双燃料发电机组在采空区地面井上的应用

王 争，李 超，李 阳，周显俊，毕利丽

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030000)

国家将煤层气抽采工程视为生命工程和资源工程[1-3]，其中，煤矿采空区地面井(以下简称采空井)作为一种煤层气抽采新井型，即在废弃后的小中型煤矿通过地面垂直钻井至采空区垮落带内，使井口与采空区有效沟通，地面使用小型螺杆/漩涡增压机组进行抽采[4，5]。采空井的布井区域通常具有点多面广、位置偏远等特点，这将导致采空井的配套工程成本投入较大，尤其是基础架线供电线路等相关费用不菲。因此，采空井往往利用小型发电设备提供电能以保障抽采设备连续、稳定运行。汽油发电机体积小、结构简单、可靠性高，能够满足抽采设备用电需求，但长期使用汽油发电无疑会导致耗电严重，经济成本增加。考虑到煤层气也可作为发电机工作燃料[6]，经过多方面考察研究，提出了一种双燃料发电机组抽采利用煤层气技术。

1 双燃料发电机组的应用

在采空井抽采出煤层气前，发电机组首先使用汽油燃料工作为抽采设备提供电能；待采空井抽采出煤层气后，发电机组可切换成煤层气燃料工作，对煤层气气源中的CH4浓度要求为40%～80%。该设备适用于野外作业，在环境温度-20℃～+45℃，相对湿度小于97%(20℃时)，海拔高度小于等于2000m的环境条件下能稳定、可靠、连续地运行。

1.1 设备选型

根据采空井抽采系统工艺要求和井场现场安装条件，进行设备选型。采空井产能一般为1000～2000m3/d，根据产能情况通常选用旋涡增压机组进行抽采，具体运行参数见表1。

表1 旋涡增压机组主要参数指标

结合表1，另外考虑现场照明等负荷以及功率富余量等因素，优先选用额定功率为30kW的双燃料发电机组，具体运行参数见表2。

表2 双燃料发电机组主要技术参数

1.2 基本组成

双燃料发电机组内部结构如图1所示，双燃料发电机组主要由汽油煤层气双燃料发动机、发电机、冷却水箱、变速装置、型钢公用底座、集装箱体、蓄电池、电控箱、汽油箱、机前燃气过滤器等组成。

1—人机界面；2—发电机；3—万向联轴节；4—变速箱；5—蓄电池；6—电流调节器；7—执行器及控制油门；8—燃气调压器；9—燃气切断阀；10—控制箱；11—小油箱；12—空气滤清器；13—燃气调节阀；14—混合器；15—电控模块；16—膨胀水箱；17—回油管；18—进油管；19—冷却风扇水箱；20—煤层气泄露传感器；21—消声器；22—共用底座；23—煤层气过滤器；24—外置大油箱

双燃料发电机组前端安装吸风式的冷却风扇和散热器，既可冷却发动机的冷却水，又可冷却发动机本体和发电机。发电机组排气管和消声器采用加厚304不锈钢材料，不易腐蚀，外形美观。机组排气管包裹隔热材料，防止人员烫伤和烟气热量散发，特别在夏季能避免集装箱内温度过高引起的安全事故。发电机组箱体内配置煤层气在线泄露传感器，实时检测燃气泄漏情况，具有在线检测、报警和停机功能。

1.3 主要特点

1.3.1 油、气自动切换功能

在气井抽出煤层气前，发电机组使用汽油燃料工作。抽出煤层气后，可通过控制柜面板上的油气切换开关，发电机组自动切换成煤层气燃料工作。

1.3.2 根据负载自动调整输出功率

发电机组额定功率为30kW，根据后端负载设备的需要，特别是负载设备具有变频功能时，发电机组功率调节阀主要起调节煤层气的气量，以满足合适的混合气比例和调节功率的作用，从而实现自动调整相应输出功率的功能。双燃料发电机的有效运转与混合气的空燃比关系很大。双燃料发电机组采用自动调节空燃比，空燃比是评价汽油机混合气浓度的指标，也是影响燃烧过程至关重要的因素。为了满足发电机对各种工况的要求，对双燃料发电机结构及空燃比控制原理进行了研究分析，并在此基础上，制定了煤层气发电机空燃比控制方案设计[7]，如图2所示。空燃比控制系统依据节气门开度和发动机转速信号确定理论空燃比，基于发动机具体工况，通过自动程序控制电磁程控燃气阀和电磁程控空气阀的开度大小，以确保煤层气发动机空燃比控制速度和精度。在此基础上，对空燃比控制方案中所涉及的控制器、传感器及执行器等进行合理选型，并设计了包括信号调理电路、系统电源电路、时钟及复位电路、电磁阀控制驱动电路、报警电路及显示电路在内的控制系统硬件。

图2 双燃料发电机空燃比控制方案设计图

1.3.3 环境保护(降低CO2、NOx和臭氧的排放)

