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1、简析瓦斯发电1. 概述 瓦斯，即煤层气，其主要成分甲烷，是一种会产生强烈温室效应的温 室气体，其温室效应约为二氧化碳的 21 倍。我国煤层气资源十分丰富， 根据最新一轮资源评估结果， 我国埋深 2000 米以浅的煤层气资源量达 31.46 万亿立方米，相当于 450 亿吨标煤，350 亿 吨 标油，与陆上常规天然气资源量相当。是世界上继俄罗斯、加拿大之后 的第三 大储量国，占世界排名前 12 位国家资源总量的 13%。瓦斯爆炸是煤矿事故的主要原因之一，煤层气直接排入大气可对大气 环境 造成严重污染，目前每年有超过 150 亿立方米的瓦斯空排，污染环境、 浪费资 源。建设瓦斯发电站，对煤层气资源
2、充分开发利用，不仅可以变废 为宝、变害 为利，还可以“以用促抽、以抽保用” ，进一步加大煤层气抽采 利用力度，强 化煤矿瓦斯治理，减轻煤矿瓦斯灾害；在煤矿建立瓦斯发电 站，将原来排掉的 瓦斯和井下水利用来发电、供热，可变废为宝，节约资 源，也贯彻了国家发展 循环经济的国策，促进了企业建立循环经济体系， 保障了企业的可持续发展。我国从 80 年代，就开始了对瓦斯发电技术的研究，到 2005年底，全 国 瓦斯发电的总装机容量已达到 9 万千瓦，而规划或正在实施的瓦斯发电 项目装 机容量接近 15 万千瓦。2. 瓦斯发电工艺根据对现有的瓦斯发电厂运行情况的调查，现阶段瓦斯发电技术成熟 的工 艺有：1
3、）燃气锅炉带蒸汽轮机发电2）燃气轮机发电3）燃气内燃机发电2.1 燃气锅炉带蒸汽轮机发电燃气锅炉带蒸汽轮机发电为传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运 行可 靠，它是采用锅炉来直接燃烧燃气，将燃气的热能通过锅炉内的管束把水转换为 蒸汽，利用蒸汽推动蒸汽轮机再驱动发电机发电。系统的主要 设备是燃气燃烧器、 锅炉本体、化学水系统、给水系统、蒸汽轮机、冷凝 器、冷却塔、发电机、变压 器和控制系统，工艺流程比较复杂。优点是： 对于燃料气体要求比较低，只要燃 气燃烧器能够承受的气体，一般都可以 适应，需要的燃气压力较低，因而燃气处 理系统比较简单，投资少；缺点 是：工艺复杂，建设周期比较长，必须消耗大量
4、的水资源，占地比较多，管理人员也比较多，能源利用效率较低，通常不到 20。在某些以天然气为燃料的电厂选用这种形式， 但燃气锅炉采用瓦斯为 燃 料，目前仅局限在小型的工业锅炉，由于受到瓦斯抽采的波动性强的 影响，大 型的电站瓦斯锅炉的应用也受到限制，个别电站锅炉采用煤与 瓦斯混烧技术， 但辅助系统庞大、复杂，需设置两套燃料系统，占地面 积大。这种装机形式发 电效率低，启动时间长，不灵活。所以目前规划 的瓦斯电站基本不采用这种装 机形式。2.2 燃气轮机发电燃气轮机是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它是从飞 机喷 气式发动机的技术演变而来的。其主要结构有三部分：燃气轮机（透平或动力涡轮）
5、；压气机（空气 压缩机）；燃烧室其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室， 同时气体燃料也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生 成的高温 高压烟气进入燃气轮机膨胀作功，推动动力叶片高速旋转，驱动 发电机发电。 燃气轮机具有效率高、单机功率大、体积小、运行成本低和 寿命周期较长等优 点；后面可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，虽使 系统复杂，加大占地面 积，但可大大提高燃气的利用效率。目前，在以 天然气为燃料的燃气电站中， 基本采取这种燃气轮机的燃气 - 蒸汽联合 循环发电形式。由于燃气轮机要求的进气压力高，当井下抽排的瓦斯加压到燃气轮 机要求的 0.9MPa 时
