王俊杰
(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司， 山西 太原 030001)
瓦斯的主要成分甲烷(CH4)直接排空会造成环境污染。研究表明，瓦斯的温室效应是CO2的21倍，对臭氧层的破坏是CO2的7～8倍，在全球气候变暖中的份额为15%，仅次于CO2[1]. 瓦斯充分燃烧其燃烧热值与天然气相当，充分利用既可弥补我国油气资源短缺，又可拉长煤炭产业链。目前，浓度在30%以下的低浓度瓦斯可以直接排空，如何高效利用显得尤为重要。低浓度瓦斯发电是指利用浓度8%～30%的瓦斯进行发电。低浓度瓦斯发电厂热效率可达50%～60%，是低浓度瓦斯利用效率最高的方式。低浓度瓦斯发电厂工艺系统包括:燃料供应、低浓度瓦斯内燃机机组、废热利用等部分。本文从低浓度瓦斯发电厂的工艺系统、重要设备的工作原理及应考虑的设计程序等方面进行具体论述。
燃料供应包括:低浓度瓦斯输送系统、低浓度瓦斯预处理系统、低浓度瓦斯防爆等部分。燃料供应各管段均设有放散装置，吹扫接口，吹扫气体为氮气汇流排提供的氮气[2].
1.1 低浓度瓦斯输送系统
瓦斯经过在井下收集抽取后通过管路输送到地面抽放泵站，瓦斯气源从矿井瓦斯抽采泵站水封井附近母管接入，泵站接口处瓦斯管道压力约15 kPa，工作温度为常温。接口后瓦斯安全输送母管上依次设置自动湿式放散装置、电动紧急放散装置、水封阻火泄爆装置等，然后分多趟瓦斯安全输送干管至发电区域。每趟干管上依次安装干式阻火器、自动阻爆装置、干粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置等然后汇入瓦斯安全输送混合管。瓦斯安全输送混合管末端设置电动稳压放散装置。
1) 电动紧急放散装置、自动湿式放散装置和电动稳压放散调节装置。
电动紧急放散装置采用电动蝶阀+阻火器，当电厂停运时，通过DCS控制系统主动打开电动蝶阀将多余瓦斯放散。自动湿式放散装置是一种利用水封进行超压保护的低压安全装置，适用于≤20 kPa的瓦斯管道；
当瓦斯管道超压时，水封被有效击穿，瓦斯自动放散；
为了维持水封的水位及进行本体防冻，自动湿式放散装置本身还带有自动补水及电热小循环装置。电动稳压放散调节装置采用电动调节阀+阻火器，通过调节母管末端电动调节阀用于维持母管压力，减少机组进气压力波动。
2) 自动阻爆装置。
自动阻爆装置对火焰和冲击波进行超前识别，并发出控制信号控制自动阻爆装置启动，快速阻断管道，达到切断冲击波和火焰传播通道的目的，并将爆炸产生的冲击波释放出去。
3) 水封阻火泄爆装置。
水封阻火泄爆装置是一种采用水封消焰阻火、泄爆部件释放爆炸压力的方式，熄灭由于管道瓦斯燃烧爆炸产生的火焰，从而达到将管道瓦斯爆炸控制在一定范围内的管道瓦斯输送安全保障装置[3].
4) 干粉抑爆装置。
干粉抑爆装置通过火焰传感器接收火焰信号，输入控制器，控制器触发抑爆器，抑爆器将灭火剂喷射到火焰阵面上，扑灭火焰，阻止火焰传播。
5) 干式阻火器。
煤矿瓦斯输送管道干式阻火器用于煤矿瓦斯输送管道中阻止爆燃或爆轰火焰通过。
低浓度瓦斯安全输送系统流程图见图1.
图1 低浓度瓦斯安全输送系统图
1.2 低浓度瓦斯预处理系统
根据燃机对燃料品质的要求，在每台机组进气支管上依次设置汽水分离器、降温脱水模块、回热器、初级过滤器、精密过滤器等。
1) 汽水分离器。
汽水分离器用于除去瓦斯气中的大颗粒粉尘和液态水。
2) 降温脱水模块。
湿瓦斯进入低浓度瓦斯内燃机机组燃烧，将降低低浓度瓦斯内燃机机组的效率、可靠性和寿命，因此需设置降温脱水模块对瓦斯进行预冷与脱水，使得瓦斯湿度降至饱和以下。降温脱水模块包括降温换热器(使瓦斯温度降低)、制冷机组(为降温换热器提供冷却液)、循环冷却液泵(为冷却液提供动力)以及补液箱(补充冷却液损耗)。
3) 回热器。
经过降温脱水模块后的瓦斯湿度仍为饱和，故需通过升温环节，降低瓦斯湿度，因此设置有回热器，利用缸套冷却液将瓦斯加热，使得瓦斯湿度降至80%以下，再送至发电机组使用。
4) 初级过滤器。
瓦斯中含有的杂质将降低低浓度瓦斯内燃机机组的效率、可靠性和寿命，因此在低浓度瓦斯内燃机机组前设置初级过滤器，以滤掉瓦斯中的粗大杂质。
5) 精密过滤器。
在初过滤器后设置精密过滤器，以滤掉瓦斯中残余的细小杂质，从而确保低浓度瓦斯内燃机机组的用气洁净度要求。
低浓度瓦斯预处理系统流程图见图2. 汽水分离器后瓦斯安全输送管道材料采用SUS304，其他瓦斯安全输送管道材料采用Q235. 电磁阀前设置排空放散阀。
图2 低浓度瓦斯预处理系统图
1.3 低浓度瓦斯防爆
甲烷(CH4)在常压和20 ℃温度条件下空气中的混合浓度爆炸下限是5%，爆炸上限是15%. 使用井下抽放瓦斯作为机组的燃料，由于瓦斯中CH4浓度是变化的，有些低浓度瓦斯中甲烷(CH4)浓度在爆炸区域以内，因此要做好防爆工作。
低浓度瓦斯发电机房、低浓度瓦斯的进出气阀室、油料间等爆炸危险区内的电气设备除发电机组外应采用防爆型，并有煤矿安全标志[4].
