煤矿瓦斯发电及热电冷联供技术研究.pdf

第 5期 2 0 0 6年 1 O月 工矿 自 动化 I n dus t r y and M i n e Aut o ma t i o n NO ． 5 Oc t ． 2 0 06 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 5 --0 0 0 8 0 4 煤矿瓦斯发电及热电冷联供技术研究 王 勇 淮南矿业集 团公司 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 0 摘要 瓦斯发电及以矿井井下降温为核心的热电冷联供是一项新技术。文章根据 淮南矿业集团公 司的 相 关工程 实例 ， 介 绍 了煤 矿 瓦斯发 电技 术 、 热 电冷联供 技 术及 相 关工程的 实践 经验 。 关键词 煤 矿 ；瓦斯发 电 ；热 电冷联供 ；综合 自动化 中图分类号 T D 6 1 1 文献标识码 A 收 稿日 期 2 0 O 6 一 o 6 1 2 0 引言 作 者简介 王 勇 。 。 一 ， 男， 硕士学位， 高级工程师， o o 年 煤矿 瓦斯是煤炭开采的伴生资源 ， 含有大量 的 毕业于安 徽工商学院， 现在淮南矿 业集团公司 从事机电 管理 工作。 甲烷 ，是一种高效的清洁能源， 但其易燃易爆性严重 2 第 i 1段 的起始 位置 不再是 p o i n t e r 据是在 占速为 1 ． 5 1 7 r n ／ s 、 泥浆 比重为 1 ． 2 k g ／ L的 A h ， 而是 p o i n t e r A h A h ， 即 p o i n t e r p o i n t e r 基 础 上 则得 的 。 由 于声 速 随 介 质 的 不 同 而 有 所 改 △ 一A h ， 计算第 i 1段 的参数并保存 ， 以此类 推 变 ， 泥浆 比重的不同也会造成速度 的偏差 ， 从而引起 直至最后。其中 A h 一￡ A h， A h 为叠加长度 ， ￡为 测距的变化而导致测试结果 的偏差， 这往往会造成 叠加因子。叠加 因子的值往往决定叠加长度 ， 该值 对基桩 尤其是深桩桩身形状的误判。由于测距偏差 过大将造成重复计算 ， 一些细节信息也会丢失 ； 过小 是导致误判的主要原 因， 所 以在每次测量时都应进 虽能连续但边界处仍有跳跃现象。一般来说对 于不 行标定 ， 确定出测量距离与实际距离的比值 ， 以减少 同的测量数据可 以选取不 同的叠加 因子 ， 笔者认为 测量误 差， 提高测量精度 。 以不 超过 0 ． 2为宜 。 ⋯ 一 3 任取一 深度值 h判 断其所处的位置 ， 若 h 。 一 ‘ 在非叠加位置则用本段参数计算半径值即可 ， 否则 该数据处理技术已成功应用于山东科技大学研 该处的半径值为两段的参数分别计算所得半径 的平 制的大 口径深井测井仪中。该仪器 以技术先进、 性 均值 ， 即 ，一 [ ， b ， d ， 升 ， b 计 ， 能稳定 以及 良好的人机界面赢得了施工单位和质量 监理单位的好评。在存在噪声信号 的情况下 ， 该仪 C i l ’ a i l ’ ， 器能够较准确地绘制出井筒形状 ， 并提供相关参数 ， 4 绘制 r h曲线 ， 如图 4所示 。 是施工 和成孔质量检测的重要参考资料 。该 处理 技 维普资讯 2 0 0 6年第 5期 王 勇 煤矿 瓦斯发电及热 电冷联供技术研究 9 影响着煤矿的安全生产 。因此 ， 必须对煤矿瓦斯进 行科学 的治理和有效 的综合利用 。 淮南矿区瓦斯气赋存量高达 5 9 2 8 1 0 m。 ， 所 辖煤 田地表冲积层厚 ， 煤层埋藏深 ， 地质构造复杂 ， 煤层瓦斯压力高 ， 瓦斯含量大 ， 严重威胁着矿井的安 全， 制约着矿井的发展。近年 ， 淮南矿业集团公司加 大了瓦斯治理力度 ， 通过地面钻孔预抽、 井下设置顶 底板抽排巷 、 开采解放层等综合措施抽采瓦斯 ， 改变 了淮南矿区瓦斯难抽的局面， 在高 瓦斯矿井建成 了 永久抽放系统， 仅 2 0 0 5年瓦斯抽 采量就达 1 ． 5 1 1 0 m。 ， 瓦斯对矿井 安全生产的威胁得到了有效 的 控制。 同时， 淮南矿业集团公司加大 了瓦斯综合利用 力度 建成 了满足 1 0万户居 民同时用气 的供气 工 程 ， 将一系列燃煤锅炉改造成了瓦斯锅炉； 建成 了潘 三、 潘一 、 张集 、 谢桥等 8座瓦斯发电站 ， 装机 2 1台， 总装机容量达 2 1 Mw； 在潘一南风井实施 了瓦斯发 电和井下降温工程 ， 实现了热电冷联供 。 通过大量的科 学研究和工程实践 ， 淮南矿业集 团公司认为将瓦斯作为燃料燃烧 ， 瓦斯的热利用效 率低 ， 是瓦斯利用的初级阶段 。利用瓦斯进行发电， 瓦斯的热利用效率较高， 可就地将瓦斯转化为电能 ， 具有系统简单 、 配置灵活等突出优点 ， 是瓦斯综合利 用 的较 理想 的途径 。 1 瓦 斯发 电技术 瓦斯发电是 以瓦斯气为能源 、 将 瓦斯气中蕴含 的热能转化为电能的能量转换过程。目前实用的瓦 斯发电方式主要有燃 气发动机、 燃 气轮机和汽轮发 电机三种方式。通过调研分析及在淮南矿业集团公 司的大量瓦斯发电工程建设实践， 笔者认为燃气发 动机是最适合淮南矿 区瓦斯发 电的技术成熟 的机 组 。该发电方式具 有热效率高 国产机组发电效率 为 3 3 左右 ， 进 口机组发电效率可达 4 0 ～4 3 、 燃料气人 口压力低 通常为 6 ～3 5 k P a之间 、 单机 发电容量较小 一般在 4 0 0 3 0 0 0 k W 等特点 。 在确定瓦斯发电工程方案时， 要注意以下问题 1 气源分析与处理 瓦斯气源的质量决定瓦斯发 电的成败 。在确定 瓦斯发电的机组和装机容量前 ， 要对瓦斯气源进行 事实求是的分析 ， 明确可供发电的瓦斯浓度在 3 0 以上的瓦斯气量 ， 分析瓦斯浓度及气量的波动性 ， 为 瓦斯机组的选型和容量确定提供可靠的科学依据。 瓦斯气源的组分 、 压力 、 湿度、 温度及含尘量对 瓦斯发动机的运行有很大影响 ， 国外进 口机组对这 些参数要求严格 ， 需要设气体预处理装置 ， 保证进入 发动机的瓦斯气体质量满足发动机的要求 ， 从而保 证发动机的良好运行， 也使机组 的使用寿命得 到保 障； 国产机组对进气质量没有严格的要求 ， 但发动机 的使用寿命要短得多 。 为保证瓦斯发 电机组具有连续稳定 的供气源， 一 般在瓦斯发电站前设有一定储量的储气罐 ， 并根 据进气的瓦斯浓度对储气罐进气进行 自动控制和保 护 。 2 机组选 型 根据可用的瓦斯量、 工程投资及效益等合理选 用 瓦斯发 电机组 。 目前可供选择 的国产瓦斯发电机组很少 ， 比较 成熟的机组是 5 0 0 k w 的瓦斯 发电机组 ， 质 量基本 稳定 ， 自动化程度较高 ， 保护 比较齐全， 但具 有输 出 功率低、 不能满发、 油耗高 、 连续运行时间短 、 维护量 大、 故障率高、 运行成本高、 噪音大等缺点。 2 0 0 5年 ， 淮南矿业集团公司引进了 9台瓦斯发 电机 组 。运营情 况 表 明 进 口瓦 斯 发 电机 组 运行 稳 定 、 质量可靠 、 自动化程度高 、 完全满发、 油耗低 、 维 护量小、 故障率低 、 运行成本低 、 集装箱式 、 噪音小。 但进 口瓦斯发电机组投资大 ， 备 品备件和服务相对 困难 。 