瓦斯发电扩建工程项目设计探究

瓦斯发电扩建工程项目设计探究

摘要:羊东矿随着矿井深部开采,原有的瓦斯发电能力满负荷运行,仍有大量浓度瓦斯,对环境带来危害。为此,羊东矿在原有电站的基础上进行了扩建,采用烟气预热利用技术,高低浓瓦斯混合技术,最优化选择扩建机组,提高瓦斯利用率技术,增加了洁净能源供应、减少温室气体排放,为煤矿企业带来了可观的经济效益。

关键词:瓦斯发电;电站扩建;性能对比;自动化控制

煤矿利用抽采瓦斯燃烧发电所发电力可以不用架设高压输电线缆,不用购置变压器,而直接输送到矿内生产电网,可以有效地防治了煤矿瓦斯爆炸事故,改善矿工的工作条件,又增加了洁净能源供应、减少温室气体排放。

1项目简介

冀中能源峰峰集团有限公司羊东矿是一座现代化国有煤炭企业,是峰峰集团下属的骨干煤炭生产矿井。根据矿井的煤炭储量和瓦斯的抽采量,2010年羊东矿投资建设低浓度瓦斯机组发电站一座,总装机容量2500kW,年发电量1000万kWh,一定程度上解决了羊东矿瓦斯排空所带来的环保问题和困扰煤矿安全的瓦斯爆炸问题,带来了可观的经济效益。随着矿井深部开采,瓦斯量增多,现有的瓦斯发电能力满负荷运行,仍有大量浓度瓦斯放散,无法对所抽采的瓦斯充分利用,为此,依据羊东矿未来的发展规划,结合现有瓦斯发电站场地情况,本着合理投资,最大限度利用气源的原则,经反复调研论证,决策新增两台8300D/Wd-2(700kW/6300V)型低浓度瓦斯发电机组,以提高瓦斯利用率。该扩建项目建成后,所发电力直接并入羊东矿地面变电站输送到矿内生产电网,供煤矿内自身生产使用,可以有效促进煤矿井下瓦斯抽采,保证安全,又有效利用低浓度瓦斯生产洁净电能,保护环境,实现节能减排,增加企业的经济效益。

2设备选型

发电设备的选型是项目成败的关键因素,羊东矿在多种机型中选择了12V190机组、8300机组两种机型,对低浓度瓦斯发电应用性能上进行了详细对比。

2.112V190涡轮增压机组

该机型采用的是废气涡轮增压技术。废气涡轮增压机组主要由涡轮机和压气机两部分组成,以及主轴及密封系统、润滑系统、冷却系统和隔热器等装置。设备采用电动马达启动,瓦斯气在气缸中燃烧后排出的高温高速的废气经排气管供入涡轮机推动涡轮旋转,涡轮再带动与它同轴的压气机叶轮旋转。压气机压缩吸入的空气,将提高了压力的空气供入气缸,从而达到增压的目的。12V190涡轮增压机组利用废气进行增压,压比可达到2以上。燃气进气压力高,密度大,动力能力强,同时效率相比非增压发动机提升5%~8%,发电效率可达36%~38%,可适应的瓦斯甲烷含量更低,在甲烷含量8%时仍可稳定输出。该机型随机配置了水冷却器、油冷却器和预供油泵,并且全部安装于机组本体,不占用其它空间。另外,机型控制自动化程度较高,能够实现运行全工况自动控制和自动并网及加载。但是,当瓦斯压力或瓦斯浓度过低时,易造成增压器漏油,控制单元的启动频繁,运行维护成本较高。在机组安装一个增压器及中间冷却器,加大了增压器投资。

2.28300机组

8300机组机型为无增压机组,优势是比增压机组减少了增压器及中冷器,不存在这两个故障点和维护费用。单机功率大,运动部件工作频率小、维护周期长,机组使用寿命长,减少备件维护费用和运行成本。机型缺点。自然吸气,燃气能量密度低,特别是高负荷运行能力较差,废气直接排放,排温高,发电效率较增压机组要低。同时,非增压发动机在燃烧室压缩点火时压力低,不适应甲烷浓度低的瓦斯,甲烷低于10%时无法稳定输出功率。机器笨重,气缸直径大,自身电耗和机油消耗高,检修难度大。该机属于常规设备,自动化程度较低。因其采用压缩空气启动,需要另设空压机及储气罐;冷却器、预供油泵均为外置设备,增加了占用空间。

