热值在25.44MJ/m3以上。中国煤层气资源丰富、分布广泛,据估算全国煤层气资源总量为30—35万亿m3。

煤层气开发利用具有重要的战略意义,它将改善我国的能源结构,促进我国以煤为主的能源体系逐步向对环境无污染的可持续发展的模式转变,形成洁净能源新产业。同时,煤层气的开发利用预抽了赋存在煤层中的瓦斯,可有效降低或杜绝煤矿生产过程中的瓦斯灾难,改善煤矿安全生产条件,减少煤层气排放所导致的温室效应,保护全球大气环境。另外,煤层气可作为煤炭的接替能源,为资源桔竭型的城市经济转型提供能源保证。当前能源危机和煤矿安全生产的严峻形势都使煤层气资源合理、有效开发利用十分紧迫。

本文通过对煤层气利用现状的调查分析,阐述了现有的煤层气发电的能量利用形式,比较了各种发电机组的优缺点,阐述了煤层气发电过程中存在的问题,探讨了其关键技术,在此基础上,提出了一种新的循环利用形式。

1煤层气的特点

煤层气中CH4浓度随煤层而变化,抽采方式、煤的种类、质量对煤层气中CH4浓度影响也很大。CH4浓度的变化不仅引起煤层气热值的变化,还涉及输配系统的安全性、燃具的适应性以及用户的利益和管理者的经济效益。

煤矿井下抽采煤层气是甲烷和空气的混合气体,其中含有较高比例的氧气,煤层气中甲烷浓度较低。在常温常压条件下,甲烷在空气中的浓度在5%~16%时遇火即爆炸,这个爆炸极限随着温度、压力等环境因素和含氧量的变化而变化。甲烷和空气的混合物原始温度愈高,则爆炸极限范围愈大,导致爆炸下限降低而爆炸上限增高。混合物的原始压力增大,则爆炸极限范围扩大,尤其是爆炸上限显著提高。

例如寺河煤矿井下抽采煤层气的典型组份为甲烷41.5%,氧气11.4%,氮气47.1%,而采用WJ6GI型燃气轮机要求的进气压力为20 kPa,进气温度在摄氏60℃左右,那么根据美国矿山局制定的煤层气甲烷浓度爆炸极限公式,考虑到温度校准和最低安全系数,甲烷爆炸的浓度上限为38.88%,因此当环境温度和压力变化时,井下抽采煤层气存在着爆炸危险。为此寺河煤矿瓦斯发电站专门制定了一条管理措施,规定当井下抽采煤层气中的甲烷含量在40%或以下时,立刻关闭机组,停止发电。

我国煤层气总体储量丰富,气质优良,但是具体到一个矿区,煤层气分布分散,气源供应有时会不稳定。

2煤层气发电的工艺流程和能量利用形式

煤层气代替煤发电和供热不仅能减轻环境污染,还能提高热效率。由于煤层气近年来受到越来越多的重视,我国的煤层气发电技术也有了快速的发展,建成了一大批煤层气发电项目,1989年抚顺在老虎台煤矿建成中国第1座1 500 kW的煤层气电厂,此后,在重庆、山西等省份的高瓦斯矿井陆续建起了瓦斯发电厂。目前全国煤矿总装机容量已达400 MW。山西晋城煤业集团120 MW煤层气电厂在2007年年底投入运行。年消耗井下煤层气约为1.8—2.1亿m’,年发电量7.2—8.4亿kWh。

2.1 煤层气发电的工艺流程特点(以燃气轮机为例)

由于抽采的煤层气为混合气体,浓度变化大且大部分浓度较低、热值低,使得在利用煤层气发电时有其特定的工艺流程。以燃气轮机发电为例,其工艺流程如下:

