燃气发电设备的比选

中国煤层气资源存储丰富。近几年来，随着国家对煤层气(瓦斯)利用的有关优惠政策的出台和完善，企业对利用煤矿井下抽放的瓦斯进行发电的积极性高涨，但由于井下瓦斯抽采的浓度和产量会随着抽采方法、地点和方式的不同而变化，这就要求瓦斯电站的主机设备有较强的适应性和灵活性。目前，世界各国对因瓦斯浓度、瓦斯压力以及主机设备应用场所等条件的限制而研制和开发的燃气设备技术成熟，运行稳定、可靠。

1燃气发电设备的类型

燃气发电设备主要有以下四种类型:燃气轮机(航空飞机发动机改造);燃气内燃发电机组;氧化装置;微型燃气轮机。

1.1燃气轮机(航空飞机发动机改造)

燃气轮机的工作原理是瓦斯在燃烧室内与经过空压机压缩后的空气混合燃烧，燃烧生成的高温烟气在燃气轮机中膨胀做功，一部分用于带动压缩机工作，另一部分用于发电机发电，做功后的高温乏气可以通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发电，形成燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可大大提高。利用燃气轮机发电，具有单位功率重量尺寸小、运行平稳、机组功率大、转速高、轴系运行噪音小等优点，但该机型对瓦斯浓度和压力要求高，燃料热值比较稳定。由于瓦斯浓度波动较大，会随着煤层开采后期浓度有逐渐下降的趋势等因素的影响，故燃气轮机在此状况下的应用会出现频繁开机和停机的现象。

1.2燃气内燃机发电机组

燃气内燃发电机组的工作原理为利用瓦斯在机体内燃烧，推动汽缸活塞移动做功，带动发电机发电，做功后的高温乏气可通过余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，提高发电效率。该机组具有对燃料要求低，系统简单，运行灵活，发电效率高，建设周期短等特点。尤其是该机组要求瓦斯进气压力低，仅为3 kPa ~35 kPa ，瓦斯浓度范围广，浓度8%以上即可利用，这使得燃气内燃机发电机组在瓦斯发电方面获得了越来越广泛的应用。该机组是一种技术成熟的设备，具有集成度高，设计安装简单、运行管理自动化程度高等特点。与燃气轮机发电形式相比，具有启动时间短、燃气压力低、对燃气浓度适应范围宽的优点。

目前在中国运行或安装的燃气内燃发电机组分国产和进口两种。国内的生产厂家主要有山东胜动集团、济南柴油机股份有限公司、常州柴油机股份有限公司等，单机容量为500 kW~700 kW机组，单机容量大的发电机组也在工业性试验阶段。国外的发电设备厂家主要有美国卡特彼勒公司、奥地利颜巴赫公司、德国道依茨公司、日本三菱重工等。单机容量为2 000 kW~4 000 kW机组。

从国内使用燃气内燃发电机组情况可知，国产机组与进口机组都有成功运行的样板。与国产机组相比，进口机组单机容量大，发电效率高，年运行时间长，占地面积小，但对瓦斯浓度要求30%以上，同时设备价格高，订货时间长，初投资很大。国产机组虽发电效率不抵进口设备，但其对燃气的品质，供气压力的要求很低，更适应瓦斯抽采量和浓度有波动的情况，而且造价大大低于进口机组，供货时间短。

1.3氧化装置

在煤矿开采过程中，瓦斯排出量的约70%是通过煤矿通风瓦斯(也称乏风)排出的，乏风中甲烷含量浓度在0.10%~0.75%之间，而乏风中甲烷浓度常受到井下煤层气含量、煤炭开采、通风量等因素的影响，导致甲烷浓度变化范围较大，所以一直对空排放，造成了巨大的能源浪费和环境污染。之后虽有一系列已经被开发出的乏风利用技术，但只有热氧化技术可以在合理的成本投入下带来显著的减排效果。