据初步统计 发电效率方面， 每立方纯瓦斯 国产 瓦 斯发 电机组 发 电约 2 ． 8 k W h ， 进 口瓦 斯 发 电机 组约 3 ． 8 k W h ； 油耗、 配 件、 耗 材等直接 运行成 本 ， 国产 瓦斯 发 电机 组 在 0 ． 1 2元／ k W h左 右 ， 进 口瓦斯发 电机组 在 0 ． 0 8 元 ／ k W h左右 。 从淮南矿业集团公司的运行情况看， 虽然进 口 瓦斯发电机组的单位投资接近 国产机组的 2倍 ， 但 进 口机组具有年运行时间长、 大修间隔时间长 、 发电 效率高等突出优点 ， 因此进 口瓦斯发电机组 比国产 瓦 斯发 电机组 具有 更好 的效 益 。 3 设备结构及布置 根据瓦斯气源的稳定性及 电站服务年限确定机 组的结构和布置形式。目前可供选择的有室内固定 安装式和室外可移动的集装箱式。 对于气源稳定可靠、 服务年限长的发电站 ， 采用 室内固定式安装 ， 在设计时要充 分考虑发电机房的 通风散热 、 防爆泄爆和噪声治理问题 。 对于气源波动大、 服务年限短的发电站 ， 可采用 集装箱式结构 ， 将发电机 、 气体预处理、 电气 设备等 分别安装在设计好 的集装箱 内成套供货 ， 发 电机 的 维普资讯 1 O 工矿 自动 化 2 0 0 6年 1 O月 通风散热、 防爆泄爆和噪声治理等 问题在相应 的集 装箱设计时已经处理 ， 系统简单 、 安装快捷 、 施 工周 期短 ， 在气源不足时可根据需要方便移动 。 4 发 电机 出 口电压选 择及 接入 系统 瓦斯发电机的单台容量 较小时可采用 0 ． 4 k V 出 口电压 ， 经升压变压器升压后接入系统 ， 这样发电 站的自用电可直接取 自发电机 出 口低压母线 ， 整个 系统的保护简单 ， 综合投资省 ， 但综合运行效率低 ； 对于单 台容量大于 1 5 0 0 k W 的瓦斯发 电机， 可直 接采用 6 ． 3 k V或 1 0 ． 5 k V发电机 。 瓦斯发 电站接入矿井变电所后 ， 要充分考 虑小 电源接入后对供电系统的影 响、 矿井 的供 电安全和 瓦斯电站的安全 ， 要校核系统的短路参数、 继电保护 和有 功 、 无 功 平衡 。 瓦斯发电机的机组保护及并网同期控制一般都 由机组配套 ， 不需要另配 ， 但要考虑发电站接入系统 的保护 当电网发生电压 、 频率等故障时 ， 要 自动切 除瓦斯电站的联络线 ； 对于需孤岛运行的瓦斯 电站， 对接入系统的断路器需设准 同期合 闸闭锁 ； 不需孤 岛运行 的瓦斯电站 ， 在接入系统 的断路器设准 同期 合闸闭锁困难时， 可对接入系统的回路设无流检测， 当检测到接入系统的回路无流时 自动切除瓦斯电站 的联络线 ， 以防系统非同期合闸。 5 瓦斯 电站 的安 全 由于瓦斯极易燃 烧和爆炸 ， 瓦斯发 电工程 的火 灾危险性为 甲类， 故该类工 程的储气罐 、 进 出气阀 室、 发电机组等须按 甲类站房进 行防火 、 防爆 设计 ， 根据防爆场所 的等级要求选择相应 的防爆 电器 产 品， 并对易产生瓦斯泄漏的场所设置瓦斯气体浓度 检测报警装置。 6 需进一步解决的问题 ① 低浓度问题 由于瓦斯的爆炸极限 ， 煤 矿安全规程 要求瓦 斯利用的浓度不低于 3 O 。国外进 口机组对进气 浓度有严格 要求 ， 即不低 于 3 O 9 ／ 6 ， 否则 自动停机 。 而淮南矿业集团抽采的瓦斯 中， 浓度低于 3 O 的约 占 6 O 9 ／ 6 。对此 ， 集 团公 司采取积极措施 ， 进行 了低 浓度瓦斯发电的工业性试验并取得 了成功 ， 通过 了 有关专家对“ 煤矿瓦斯细水雾输送及发 电技术” 项 目 的鉴定。