瓦斯发电技术的应用

丁佐进，张炜玮，孙寰勇

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090;2.中机国能电力工程有限公司设计事业部，上海 200061)

瓦斯是与煤炭共生的优质洁净能源，其主要成分是CH4，但它又是一种温室气体，其温室效应是CO2的21倍.国际清洁能源组织要求各国尽可能地减少瓦斯向大气中的排放.瓦斯发电技术作为新能源发电技术[1，2]，将煤矿未能利用的瓦斯燃烧转化成电能.

瓦斯发电技术都是采用小型发电机组，常用的有燃气轮机机组和内燃机发电机组.它采用小型燃气能源转换装置和烟气回热技术，在提高燃气燃烧效率的同时，降低各环节的能源损耗，从而实现能源利用效能的最优化[3-6].瓦斯热电联产是分布式能源的一种典型应用，将用户的电力、采暖、供热等多种需求整合在一起，进行协调优化，将发电后的余热用于采暖或余热发电，再将采暖后或余热发电后的余热用于解决热水的供应，这不仅缓解了电力的紧张，也合理利用了燃气资源，又降低了瓦斯气对空气的污染.目前，瓦斯发电技术不断地发展，着力于降低发电成本，增强发电的稳定性，从而可使瓦斯发电能够更高效、稳定地运行.

1 瓦斯特性及其发电技术

1.1 瓦斯特性

煤矿瓦斯是指储集在煤层中的一种非常规天然气体，是在煤矿采煤过程中散发出来的一种有害气体，无色、无味、易燃、易爆.它的主要成分是甲烷，当空气中甲烷的浓度达到5% ～15%时，遇明火就极易发生爆炸.瓦斯是煤矿的“安全杀手”，但同时瓦斯也是一种具有较高利用价值的洁净能源.

我国煤层气资源丰富，居世界第3位，每年在采煤的同时排放1.3×1010m3以上的瓦斯，约折合标准煤1.6×107t.过去除了少部分用于当地供暖外，瓦斯没有其他的利用途径，未能得到充分利用，抽放出的瓦斯绝大部分排入大气，不但造成资源的浪费，还造成了大气污染[7，8].

1.2 瓦斯气开采的3种发电利用方式

1.2.1 燃气轮机瓦斯发电

通过直接在煤层上钻孔开采出的瓦斯气，含有的甲烷浓度高达90%以上，与天然气相似，危险系数相对较低.此类瓦斯气可以加压罐装运输，也可以远距离管道输送，因此多用于民用燃料(如天然气汽车)和化工原料等.这类高浓度的瓦斯发电技术较容易控制，发电技术相对稳定，一般采用燃气轮机发电.然而由于这类高浓度瓦斯相当宝贵，气源也相对紧张.针对节能减排的瓦斯发电技术而言，这仅是瓦斯发电发展的最初阶段.

1.2.2 内燃机瓦斯发电

通过煤矿井下瓦斯抽放系统和地面输送系统开采瓦斯.这类瓦斯一般是煤矿开采时的附属气体，其瓦斯浓度变化较大，约在3% ～80%之间，气体流量也不稳定.这类瓦斯是在煤矿采煤过程中通过负压风机抽取到地面的，当瓦斯浓度较低而接近于瓦斯的爆炸浓度范围(5% ～15%)时，遇明火则容易爆炸.为了安全起见，这类瓦斯的利用需根据其浓度大小来确定.在关于瓦斯气的调研中，发现有些煤矿把浓度大于40%的高瓦斯无偿供给当地居民使用或点燃排空，而浓度低于40%的瓦斯就直接排空或点燃排放.这类瓦斯的利用率较低，但却有很高的发电利用价值，因此现阶段大多是针对此类瓦斯的发电技术研究开发，是最可行的节能减排的瓦斯发电技术.

目前，这类瓦斯发电技术只能把大于30%浓度的瓦斯用来发电.由于瓦斯爆炸浓度范围的上限随着瓦斯压力的提高而升高，为了安全起见，煤矿抽放瓦斯发电常用燃气内燃机发电工艺(要求供气压力不高于0.05 MPa，爆炸浓度范围上限大于15%)，而采用燃气轮机发电工艺(要求供气压力大于0.7 MPa，爆炸浓度范围上限大于30%).

燃气内燃发电机组通过将空气和瓦斯的混合气体加压，电子点火爆燃做功，推动活塞移动，曲轴转动带动发电机发电[9，10].典型的抽放瓦斯燃气内燃机发电工艺流程见图1.