煤矿抽采的煤层气进入l万m3储气柜,经过气柜存储,通过中700 mm管道送往发电站内的压缩机,增压后,经冷却器冷却再输送到储气罐中,然后通过管线送到燃气轮机组前的精过滤器,经过滤和两气动截止阀控制后,再分别送到燃气轮机的启动喷嘴与燃料调节器。经喷嘴喷人燃气轮机的燃烧室,与经压气机压缩后的空气进行混合,并点火进行燃烧,混合气在高温高压下,形成一股沿顺时针方向(沿进气方向)旋转的气流.并不断膨胀带动涡轮转动,涡轮又带动燃气轮机的轴进行高速转动,从而完成了热能向机械能的转化。同时高速旋转的轴通过减速器,将速度降到1 000 r/min,并通过弹性联轴器与同步发电机相连进行发电,从而完成了机械能向电能的转化。

联合循环时,燃气轮机的尾气排出后,通过余热锅炉的过热器,换热器等部件与进入锅炉的除氧软化水进行热交换,再由热水循环泵将汽水分离器中的热水强制泵入锅炉的蒸发器中,以产生汽、水混合的蒸汽,经汽水分离器分离后形成饱和蒸汽,再进入余热锅炉的过热段中加热形成过热蒸汽,过热蒸汽经高压蒸汽管道送到蒸汽轮机中以驱动其发电,从而完成余热回收再利用。

2.2煤层气发电的能量利用形式

2.2.1 朗肯循环形式

此种发电形式主机为蒸汽轮机发电机组(如图1示),多用于传统的火电机组形式,工艺技术成熟,运行可靠,但采用煤层气为燃料的锅炉目前仅局限在小型的工业锅炉。由于受到瓦斯抽采波动性强的影响,大型电站瓦斯锅炉的应用也受到限制,个别电站锅炉采用煤与瓦斯混烧技术,但辅助系统庞大、复杂,需设置两套燃料系统,占地面积大。另外,这种装机形式发电效率也较低、启动运行时间长、不灵活,所以目前规划的煤层气电站基本不采用这种装机形式。

2.2.2布雷顿循环形式

这种发电形式采用燃气轮机发电机(图2所示)。此类发电机组又可以分为大中型燃气轮机组和微型燃气轮机机组两种形式。利用燃气轮机发电,具有系统简单,运行灵活,单机功率大,占地面积小的优点。系统可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电,虽然比较复杂,占地面积大,但可大大提高发电效率。

图1  蒸汽轮机发电机组

图2 燃气轮机发电机组

对于采用燃气轮机为主机煤层气电站,要求甲烷含量大于50%,气量较大的而且气源稳定。2004年以前,这种电站的应用,仅限制在抽采瓦斯浓度高的矿井。抽采的瓦斯浓度,随着工作面的推进,煤层的不同和出煤量的变化而变化。因此这类机组会经常因为瓦斯浓度达不到安全要求,而不得不时开时停。

寺河煤矿从2000年开始到2003年lO月份,陆续安装了6台单机容量为2 000 kW的WJ6GI型燃气轮机及1台3 000 kW的蒸汽轮机,形成了现在正在运行中的发电规模为1.5万kW的瓦斯发电站,目前年发电量约l亿kWh。2.2.3狄塞尔循环形式利用狄塞尔循环,采用燃气内燃机发电具有系统简单,运行灵活,发电效率较高的特点。与燃气轮机一样,可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电,提高发电效率。

这种机组要求进气压力低,仅为5~35 kPa,适用瓦斯浓度范围广,浓度8%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。与其他两种发电形式相比,燃气内燃发电机组具有启动时间短、要求燃气压力低、对燃气浓度适应范围宽的优点。由于这种发电方式能够更为灵活的适应煤层气浓度波动的情况,在国内应用较多,其中国产机组装机容量为500 kW的煤层气发电机组应用最为广泛。