集团公司还正积极进行低浓度瓦斯提纯技 术的研究 ， 采取变压吸附等提浓技术将 浓度在 1 O ～ 3 O 的低浓度瓦斯提浓到 3 O 以上 供发 电机组 使用 ， 以进一步提高瓦斯的利用率 。 ② 余热利用问题 瓦斯发 电的燃料热值利用率只有 4 O 9 ／ 6 左右 ， 还 有大量的能量被瓦斯发电机尾部排出的高温烟气 和 发电机缸套水带走 ， 若直接排放 ， 将造成巨大的能源 浪费和二次热污染 。而利用发 电机的缸套水及烟气 余热进行供热 、 制 冷 ， 则是一 条效率很 高的利用途 径 。目前淮南矿业集团正在潘一南风井开展瓦斯发 电余热利用及井下降温工程建设。 2 井下 降温 及 热 电冷联 供技 术 淮南矿业集团在潘一矿首次利用矿井瓦斯发电 机组排出的废热进行人工制冷 ， 实现井下降温， 集资 源综合利用 、 节约和合理利用能源 、 矿井热害环境治 理于一身 。该方案的成功实施对矿井有效治理热害 具有 重要 的指 导 意义 。 2 ． 1 井下制 冷 量 的确 定 在潘一矿南风井井下降温的计算 中， 采用 德国 现行 的“ 感 觉 温度 ” 作 为井 下 温 度 衡 量 尺度 ， 如 以某 工作面实测数据 ， 分别以 3 2℃和 3 O℃感觉温度为 目标 ， 结论为 感觉温度 目标为 3 O℃时全矿井 需要 6 0 0 0 k W制 冷功率 ； 感觉温度 目标为 3 2℃时全 矿 井 需要 5 5 0 0 k W 制冷 功率 。 为了最大限度地利用瓦斯发 电机组余热 ， 确定 地面总制冷量不小于 6 0 0 0 k W， 工程分两期实施 ， 一 期制冷功率按不 小于 3 0 0 0 k W 设计， 终期按不 小 于 6 0 0 0 k W 设 计 。 2 ． 2制冷 系统 方案 发电机组余热分为两部分 一部分为发动机尾部 排出的烟气余热， 另一部分为发动机缸套冷却水。潘 一 矿南风井瓦斯发 电站现已安装 2台德 国道依茨公 司生产 的内燃 式瓦斯 发电机 组 一 期工程， 终期 为 4台 ， 单机额定功率为 1 3 6 0 k W。发 电机尾气温度 为 5 2 5 。C， 余热利用至 1 7 0 ℃时的热功率为1 7 0 0 k W， 尾气流量 潮湿 为 1 5 9 7 6 k g ／ h ； 发 电机组冷却缸套 水热功率为 1 5 4 2 k W， 缸套水流量为 1 3 3 t ／ h 。 根据溴化锂制冷机组降温特性和热源容量 ， 井下 回水 1 8℃ 先 经热 水 型溴 化锂 制 冷 机组 降 温至 1 3 ． 7 5 C， 再经烟气溴化锂制冷机组降至 5～6℃， 最 后经电制冷机组 降温至 2 ． 5℃后送至井下。3级制 冷为串联系统， 2台溴化锂机组总制冷量为3 4 5 9 k W， 电制冷 量为 6 6 5 k W， 总制冷量为4 1 2 4 k W。 2 ． 3热 电冷联供 潘 一矿南风井瓦斯发 电站利用瓦斯发 电， 所发 维普资讯 2 0 0 6年第 5期 王 勇 煤矿瓦斯发 电及热电冷联供技术研究 1 1 电能为 2 7 2 0 k W ， 接入矿井 变 电所供矿井 自用， 减 少了矿井从电网吸收的电能 ， 节约 了大量电费； 利用 瓦斯发电机排放 的尾气供烟气溴 化锂制冷 ， 将冷量 输送到井下降温， 既 回收了热量 ， 又保护 了环境 ； 冬 季不需要冷量时， 将热量送到工业广场锅炉房去供 暖。实现热电冷联供 ， 进一步提高 了瓦斯发电的热 能利用率 ， 节约了能源 。 3 瓦斯发电及热电冷联供综合 自动化控制技术 瓦斯发 电及热 电冷联供 工程是一项生产环节 多、 工艺联系紧密的系统工程 ， 主要生产环节有瓦斯 储配、 气体预处理 、 瓦斯发 电机组 、 余热锅炉及热交 换系统、 热水溴化锂制冷机组 、 烟 气溴化锂制冷机 组、 螺杆制冷机组 、 离心式制冷机组 、 井下冷煤 输送 系统、 电气系统等。