图1 抽放瓦斯内燃机发电简单工艺流程

1.2.3 乏风瓦斯发电

典型的乏风瓦斯发电工艺流程见图2.

图2 乏风瓦斯发电简单工艺流程

在煤炭开采过程中，为了保证矿工呼吸到新鲜空气，必须向井下压送洁净空气，而从井下通风排出来的废气则称为乏风，其中含有微量的瓦斯，甲烷浓度一般低于1%，这部分瓦斯也会造成能源的浪费和对大气环境的污染.

煤矿乏风瓦斯发电是将瓦斯(甲烷)浓度大于0.2%的乏风送入氧化器进行无焰燃烧，通过瓦斯燃烧的能量来稳定燃烧过程，达到销毁瓦斯的目的，同时可以利用换热器吸收燃烧过程的余热来制取蒸汽或热水.蒸汽可以带动汽轮机进行发电，热水可以供热或制冷[11].

2 我国瓦斯发电技术的发展现状

在20世纪80年代，美国、英国和澳大利亚等国家就开始利用瓦斯发电.最初的瓦斯发电都采用燃气轮机发电，由于燃气轮机一般都要对瓦斯进行压力提升，而瓦斯气体在高温加压的情况下会提高爆炸上限，即此时低浓度瓦斯容易着火爆炸.因此，燃气轮机发电一般要求瓦斯浓度较高(一般40%以上)，当瓦斯浓度变低时，就停止发电运行.另外，瓦斯浓度降低使压缩设备的压缩量增大，从而使功耗增加，经济效率降低.我国的瓦斯发电起步较晚，第一座煤层气发电示范项目——辽宁抚顺矿务局的老虎台电站——采用的是燃气轮机发电，其瓦斯浓度略大于40%.晋城矿务局的寺河煤矿最初采用的是2台2 000 kW的燃气轮机机组，其瓦斯浓度为55% ～65%.由于燃气轮机机组不能适应浓度稍低的瓦斯，因此限制了瓦斯发电的利用[12-18].

然而内燃机瓦斯发电机组的出现，使甲烷浓度高于30%的瓦斯得到充分的利用.目前一些国外品牌的内燃机瓦斯发电机组企业已进入中国市场，其中美国的卡特比勒、奥地利的颜巴赫和德国的道依茨都是在我国运作成功的品牌企业.国内也有不少企业成功研发了内燃机瓦斯发电机组，并且在一些煤矿得到广泛应用.山西的晋城五里庙煤矿建成了国内第一个内燃机瓦斯发电项目，采用山东胜动集团的400 kW内燃机瓦斯发电机组，其机组适应的瓦斯浓度在30%以上.另外，现行使用内燃机瓦斯发电机组的国内企业还有江苏启东宝驹、济南柴油机厂、淄博柴油机厂等[19-22].

随着国家对新能源开发支持的力度越来越大，很多企业也逐渐注重瓦斯发电技术的发展，目前的内燃机发电机组对瓦斯浓度的适应性也越来越好，机组单机容量越来越大，自动化程度越来越高，瓦斯发电技术日臻成熟，对瓦斯发电电站的管理也日益完善，使瓦斯资源能够得到更充分的利用.

从山西的调研情况看，瓦斯发电从最初的低效率、自动化水平低、个体经营的小容量牛棚电站逐渐转变为高效率、自动化程度高、大发电企业主导的大规模大容量瓦斯电站.

3 内燃机瓦斯发电的关键技术

内燃机瓦斯发电存在的问题及技术难点可以归纳为气源品质处理和进入发电机前瓦斯气的浓度、气量的控制[23-25].

3.1 瓦斯气的品质处理

目前用来发电的瓦斯大多数都是煤矿为了安全生产而从井下抽放的瓦斯气，这些瓦斯气的品质决定着瓦斯发电机组的运行情况，因此在瓦斯气进入内燃机之前要对其进行一系列的处理，以满足发电机对气体的运行要求，具体包括以下4种处理方式.

(1)降低瓦斯气含水量 从井下抽放出来的瓦斯气都含有大量水蒸气，必须对瓦斯气进行脱水除湿，以降低瓦斯气中的水分含量.目前多采用冷凝排水来降低水分.

(2)去除瓦斯气中的杂质 抽放出来的瓦斯气会掺杂着粉尘及其他有害气体.采用过滤器除去粉尘，并根据气体的物理性质采用冷凝气体析出有害气体.