煤层气热值与天然气相似，以其丰富的资源储备和清洁燃烧特效而成为改善环境的一种友好清洁能源。有关试验表明[8，9]，双燃料发电机组相比柴油发电机组，在所有运行工况下，CO2的排放量低；全负荷运行工况下，CO2的排放量减少的幅度最大，可达31%，NOx和CO排放量分别减少54%和59%。

1.3.4 排温检测、报警和停机功能

发动机的热负荷是主要技术指标，必须进行检测和控制，而排气温度是反映热负荷的主要参数依据。本双燃料发电机组增加了排温检测、报警和停机功能，保证机组运行在正常的排气温度范围内，避免因为排气温度过高而引起的发动机咬缸、汽缸垫冲床、火花塞烧熔、发动机爆震、排气系统烧毁等设备安全事故。

1.4 配套抽采工艺优化

双燃料发电机组汽油系统如图3所示，在汽油泵的作用下，汽油经电磁阀最终进入发电机组内燃烧发电。

图3 双燃料发电机组汽油系统示意图

双燃料发电机组煤层气系统管线如图4所示，可以满足双燃料发电机组的用气要求。

图4 双燃料发电机组煤层气管线系统示意图

其中，过滤脱水器能对煤层气进行过滤和脱水作用，防止杂质和水分进入机组；手动阀起开启、关闭煤层气作用；电磁阀在停机控制信号或紧急停机按钮的作用下能紧急关闭煤层气管道，切断煤层气供应，致使机组紧急停机；调压阀满足机组对煤层气的压力要求，调整煤层气压力到合适的值；功率调节阀主要起调节煤层气的气量，以满足合适的混合气比例和调节功率的作用。

双燃料发电机组在采空井煤层气地面抽采集输与利用的工艺流程如图5所示，双燃料发电机组首先使用汽油燃料工作为增压机组等抽采设备提供电能，待增压机组抽采的煤层气浓度及流量稳定后，开始转为使用小部分煤层气燃料发电，保证采空井抽采设备连续稳定运行，剩余大部分煤层气经流量计和阀门等进入管道集输，最终形成稳定的采空井抽采利用体系。

图5 双燃料发电机组抽采利用工艺流程

1.5 安全联锁运行参数

监测监控系统是抽采工艺设计的安全监测部分。在抽采管道，抽采设备和供电线路等处安装各类传感器，密切监测记录煤层气浓度、抽采压力等参数变化。双燃料发电机组运行过程中，传感器不断将测量信号经模数转换回传至抽采设备PLC控制模块[10]。双燃料发电机具体连锁参数见表3。当双燃料发电机组的任意连锁参数在正常运行值内时，机组安全可靠运行；当其中任一个参数超过报警临界值时，机组会发出相应报警信息，此时应尽快由专人处理；而当其中任一个参数达到停机临界值时，在PLC控制下机组自动停止工作，从而实现抽采设备自动联锁报警、停机功能，以确保采空井安全高效抽采[11-15]。另外，为提高煤层气发电过程中的安全性，在双燃料发电机组上引入排温检测、报警和停机功能，以保证机组运行在正常的排气温度范围内，避免因为排气温度过高而引起的发电机设备安全事故。

表3 双燃料发电机具体参数

2 应用效果

双燃料发电机组主要存在以下创新点：①油、气自动切换功能：发电机组初期使用汽油燃料工作，当煤层气气源浓度大于40%时，可通过控制柜面板上的油气开关自动切换成煤层气燃料工作；②根据采空井的实际情况安装煤层气，氧气浓度传感器并设计自动调节空燃比控制方案，保证油气两用发电机组的安全高效运行；③远程通讯接口，可以远程监控机组的运行情况，机组CGC控制器提供RS-485接口，按照约定的通讯协议提供信号传输，可传输发电机组运行的所有参数和报警、停机信号；④排温检测、报警和停机功能，发动机的热负荷是主要技术指标，必须进行检测和控制，而排气温度是反映热负荷的主要参数依据，本双燃料发电机组增加了排温检测、报警和停机功能。

部分采空井运行参数统计见表4，以4口因地理位置偏僻使用双燃料发电机组提供电能的采空井为例，这些井累计稳定运行已达1421d，产气总量达到170.44万m3，按每方管道煤层气1.3元计算，直接经济价值221.572万元。另外，4口采空井可节省架线成本80余万元，节约抽采设备用电成本26万元，综上累计可产生经济效益327万元。

表4 部分采空井运行参数统计表

抽采出的井下煤层气可直接并入输气管网，用于民用及工业用气等。现场应用表明双燃料发电机组可以为采空井配套抽采设备提供电能，并能保障采空井持续、稳定生产。

3 结 论

1)现场实践表明，双燃料发电机组可以满足采空井现场抽采设备稳定运行的需求，降低了采空井布井区域要求，对采空井煤层气的开发起到很好的促进作用。

2)在低浓度煤层气(CH4浓度≤40%)情况下，双燃料发电机组不能很好的稳定供电，主要原因是发电效率衰减严重，可通过配气的方式提高煤层气浓度，保证设备正常运行。

3)双燃料发电机组可有效降低环境污染，为社会可持续发展提供清洁能源。