论低浓度瓦斯发电经济可行性与必要性

田海港

[摘要]根据《煤矿安全规程》要求，瓦斯抽放是煤矿安全生产必不可少的环节。煤矿瓦斯分低浓度和高浓度瓦斯，甲烷浓度低于30%以下的瓦斯属于低浓度瓦斯，国家规定低浓度瓦斯不能直接利用，但可以用来发电。文章以重庆永福实业有限公司论低浓度瓦斯发电的经济可行性。

[关键词]低浓度瓦斯；发电；经济可行性

[DOI]1013939/jcnkizgsc201730082

煤层气是指赋存于煤层及其围岩石中与煤炭资源伴生的非常规天然气，也称煤矿瓦斯。煤炭是中国的主要能源，占中国一次能源消费结构的70%左右。发电用煤占煤炭消费的50%以上。受经济发展水平的影响和自然条件的制约，煤炭行业一直是我国的高危险行业。在煤矿生产中，常见的瓦斯灾害事故有瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故等。矿井瓦斯事故具有破坏性强、伤亡大、损失惨重的特点，往往导致矿毁人亡的惨剧。2016年10月31日，永川区金山沟煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，爆炸冲击波从700多米的深部生产工作面直接冲到了地面，导致井下33人全部罹难，井下巷道和设备遭到大面积损毁，矿井被直接关闭。因此，防治瓦斯事故是煤矿防止重特大事故的重中之重。

重庆永福实业有限公司是开采深度大的低浓度瓦斯矿井，煤层瓦斯含量在4～7m3/t，矿井通过风井抽排的瓦斯达到12 m3/min。如果只采取常规的通风措施排放瓦斯，井下采煤工作面回风流、采区回風流、矿井总回风流瓦斯浓度长期处于临界点，矿井面临着靠通风措施治理瓦斯难以为继的局面。从矿井安全生产角度而言，建设抽采瓦斯可以说势在必行。瓦斯抽采系统，开辟了一条煤矿井下瓦斯排出地面的专用通道，从根本上降低了煤层瓦斯含量，减少了涌入矿井工作面和巷道的瓦斯源。就防治煤矿瓦斯事故而言，是釜底抽薪之举。建设和安装低浓度瓦斯发电机组，充分利用抽采系统抽出的瓦斯进行发电，满足企业生产用电和生活用电需求，同时还有盈余电量上网，创造了新的经济增长点，达到以利用促抽采的目的，提高抽采瓦斯的积极性，从而也可助力矿井安全生产。按照国内某煤矿的纯瓦斯抽排量7Nm3/min，甲烷浓度9%～30%，进行低浓度瓦斯发电进行论证。

1机组选型

根据煤矿瓦斯抽放情况，采用2台700GFZ-PWD-TEM2-3型瓦斯发电机组。机组冷却采用闭式冷却，输出电压等级为63kV。

2电站建设规模

利用煤矿低浓度瓦斯发电，根据700GFZ-PWD-TEM2-3型低浓度瓦斯发电机组的性能参数，单台发电机组持续运行消耗的瓦斯纯量约为32Nm3/min。

3电站总平面布置

电站选址要求满足与其他各建构筑物的安全距离及防火间距要求。站区内各厂房布置满足建筑安全间距要求，管线工艺走向合理，交通运输便利。电站内设置发电机房，低压配电室、高压配电室、余热泵房、值班室、办公室、雾化水池安装区、休息室等附属厂房。低压配电室内布置站用电配电柜设备。高压配电室内布置机组断路器柜、高压PT柜及高压输出开关柜。余热泵房内设置热水循环泵、落地膨胀水箱、全自动软水器、软水器补水泵等设备。雾化水池安装区内设置雾化水池及雾化水泵。综合泵房内设置冷却循环水泵、消防水泵等。

4燃气进气系统

项目共敷设1条DN500的瓦斯输送主管线，为电站内上2台发电机组输送瓦斯。瓦斯输送采用低浓度瓦斯细水雾输送系统，首先经过水位自控式水封阻火器、丝网过滤器、瓦斯管道专用阻火器、低温湿式放散阀、防爆电动蝶阀，然后通过细水雾输送系统输送。每台发电机组进气支管的管径为DN200，在每台发电机组的进气支管线上安装一套降温脱水模块进行脱水，脱出的水通过降温脱水模块回水总管流回雾化水池。

5余热部分

为了提高机能源效率，利用发电机组排气余热，在每台机组排烟管上配套安装1台针形管换热器。发电机组排烟温度为550℃左右，经针形管换热器换热后排烟温度约为150℃。针形管换热器的进水通过针形管换热器与机组烟气换热，产生95℃热水，通过水水换热器，与矿区送过来的20℃冷水换热，产生65℃热水送至矿区水箱供矿区职工洗浴。

电站软化水系统采用一套全自动软化处理系统，站区自来水引入全自动软水器进行处理，处理后产生的软化水为余热利用系统及机组冷却内循环系统补水。处理后的给水总硬度≤06mmol/L，含氧量≤01mg/L，满足《工业锅炉水质标准》GB 1576—2001的要求。