(3)调节瓦斯气的压力 其稳压过程一般有两个阶段.一是矿井抽放瓦斯气阶段.由于井下各方面条件的制约，从矿井抽出的瓦斯气体的压力和浓度都在不断地变化，甚至出现较大的变化.此时不能直接把瓦斯气送入发电机组，而是先把瓦斯气送入储气柜，而这个储气柜对抽放到地面的瓦斯气起着稳压缓冲的作用.二是瓦斯气进入发电机组阶段.内燃机发电机组要求进入的瓦斯气必须满足特定的压力条件.为此应采用变频罗茨风机，根据压力的具体要求来调节气体的稳定压力.

(4)控制瓦斯气进入发电机前的温度 内燃机发电机组严格要求瓦斯气的进气温度，由于外界的温度也能影响到管道内瓦斯气的温度，因此需要根据季节及外界气温的变化而对瓦斯气的温度进行测量和调节控制.一般瓦斯气体温度都高于进气温度，因此要求装有降温装置，在夏天气温较高时，投入装置;其他季节可根据当地温度情况，切除降温装置[26-29].

3.2 进入发电机前瓦斯气的浓度和气量的控制

瓦斯气的浓度和气量表现为瓦斯气的热值，即内能.根据能量守恒定律，其发热量的大小决定着燃气机组的发电量，即其浓度和气量的大小直接影响到发电机组的运行状态.由于抽放瓦斯浓度不断变化，无法从某一浓度计算发热量，因此将瓦斯气发热量折合成纯瓦斯来进行计算.

根据经验，1 m3纯瓦斯气大约可以发出3～3.5 kWh电能.

如果在正常发电运行过程中，瓦斯浓度的降低或者瓦斯气流量的减少，即瓦斯气发热量的减少，会导致发电机组转速降低，从而导致发出电能的频率降低.当瓦斯浓度降低或气量减少到一定程度，可能会引起内燃机的失速，从而造成停机，甚至发生事故.如果瓦斯浓度的升高或者瓦斯气流量的增大，即瓦斯气发热量增加，会使发电机组转速增加，发出电能的频率升高.同时，气量和浓度的增大还会降低瓦斯气的燃烧效率，造成能源不必要的浪费.因此，瓦斯气浓度和流量的合理配合控制是内燃机瓦斯发电技术的重要环节，也是瓦斯发电技术中的难点.尽管许多瓦斯预处理企业对浓度和气量的控制进行重点开发研究，如通过对瓦斯气参数的有效测量，通过DCS的控制平台及线性的控制策略，可对瓦斯气量和浓度小范围的变化进行有效调节和控制[30].瓦斯气的浓度和流量具体控制如下:

(1)瓦斯气的浓度控制 要求进气瓦斯浓度不低于30%，为了生产的稳定性和安全性，需严格控制瓦斯的浓度;

(2)瓦斯气的流量控制 瓦斯发电机组对瓦斯进气压力和燃气量都有严格的控制，瓦斯气的流量控制可保证内燃机的稳定运行.

3.3 内燃机发电机组的运行策略

燃气内燃机发电机组单机机组容量较小，目前投入使用的常见单机机组容量有500 kW，2 000 kW，4 000 kW.在大型的瓦斯电站中，需要多台这样的机组同时运行.由于井下抽放的瓦斯气量随季节温度的变化而变化，当气量充足时，发电机组可以全部投入满负荷运行;当气量不足时，是停运其中的几台发电机还是对每台发电机降负荷运行以确保机组更有效率地运行，这就涉及发电机机组的运行策略.当然，考虑到各台机组的经济运行，根据具体条件，采用适当的算法，寻求最经济的运行模式.

4 内燃机燃气蒸汽-热电联产

山西某瓦斯电站采用单机容量为2 000 kW的美国卡特彼勒G3520C型机组.该电站工程示例流程见图3.

图3 内燃机燃气蒸汽-热电联产流程

在该电站中，每15台内燃机发电机组为一个发电单元，每个发电单元配置一台容量为3 000 kW的汽轮机发电机组，作为余热发电.煤矿抽放站利用水循环真空泵从井下抽出瓦斯，在通过储气柜简单的过滤稳压后，储气柜出来的瓦斯气进入瓦斯预处理站，瓦斯气在预处理站中经过脱水、除湿、除尘、精过滤，以及气体浓度和压力的控制等一系列处理并满足发电机组的进气要求后，瓦斯气进入内燃机发电机组发电.内燃机排放的尾气温度大约为500℃，通过3×6 t/h的余热锅炉产生过热蒸汽，供给额定容量为3 000 kW的汽轮机发电或给当地企业和居民供热.此外，内燃机产生的缸套水也可给当地用户供暖供热.内燃机机组和汽轮机出口电压为10.5 kV，发出的电能通过升压站升至220 kV后并入电网.