6、，温度可升至 160C ，根据清华大学提供的美国矿山 局制定 的瓦斯中甲烷体积百分数爆炸极限的公式计算表明， 此时要求瓦斯 的安全极限 应为甲烷体积百分数大于 39%，考虑输送安全裕量 1.2 ，这就 要求矿井抽排瓦 斯中甲烷的体积百分数要大于46.8%以上，并且要求浓度稳定，连续。虽然可以采用中间冷却，但这将大大增加辅助系统的复杂 程度。2004 年以前，以矿井瓦斯为燃料的电站主机，大都采用燃气轮机， 仅限 制在抽采瓦斯浓度高的矿井，由于井下瓦斯抽放系统抽采的瓦斯中 甲烷的体积 百分数变化范围大，会随着工作面的推进，煤层的不同和出 煤量的变化而变 化，但这些机组受瓦斯抽采浓度的波动的影响，会
7、经常 因为瓦斯中甲烷的体积 百分数达不到安全要求，而不得不时开时停。因 此，近年来这种装机形式的应 用也逐渐减少。2.3 燃气内燃机发电随着瓦斯发电技术的发展，燃气内燃机开始作为瓦斯发电的主要设 备，其 具有系统简单、运行灵活、发电效率高、启动时间短、燃气供气 压力低、对燃 气浓度适应范围宽的特点；后面也可加余热锅炉带蒸汽轮 机联合循环发电，虽 使系统复杂，但可大大提高燃气的利用效率。尤其 是这种机组要求进气压力低， 3 20kPa 即可，适用瓦斯浓度范围广，甲 烷的体积百分数在 6%以上均可利用，这使得燃气内燃机在瓦斯发电方面 获得 了越来越广泛的应用。为了提高能源利用率，燃气内燃发电机组从
8、 最初的简单 燃气循环发电，发展到燃气蒸汽联合循环发电，现在又逐 步向联合循环发电 加热电冷联供系统发展。燃气发动机联合循环装置由燃气内燃发电机组和余热发电机组组成。 燃气内燃发电机组发电的工作原理是： 空气经过滤清器过滤， 进入涡 轮增压器增 压， 导入内燃机气缸内的混合器， 瓦斯经过压力调节阀也进入 混合器，两者 混合后，通过电子点火爆燃做功后，推动活塞移动和曲轴 转动，产生动力，带 动发电机，再由发电机将动力转换成电能，经输变 电装置输出。为了保障内燃机和发电机两大主机的正常运行，必须配备燃气储存、 加压和处理系统、循环冷却系统、润滑油系统、电气系统、控制系统等 辅助系统。由于内燃机气缸
9、内的核心区域工作温度可以达到1400C，使其效率大大超 过了蒸汽轮机，甚至燃气轮机。燃气内燃机最突出的优点正是发电效率比 较 高，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体中的粉尘要求不高，基本 不需 要水，设备的单位千瓦造价也比较低。余热发电机组的工作原理是：燃气内燃机做功后的尾气导入余热锅 炉，回 收热量，产生过热蒸汽，推动汽轮机组发电，实现燃气蒸汽联合 循环发电。由于燃气发动机单机功率小，需要多台燃气发动机的尾气通过母管 集合输 向一台余热锅炉，多台余热锅炉的蒸汽通过蒸汽母管输入一台蒸 汽轮机。余热发电的热力系统与传统火电汽轮发电机组相同，包括主蒸汽系 统、主给水系统、回热系统、凝结水系统、
10、疏水、放水系统等。此外， 余热发电系统还包括化学水处理系统、循环水系统、电气系统、控制系 统等辅助系统。燃气发动机的缸套冷却为闭式内循环， 机组缸套水散热也可利用来作 为采暖热源，通过热交换器可以提供采暖用热水。2.4 瓦斯发电各装机形式的比较瓦斯发电二种装机形式各项指标见表 1 表 1 瓦斯发电装机指标表机组型式燃气内燃发电机 组+余热锅炉+蒸 汽轮机发电机组燃气轮机发电机组+余热锅炉+蒸汽轮机发电机组燃气锅炉+蒸 汽轮机发电机 组发电效率（）34 4325 302530全厂综合效率（）45 9040 9030 70启动时间10s6mi n-1h13h对瓦斯浓度要求上大于40%-大于30%千
11、瓦造价（兀/kW）500052004600辅助系统简单复杂复杂燃料供应压力低压中压低压占地面积小较大大比较来说作为热电联产的一种原动机，燃气内燃机是一种经过实践 检验 的、非常成熟的设备，成套模块化的机组使系统效率优化、设计安 装简单、运 行管理自动化程度高。由于井下瓦斯抽放系统抽采的瓦斯浓度变化范围大， 会随着工作面的 推进，煤层的不同和出煤量的变化而变化，采用燃气内燃发电机组能够 提高瓦斯的利用率和发电效率，能更为灵活的适应瓦斯浓度波动的情况。3.结论综上所述，瓦斯发电的主机设备宜首选燃气内燃发电机组。近年来， 在国 家加大矿井瓦斯抽米利用的各项优惠政策的扶持下， 各地瓦斯发电项 目纷纷建设投产，大部分是以燃气内燃机为原动机的。以上三种电站工艺以燃气内燃机+蒸汽联合循环发电系统效率最高， 同时 如果能利用缸套水的热量来集中供热、制冷，则电站的综合效率将达 到 90%在 有条件的地方应优先采用，这也是目前瓦斯发电技术的发展方向。
