基于内燃机的煤层气发电联供系统配置

王华超，陈露（中南电力设计院有限公司，武汉430071）

基于内燃机的煤层气发电联供系统配置

王华超，陈露
（中南电力设计院有限公司，武汉430071）

煤层气发电是煤层气利用的重要途径之一，经过多年的发展，燃气内燃发电机组在我国煤层气发电中，获得了越来越广泛的应用。论文阐述了各种基于内燃机的煤层气发电联供系统配置，并对各种内燃机配置进行了简要介绍。

煤层气发电；内燃机；系统配置

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.150

1 引言

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，其热值与天然气相当，是一种高效的清洁气体能源。我国煤层气资源丰富,位居世界第三(第一俄罗斯,第二加拿大)。据国内最新一轮评价结果（2005年），全国煤层埋深2 km以内的煤层气资源量为368 000亿m3,与常规陆上天然气资源量基本相当。

煤层气在煤矿开采中大量生产，其易燃易爆性严重影响煤矿的安全生产。在国际能源局势趋紧的情况下，作为一种优质高效清洁能源，煤层气的大规模开发利用前景诱人。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，能产生巨大的经济效益。

煤层气发电是煤层气利用的重要途径之一，我国煤层气发电技术进展较快，2009年全国煤层气发电机组已超过1400台,总装机容量达到920 000kW。根据国务院规划，2015年煤层气发电装机容量将超过2 850 000kW。

2 煤层气发电系统主机型式

理论上讲，煤层气发电采用的主机设备主要有以下几种型式。

2.1 燃料电池

燃料电池不同于转换燃料的化学能，经燃烧释放热能做功，最终产生电的传统发电系统，燃料电池是将燃料的化学能直接利用电化学反应转换生产为电力。由于燃料电池没有机械做功和热交换过程，与一般的热发动机产生的电力相比，具有效率更高、污染较低、生产运行过程安静等特点。

由于目前燃料电池的高成本，燃料电池仅适用于对电力质量、电力环境、生产环境要求较高的地区和用户。

2.2 燃气锅炉带蒸汽轮机发电机组

燃气锅炉带蒸汽轮机发电机组，为传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运行可靠，但燃气锅炉采用煤层气为燃料，目前仅局限在小型的工业锅炉。这种装机形式发电效率也较低，启动运行时间长，不灵活。所以目前煤层气电站基本不采用这种装机形式。

2.3 混合燃烧锅炉带蒸汽轮机发电机组

混合燃烧锅炉是用煤层气和煤同时作为锅炉的燃料，需要对传统燃煤锅炉进行改造，增加燃气供应系统。混合燃烧锅炉可降低氮氧化物、硫氧化物和飞灰的排放。混合燃烧锅炉受到瓦斯抽采的波动性强影响较大，其辅助系统也较为复杂，且这种装机形式发电效率较低，启动运行时间长，不灵活。目前煤层气电站也基本不采用这种装机形式。

2.4 燃气轮发电机组

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；燃气轮机发电系统可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电。

2004年以前，以矿井高浓度煤层气（甲烷含量大于40%）为燃料的电站主机，大都采用燃气轮机。但这些机组受瓦斯抽采浓度的波动的影响较大，运行情况不佳。因此，近年来这种装机形式的应用也逐渐被淘汰。

2.5 燃气内燃发电机组

燃气内燃机发电，具有系统简单，运行灵活，启动时间短、发电效率高等特点。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。

往复式燃气内燃机，以其运行灵活，对瓦斯浓度适应范围广，尤其是对低浓度煤层气的适用性，在现阶段已经成为煤层气发电的主要设备。

3 基于内燃机的煤层气发电联供系统配置

煤层气发电联供系统，即利用煤层气，生产多种能量，通常是电能、热能（含蒸汽、热水）和冷能，其能源综合利用效率一般可达80%以上。

内燃机发电机组的可供利用的余热分主要有2部分：（1）发动机做功后排出的烟气余热，根据内燃机型号不同，烟气温度一般为350～460℃；（2）内燃机缸套冷却水，缸套冷却水温度一般在95℃左右。其中烟气余热的利用设备主要有余热锅炉、烟气-热水换热器和溴化锂吸收式冷水机组；缸套冷却水的余热利用设备主要有水-水换热器和溴化锂吸收式冷水机组。基于内燃机的煤层气发电联供系统，主要针对余热利用设备的不同，进行多形式的组合，以获得不同的产品需求。基于内燃机的煤层气发电联供系统，主要有以下几种系统方案配置。