这种燃气蒸汽热电联产发电模式对能源的利用效率极高，能够较好实现节能减排的目的，是当前大力推广应用的瓦斯利用发电模式.

5 结语

我国瓦斯发电技术处于发展的初级阶段，尽管目前浓度高于30%的瓦斯发电技术已经在高瓦斯地区得到广泛应用，但是由于瓦斯气量和浓度不稳定等客观因素，瓦斯发电的稳定性和可靠性仍然受到电力行业人士的质疑.而且浓度低于30%的瓦斯发电技术还不成熟，在全球节能减排的形势下，国内外相关企业都在不停地研发和探索，寻求更合理、更经济的发电技术，以尽可能的把各浓度的瓦斯利用起来，造福于人类.

[1]惠晶.新能源转换与控制技术[M].北京:机械工业出版社，2008:190-219.

[2]瞿秀静，刘奎仁.新能源技术[M].北京:化学工业出版社，2005:251-263.

[3]马晓钟.煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践[J].中国煤层气，2007，7(3):28-31.

[4]张武.矿井瓦斯综合利用的新途径[J].中国科技成果，2007(20):13-15.

[5]张国昌.煤矿瓦斯发电技术综述[J].车用发动机，2008(5):9-14.

[6]刘春青.瓦斯发电技术研究与实践[J].科技情报开发与经济，2011，21(10):189-191.

[7]宁成浩，陈贵锋.我国煤矿低浓度瓦斯排放及利用现状分析[J].能源环境保护，2005，19(4):1-4.

[8]龙伍见.我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前景展望[J].矿业安全与环保，2010，37(4):74-77.

[9]高秀华，郭建华.内燃机[M].北京:化学工业出版社，2006:99-120.

[10]孙业保，孙岩，郝利君，等.电子点火型单燃料天然气发动机开发与研究[J].车辆与动力技术，2001(4):37-39.

[11]王鑫阳，杜金.浓度小于1%的矿井瓦斯氧化技术现状及前景[J].煤炭技术，2008，27(9):1-3.

[12]埃迪P.澳大利亚煤层气发电项目[J].中国煤层气，1997(1):46-49.

[13]景兴鹏，刘瑛，郑登峰.煤层气利用技术研究现状[J].陕西煤炭，2007(6):10-12.

[14]崔荣国.国内外煤层气开发利用现状[J].国土资源情报，2005(11):22-26.

[15]徐志强，唐井峰，宋英东.我国煤层气发电技术现状研究[J].节能技术，2011，29(2):118-122.

[16]张皖生，唐立朝.煤矿瓦斯发电现状与前景分析[J].中国煤层气，2005(4):23-27.

[17]贺天才.晋城煤业集团煤层气开发与利用[D].第五届国际煤层气论坛论文集，2005.

[18]王爱青.寺河矿井煤层气发电[J].中国煤层气，2005(4):27-29.

[19]陈宜亮.低浓度煤层气发电机组技术及其应用[J].山东理工大学学报:自然科学版，2003，17(4):108-110.

[20]SU Shi，YU Xin-xiang.Progress in developing an innovative lean burn catalytic turbine technology for fugitive methane mitigation and utilization[J].Frontiers in Energy，2011，5(2):229-235.

[21]代红进，张红星.低浓度瓦斯发电机组的应用[J].科技信息，2009(29):1 021.

[22]白红彬，杨俊辉.煤层气发电设备的比较与选择[J].中国煤层气，2007，4(2):30-32.

[23]郭娟彦，蒋东翔，赵钢.煤层气发电技术现状及我国煤层气发电存在的问题[J].中国煤层气，2004(2):39-43.

[24]王琳.低浓度瓦斯发电技术的改进[J].煤矿机电，2008，17(1):106-107.

[25]费景喜.低浓度瓦斯发电技术的研究及改进[J].电力与能源，2011(5):197.

[26]傅国廷.低浓度瓦斯发电技术及应用[J].煤矿机电，2009，18(11):17-19.

[27]宋汉成，焦文玲，李娟娟.煤层气发展利用的技术分析[J]. 上海煤气，2007(5):1-5.

[28]鲜保安，崔思华，蓝海峰，等.中国煤层气开发关键技术及综合利用[J].天然气工业，2004，24(5):104-106.

[29]刘闯，于京春.煤层气利用技术方案研究[J].煤气与热力，2005，25(9):62-63.

[30]LUO Yong，QI Qi.Study on comprehensive gas control techniques and practice in coal mines[J].Journal of Coal Science and Engineering(China)，2011，17(1):69-75.