为 了满足各 工艺及工艺之间的 控制配合要求， 提高整个工程 的可靠性和 自动化水 平， 需配置全站的综合 自动化控制系统 。 3 ． 1 控制 系统 结构 及控 制方 式 综合 自动化控制系统采用 由现场控制级和监控 管理级组成的二级结构 ， 由现场控制站 、 集中监控管 理站 和 系统 网络组成 。 现场控制站分 为地面系统 和井下系统两部分， 地面系统包括瓦斯储配控制站 、 气体预处理控制站、 瓦斯发电机组控制站、 余热锅炉及热交换控制站 、 热 水溴化锂制冷机组控制站、 烟气溴化锂制冷机组控 制站 、 螺杆制冷机组 控制站、 离心式制冷机 组控制 站 、 电气继 电保护系统等。地面系统 以 P L C控制器 为核心 ， 实现相关工艺控制 。井下 系统采用分散式 本安型控制器和现场控制总线 ， 对进风巷入 口前安 装的中央冷却站、 进风巷道 内及工作面冷却器 的运 行参数进行检测和控制 ， 并采用光缆对各控制站进 行通信联接 ， 将井下检测信号传输到地面监控管理 中心 站 的 主控 P L C 。 集 中监控管理站设在主控楼主控制室 内， 由主 控 P L C、 工程师站、 操作员站及相应外围设备组成， 通过工业以太网与井上下各现场控制站进行通信 ， 采集现场控制级的有效信息， 集 中监控管理全站各 生 产环 节 。 3 ． 2 控 制 功能 现场控制站根据主控 系统 的控制指令实现 自动 开停机 、 设备运行参数 自动检测及安全保 护和负荷 自动调 节 。 集 中监控管理站的主控 P L C通过工业 以太网 与井上下各现场控制站通信 ， 采集现场控 制级的相 关控制信息， 根据瓦斯气量控制发电机 的负荷 ， 根据 发电机的余热量和井下回水温度协调控制各制冷机 组 。 工程师站用于控制系统组态、 软件开发维护等 ， 正常运行时也可作为操作员站对系统进行监视和操 作 。 操作 员站用于控制系统的显示操作 ， 可直观地 显示全站 的各类重要工艺参数 和状态参数 ， 对全站 重要设备进行操作控制， 对全站的重要信息进行记 录、 打印报表等。并可通过通信接 口将相关信息上 传至上级调度管理系统。 4结 语 由于瓦斯发电和以井下降温为核心的热 电冷联 供工程为国内首创， 因此经验不多 。淮南矿业集团 公司通过对瓦斯综合利用、 特别是潘一矿 瓦斯发电 及井下降温热电冷联供工程 的研究和实践 ， 得到了 很多有价值的资料 ， 积累了比较丰富的工程经验 ， 为 煤矿瓦斯的利用决策提供 了科学的依据 。 西门子推 出全新的 2 4 V S I YOUN G 系列工业电源 西门子现推出 2 4 V S I YOUNG系列工业 电源， 德国质量标准监造， 符 合所有相关欧洲标准 ， 并 通过 了 C E认证。该系列电源金属外壳设计紧凑， 厚度仅为 5 0 mm， 可根据不同的设计空间在电源 3个不 同侧面进 行螺丝安装 ， 功率密度高， 有效地节省了客户产品设计空间， 方便客户在不同的场合使用 电源。该 电源效率 高达 9 O ， 自然冷却 ， 可在温度高达7 0。 C 的恶劣环境中使用。 该系列电源具有短路保护 、 过载保护和过热保护功能 ， 自动恢复 ， 可靠性极高， 平均无故障时间 MT B F 大于 1 1 0 。 h 。具有 2 ． 5 A、 4 A、 6 A、 1 2 A电源输出的 4种模块 ， 可确保为功率最 高达 3 0 0 W 的所有2 4 V 负载提供稳定的直流电流。模块可并机扩容或并机热备份 ， 因此 ， S I YOUNG电源几乎 通用于所 有 2 4 V应 用 。 赵海英 维普资讯