1）方案一：内燃机配烟气热水型双效溴化锂吸收式冷水机组，系统主要流程详见图1。方案一为常规的冷热电三联供机组配置，高温烟气和缸套冷却水进入烟气热水型双效溴化锂机组，可对外提供热水负荷和冷水负荷。冷热电三联供机组规模可大可小，运行灵活。淮南矿业集团在潘一矿采用的冷热电三联供装机方案，利用余热制冷，实现井下降温，是煤层气冷热电三联供与治理矿井热害相结合的一次重要探索，具有重大的实践和指导意义。

图1 煤层气发电联供系统配置方案一

2）方案二：内燃机配余热锅炉及蒸汽轮机，系统主要流程详见图2。方案二为常规的热电联产机组配置，高温烟气进入余热锅炉加热给水，产生的蒸汽驱动蒸汽轮机做功，从而实现能量的梯级利用。蒸汽轮机的冷凝水，可先通过缸套水板式换热器加热后，再进入余热锅炉，提高余热锅炉给水的初温，充分利用内燃机的余热，实现更高的能源综合利用效率。此方案也可向用户提供蒸汽介质。

但由于内燃机单机容量均较小，烟气温度也不高，单台内燃机可产生的蒸汽量较小，一般当煤层气电站装机容量小于30MW，采用热电联产配置的经济性不高。目前国内规模较大的煤层气电站较多采用这种装机方案。

图2 煤层气发电联供系统配置方案二

3）方案三：内燃机配溴化锂机组、余热锅炉及蒸汽轮机，系统主要流程详见图3。方案三与方案二的主要区别在于内燃机缸套水余热的利用，方案三采用了热水型溴化锂机组，利用内燃机缸套水余热的利用对外供热水和冷水，虽然蒸汽轮机的发电量有所降低，当可对外供热水和冷水，产品更丰富，能满足用户更多样化的需求。

图3 煤层气发电联供系统配置方案三

4）方案四：内燃机配烟气-热水换热器和水-水换热器，系统主要流程详见图4。方案四采用板式换热器，对外提供的介质只有热水，热用户受限制较大，但整体的初投资及后期运行管理费用均较低。在用户的热水负荷需求稳定，需求量较大时，采用此方案较为经济。

图4 煤层气发电联供系统配置方案四

4 结语

煤层气是一种存储丰富、清洁、高效的能源，采用煤层气发电也越来越普遍。基于内燃机的煤层气发电联供系统，也衍生出了多种配置。煤层气发电站，可单一采用一种联供系统配置，也可同时采用多种联供系统配置，因地制宜，满足业主对电、蒸汽、热水、冷的多元化供能需求。已投入运营的煤层气发电站，也可根据自身及周边用户需求，结合电站条件，改造煤层气发电联供系统，从而提高煤层气发电站的综合利用效率。

【1】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.

【2】谭超,白红彬.我国煤层气发电产业发展现状[J].能源研究与利用, 2010(1):9-11.

【3】王勇.煤矿瓦斯发电及热电冷联供技术研究[J].工矿自动化,2006 (5):8-11.

【4】樊金璐,吴立新,王春晶,等.中国煤层气发电技术发展和应用现状[J].洁净煤技术,2012,18(1):1-4.

Configuration of CMM Power Generation Combined System Based on Internal-Combustion Engine

WANG Hua-chao，CHEN Lu
(Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China)

CMM power generation is one of the most important ways to utilize CMM resources. After years of development, the gas internal combustion engine power units are widely applied in China's CMM Power generation.This paper describes variety configurations of CMM powergeneration combined system based on internal-combustion engine,and various configurations are briefly introduced.

CMM power generation;internal-combustion engine;system configuration

TK403

A

1007-9467（2016）12-0115-03

2016-11-08

王华超（1982～），男，湖北武汉人，工程师，主要从事火力发电及新能源研究。