在瓦斯安全输送母管及瓦斯安全输送混合管末端等处设有放散管。在低浓度瓦斯内燃机机组启动及停运时瓦斯管道采用氮气吹扫。
在瓦斯安全输送母管、瓦斯安全输送干管上设置水封阻火泄爆装置。
在瓦斯安全输送干管、排空放散管上设置干式阻火器。每台燃机进气支管汽水分离器和降温脱水模块之间安装压力传感器、降温脱水模块和回热器之间安装火焰传感器。当燃机中的任意一台进气支管监测到火焰和压力信号时，自动阻爆装置与干粉抑爆装置启动，报警器报警、停止瓦斯供应，停燃机并打开所有放散阀。
在低浓度瓦斯发电机房可燃气体报警分为两级报警：一级报警(高限)设定值为0.5%VOL；
二级报警(高高限)设定值为1%VOL. 当达到一级报警条件时，除报警外并开启全部通风机进行通风；
当达到二级报警条件时，除报警、开启全部通风机进行通风外同时关闭燃机进口快切阀，停燃机并打开所有放散阀。
防止火源是重要的防火防爆措施，电厂运行时要严禁烟火。
预处理后的合格瓦斯通过瓦斯管道送至低浓度瓦斯发电机房或发电机组集装箱内依次经过关断阀、精密过滤器、干式阻火器、止回阀和电磁阀后，通过软连接与低浓度瓦斯内燃机机组连接。考虑到低浓度瓦斯内燃机机组对进口瓦斯参数的要求，瓦斯管道上设在线甲烷(CH4)浓度监测仪，当浓度低于9%时报警，低于8%时切断阀门，停止瓦斯供应。低浓度瓦斯内燃机机组对燃料的通常要求见表1.
表1 燃气内燃发电机组对燃料的要求表
低浓度瓦斯内燃机机组可单台运行也可多台并机运行，机组运行采用DCS控制。低浓度瓦斯内燃机机组是低浓度瓦斯发电的“心脏”；
是将瓦斯燃烧的热值转变为电能和热能的核心设备；
低浓度瓦斯内燃机机组单台全套装置主要包括：低浓度瓦斯内燃机、发电机、散热水箱、机组控制屏、燃气进气阀组以及灭火花型排烟消音器等。
现在国内外生产的低浓度瓦斯内燃机机组单机容量为100～1 500 kW，能够满足低浓度瓦斯发电厂的装机需求。单机容量越大，单价越高，但发电效率也越高，占地面积越小，NOx排放浓度越低，燃气和脱硝成本越低，运行越稳定。目前，在低浓度瓦斯发电领域已有成功运行工程中常用的机组单机容量为1 500 kW，低浓度瓦斯内燃机机组系统流程图见图3.
图3 低浓度瓦斯内燃机机组系统图
在低浓度瓦斯内燃机机组发电过程中，燃料燃烧热值中只有约40%被发电机组转化为电能，近50%的能量以废热的形式随烟气和缸套冷却液排出，废热利用是在低浓度瓦斯内燃机机组发电的同时，对机组排出的高温烟气和缸套冷却液的能量进行回收利用，所有热力主管道安装可靠的保温以减少管道散热损失，全厂热效率可达60%.
3.1 烟气废热利用
低浓度瓦斯内燃机机组排出的烟气温度高达450～550 ℃，在机组后配套废热锅炉回收机组尾部高温烟气中的废热，从而产生蒸汽或热水进行发电或供热。另外，废热锅炉排烟温度约140 ℃，若安装低温换热器，将排烟温度降至110 ℃，则还可回收低温烟气废热。废热发电系统提高了发电效率，废热供热系统保证了供热的安全性，烟气废热利用回收废热资源做到循环经济。
3.2 缸套冷却液废热利用
燃机的冷却采用封闭式冷却系统，设备各自带远程散热水箱，与燃机一对一配置，布置在集装箱顶部。发动机通过管道直接与水箱连接，水损失少。冷却水系统分为缸套冷却液冷却和中冷水冷却，均采用独立的冷却水管道。其中缸套冷却液管路，燃机出/进口温度约为90/70 ℃，通过三通调节阀与远程散热水箱及缸套冷却液板式换热器连接。每台燃机配套一台缸套冷却液板式换热器，可换取热水给工业区供热系统管网供热和瓦斯预处理系统溴化锂制冷机组提供热源。将机组缸套冷却液废热充分利用，实现热电联供循环经济运行。
低浓度瓦斯发电厂的性质通常为分布式瓦斯电厂，属资源综合利用，即利用抽放泵站抽采的低浓度瓦斯，通过低浓度瓦斯内燃机机组进行热电联供，就近供煤矿使用，多余部分则输入电网等。低浓度瓦斯发电厂的建设既为矿区的供电、供热节约大量燃煤，也给电厂带来了良好的经济效益。
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