单台发电机组余热回收可利用热量为1311万kJ/h，年余热回收热量为1148×106万kJ，本项目2台发电机组年余热回收可利用热能总量为2296×106万kJ。标煤热值为29308kJ/kg，标煤热利用效率按60%考虑，则4台发电机组年余热回收利用可节约标煤量：2296×106×10000÷29308÷60%÷1000=13055吨。

6冷却循环系统

根据700GFZ-PWD-TEM2-3瓦斯发电机组的性能要求，燃气发电机组机组热量通过机组配带的卧式多风扇水箱进行散热，冷却循环分为高、低温冷却循环系统。高温冷却循环主要是冷却发动机机体、气缸盖等部件，低温冷却循环主要是冷却机油和混合气。机组冷却循环使用软化水，在机房内安装一高架软化水箱，通过自然压差向机组的冷却内循环系统补水。冷却循环水使用软化水（温度低时应考虑使用防冻液），软化水接自余热利用系统内的软化水处理装置，单台机组的消耗量约为 5kg/d。

7电气部分

电站共安装2台700GFZ-PWD-TEM2-3型高压发电机组，总规划装机容量为14MW，机组出口电压为63kV。本工程所发电能送至煤矿变电所供电系统供用户使用。

电站低压配电室内设置1台400kVA降压变压器，用于给电站内的设备供电。机组所发电能将变压器降压后由低压配电柜为站内冷却循环水泵、热水循环泵、软水器补水泵、轴流风机、消防水泵等辅助系统配电，并预留检修电源等回路。配电柜型号为GCK通用型。为了保证电站的一级负荷的用电可靠性，由用户提供一路低压电源为站区一级负荷供电。

8控制部分

每套发电机组配置一套由设备厂家自行设计、制造的TEM2机组自动控制系统，TEM2机组自动控制系统主要由机组就地控制柜、机组断路器柜和远程控制柜组成。系统具备燃气发电机组数据采集、机组控制、空燃比自动控制、机组测试系统、人机交互、程序恢复、事件记录等功能，是一套完整的燃气机组控制系统。能够实现机组全部参数的显示功能，实现超速、油压低、逆功率、过电流、油水温高等保护功能。

电站设置一套中央监控系统，中央监控系统由监控软件、工控系统及各类附属通信设备构成，可以实现对多台机组的运行控制、状态监视及参数调整。

在发电机房内设置可燃气体探测器，实现发电机房和雾化水池安装区燃气泄漏浓度检测及报警。

9消防

依据《建筑设计防火规范》GB 50016的要求，按照“预防为主，防消结合”的原则站内消防以移动式灭火器消防为主，室外设置消火栓進行安全保护，冷却水池兼做消防水池。

10建筑结构

发电机房采用轻钢彩板结构。综合泵房、高压配电室、低压配电室、冷却水池及办公室、休息室、配件室、维修室均为砖混结构。

11电站定员测算

发电机组运行工，4班制，每班2人，包括值长一名；锅炉运行工，4班制，每班1人，由发电运行工兼；燃机维修工1人；技术员1人；管理人员1人（兼财会人员），共需11人。

12投资估算

本项目预计投资1150万元，其中厂房建设150万元，发电机组700万元，高低柜配套150万元，其他费用150万元。

13从投资回收期来看效益分析

（1）总投资1150万元

（2）电站收入

电站收入合计：7116万元。其中包括：①售电收入：电价按07元/kW·h计算。电量计算：按每台机组发电功率700kW计算，2台机组发电功率为1400kW。年运行时间按7200h计算，年发电量为：1400×7200=1008万kW·h，站用电按5%计算，实际售电量1008万kW·h×（1-5%）=958万kW·h。年售电收入为：958万kW·h×07元/kW·h=6706万元。②余热收入（热水型锅炉）：标煤按照400元/吨计算。1kg标煤热值为29300kJ，每台机组可回收余热131万kJ/h，热损失按5%考虑，煤的热效率按60%计算，每小时节约标煤量为：1310000×095÷（29300×60%）=0071吨/每小时，则年余热收入为：400×0071×7200×2=41万元。

（3）经营成本

经营成本合计：858万元。其中包括：①人员工资：电站运行及维护人员按11人考虑，人员工资平均按4万/年。共计：4万元/人年×11人=44万元。②五险一金保险：4×（20%+9%+1%+5%）+01=15万元，11人共计165万元。③设备维护：每台机组5万元/年，2台机组共计10万元。④年机油消耗：00008kg/kW·h×958万kWh×20元/千克=15万元。⑤年水消耗：5元/m3×006万m3=03万元。

（4）效益分析

年收益=年总收入-年总成本费用=7116-858=6258万元。折旧费用=150/20+850/117/5=75+14530=15280万元。企业所得税=（6258-15280）×25%=11825万元。2台700GFZ-PWD-TEM2-3机组电站投资为1150万元，投资回收期约为1150/50755=227年。

综上所述，低浓度瓦斯发电，对于环境保护、节约能源、创造效益等方面，都具有十分的必要性和可行性，国家对低浓度瓦斯发电的支持将会持续加大力度。经过前几年的市场调价和国家运控，目前煤炭市场区域稳定，落后产能基本淘汰完毕，低浓度瓦斯发电势必将会迎来一个更大的发展契机。

参考文献：

重庆市煤炭协会重庆地区煤与瓦斯突出防治技术[M].北京：煤炭工业出版社，2005：454-455