鹤壁煤业集团于2004年在四矿成功安装了两台500 kW的高浓度瓦斯发电机组,山东胜利油田动力机械厂生产的煤层气发电机组,型号500GF—RW,发动机为往复式12缸器冲程内燃机,转速1 000 r/min,发电机容量625 kVA。这种低浓度瓦斯发电机组,一般要求煤层气的浓度在8%以上即可。2.2.4联合循环蒸汽轮机结合燃气轮机,燃气内燃机,都可发展联合循环技术,利用中等质量的煤层气发电效率即可超过80%。应用联合循环,不仅可以为矿井提供足够的坑口电力供应;而且获得的热量可供应煤炭的加热或烘干所需。

应用燃气——蒸汽联合循环有以下优点:

(1)高效率:联合循环电厂的热效率可高达58%;

(2)电厂用水少:与燃煤电厂相比,联合循环燃气机组耗水量约为同等容量燃煤机组的50%一60%,十分适合煤层气蕴藏量丰富又缺水的西部地区使用;

(3)污染物排放量小,几乎无灰尘的排放,采用低NOx燃烧技术.NOx排放量低。晋城矿业集团旗下的寺河矿区采用DQR20型燃气轮机热电联供机组发电,装机容量2×2 000kW,煤层气浓度为55%~65%,燃气轮机热效率为23%,综合循环热效率31.63%,2001年累计发电2 215万kWh。

2.2.5联合燃烧技术

联合燃烧技术是用煤层气和煤同时作为锅炉的燃料,产生的蒸汽推动蒸汽轮机发电。这种燃烧技术只需在传统的燃煤系统上增加燃气供应系统、燃气点火装置和加热器即可入使用。应用联合燃烧发电方式,可以降低环境污染:据估计加入每l%的甲烷可降低NOx的排放5%,降低S02排放l%一1.5%,基本无飞灰排放。联合燃烧的燃料可使用低热值廉价的煤,气体在燃料中的比例可从10%一100%。联合燃烧改善了系统功率,比传统燃烧更加经济,所需过量空气少。另外应用该技术投资少,技术风险小。但是联合燃烧对水质的要求高,耗气量大。安装机容量600 MW,甲烷占燃料的3%计算,每天消耗约lO万m3。

图3  基于分体式燃气轮机的(母管制)煤层气发电系统

各种发电方式优缺点的比较见下表。

3我国煤层气发电项目建设中存在的问题及关键技术

由于抽采的煤层气浓度低,且随着开采环境的变化而变化,浓度的变化引起煤层气热值变化较大,总体热值比较低。另外煤层气用于发电,由于用户负荷变化大,使得煤层气发电效率极低,有时甚至停机。

要提高我国煤层气的发电技术水平,提高发电效率,关键是要加大对大功率并且能够广泛适应煤层气浓度变化的发电机组研制,尤其是研制并推广低浓度煤层气发电机组的研制。开发允许热值波动范围广的新型燃烧设备,增强燃烧设备的适应能力,使其能够很好地解决煤层气的热值波动问题。加大对低浓度煤层气燃烧理论研究,开发出新型高效的低浓度煤层气燃烧设备,解决低浓度煤层气的利用问题。研制开发合理的催化流转反应器以使低浓度瓦斯充分燃烧。

开发新的循环机组,寻求新的能量利用形式。基于煤层气分布和抽采应用的特点,我们提出了分体式燃气轮机煤层气发电形式。由于煤矿井下瓦斯抽采系统抽采的瓦斯浓度随着抽采地点和方式的不同而变化,这就要求煤层气电站的主机设备有较强的适应性。运行灵活,能够适合煤层气供应系统的特点。分体式燃气轮机的结构灵活,可以方便地与其它装置构成各种不同的分布式供能单元,为构建新型分布式能源系统提供了新的途径。在国内外暂时还没有发现关于分体式燃气轮机的研究。

4结束语

煤层气发电是煤层气利用的一个很重要方面,而煤层气本身的特点对煤层气发电提出了很高的技术要求。通过对国内煤层气发电现状的研究,对于现有发电机组的优缺点分析,对于煤层气发电提出了建议,在此基础上提出了一种新的利用煤层气的发电形式,即分体式燃气轮机发电形式。

来源:《节能技术》
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