在中国山东胜动集团研究完成的氧化技术是目前国内唯一通过现场工业性试验的技术成果，在可利用乏风浓度、氧化控制、热量利用等方面取得了突破性进展，其单台处理量60 000 m3/h氧化机组已被广泛应用。

1.4微型燃气轮机

微型燃气轮机是一种新发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为30 kW~1 000 kW之间，其基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环。微型燃气轮机与常规发电装置相比具有以下优点：环保效果好、结构简单、维护少、发电效率高、运行模式灵活、适用于多种燃料等优点。鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃气轮机的技术特点及其优越性，微型燃气轮机相信将在中国得到广泛的重视与应用。以下是部分微型燃气轮机的主要技术参数。

2工程实例分析

2.1泓翔煤业瓦斯电站燃气发电设备的比选

泓翔煤业矿井属高瓦斯矿井，目前采用高负压和低负压两套抽放系统，高负压系统抽采纯量为7.2 m3/min，抽采浓度为40%;低负压系统抽采纯量为10.8 m3/min，抽采浓度为15%。

根据矿井抽放瓦斯的参数及国内外瓦斯燃烧技术现状，本瓦斯发电工程主要选用燃气内燃发电机组。根据抽放的瓦斯气量和浓度，若选用进口机组，则只能利用高负压抽放系统抽放的瓦斯7.2 m3/min(CH4浓度约为40%)，而低负压系统抽放的瓦斯10.8 m3/min(CH4浓度约为15%)只能排空，不仅浪费资源，还污染大气环境，故采用国产机组，将两套抽放系统抽放的瓦斯混合后加以利用，装机方案定为6×500 kW燃气内燃发电机组+6×0.35 t/h余热蒸汽锅炉。本项目建设符合国家产业政策，即有较好的社会环境效益，又可申请CDM资金补贴，获得一定的经济收益，可谓一举多得。

2.2大宁煤矿瓦斯电站燃气发电设备的比选

大宁矿井属高瓦斯矿井，于2002年建立了永久矿井瓦斯抽放系统，年抽放纯瓦斯1.47×108 m3，除主要供丰润瓦斯电厂20台500 kW国产瓦斯发电机组和大宁煤矿供热锅炉使用，年用气量为4.81×107 m3，另剩余9.90×107 m3瓦斯排入大气，瓦斯利用率仅32.7%。抽采的瓦斯中，甲烷(CH4)占50.56%，氧(O2)占8.87%，氮(N2)占40.37%，二氧化碳(CO2)占0.2%，低热值为18 027.37 kJ/Nm3。结合该矿富裕瓦斯气量及浓度、场地、道路、水源等条件，确定建设8×4 MW燃气内燃发电机组配4×4.38t/h余热锅炉+3 MW组合快装凝汽式汽轮发电机组。燃气内燃发电机组选用目前世界上单机容量最大(4 MW)的德国道依茨燃气机组，仅在波兰有两台同类型机组运营，余热锅炉产生的蒸汽拖动常规蒸汽轮机发电机组进行联合循环发电，是迄今为止我国瓦斯发电单机容量最大、发电模式最完善的瓦斯联合发电电站，全厂发电热效率达45.66%。本项目是“清洁发展机制”即CDM机制获得国家批准的项目之一，每年可减排5.37×104 m3瓦斯，相当于8.83×104 t标准煤，减排CO2当量87.1×104 t，将获得碳减排收益6 000×104元。因此，本项目的建设充分利用了大宁煤矿井下抽放的富余瓦斯，减少了温室气体排放，变废为宝，提高了井下生产安全，产出了大量的电力，符合国家可持续发展方针战略，为瓦斯综合利用及其可持续发展起到了示范作用。

3结语

煤矿瓦斯发电在一定程度上改善能源结构，实现“以利用促抽采，以抽采促安全”的煤矿良性循环发展，在抽放站附近建立电厂，实现“就地发电，就地使用，多余上网”的模式，缓解区域性电力短缺，提高煤矿企业生产效益。具有安全、环保、节能的显著特点，同时经济效益和社会效益也十分明显。