2.3淄柴8300型低浓度瓦斯发电机组

8300机组是淄柴在成熟产品300型船用柴油发电机组的基础上,重新设计出来的。它针对国内煤矿普遍存在的低浓度瓦斯气源压力和浓度波动性大、含水量高的特点,对供配气、电控等系统进行了一系列专业化的开发、改进和优化,采用了国际上先进的空燃比控制技术和精确点火控制模块,是为低浓度发电机组量身定做的一个新机型。该机型将原来船用柴油机发电的最大额定功率1200kW,降低到700kW,设定功率为使用低浓度瓦斯发电留有较大的储备空间,使机组长时间运行时的机械热负荷更低,可靠性更高,长期运行功率输出持续、稳定,淄柴8300型低浓度瓦斯发电机组是适合羊东矿电站扩建的机型。

3电站的扩建工程的设计要点

电站的工程设计要严格按照《煤矿安全规程》、《建筑设计防火规范》、《工业企业总平面设计规范》、《煤矿瓦斯往复式内燃机发电站安全要求》等标准和规范进行。(1)生产和生活区域的平面布置。根据站址位置、场地所需面积,站区平面布置既要满足工艺要求,又要符合防火防爆的安全要求,同时还要兼顾办公区宿舍区的位置安排,以创造良好的生产生活环境。(2)燃气进气系统。根据《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》(AQ1076—2009)的要求,低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计时遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多级防护、确保安全”的基本原则。瓦斯管道输送管安设阻火泄爆、抑爆、阻爆三种不同原理的阻火防爆装置。阻火泄爆装置选择水封阻火泄爆装置,抑爆装置选择细水雾输送抑爆装置,阻爆装置应选择自动阻爆装置。(3)排气系统。发电机组排烟温度为600℃左右,排气系统所有部件均需选用耐高温材料。排气系统包括排气管、波纹膨胀节、消音器、消音器支架等部件,每台机组由排气口排出的高温烟气经过消声器排入大气。(4)冷却水循环系统。发电机组冷却水循环系统由玻璃钢冷却塔、电动水泵等组成。根据瓦斯气发电机组的性能要求,发电机组冷却系统分为高、低温两个循环系统,高温循环使用软化水,主要是冷却发动机机体、缸套、气缸盖等部件,与低温循环在换热器中交换热量。低温循环的主要作用是通过换热器把从高温循环得到的热量通过冷却塔传递到大气。(5)电气系统。设计范围包括发电机配套机旁柜、发电机集控柜、高压开关/互感器柜、机组监控系统等。实现对油温、水温、机组功率、排温、燃气压力等机组运行参数的实地检测及显示。集控柜、高压开关/互感器柜分别布置在低压配电室及高压配电室,集控柜能够实现机组报警参数显示、机组运行参数、电网参数显示、合闸并网功能、有功和无功调节功能。高压开关/互感器柜主要是实现对发电机组进行测量、控制和保护,同时还具有低电压、过电流、逆功率、过负载、过电压、低周率、逆功率、零序等保护功能。

4发电站的自动化监控

发电站监控系统由上位工控机组与下位机组监控系统子站组成。上位机与下位机通过工业以太网交换机将数据打包后通过ADSL、GPRS等DTU设备连接,上位机与下位机的联系以Web方式进行。通过上网卡能够实现上位机与远程PC机无线通讯,远程PC机与下位机无线通讯从而达到对机组远程监控。(1)监控系统的功能。一是实现发电机组水温、油压、排温、转速、功率、电压、油温、电流、功率因数、频率、累计发电量、机组累计运行时间等全部参数的自动采集、显示、记录、报表打印功能。二是实现对燃气发电机组的超速、油压低、油温高、水温高、缸温高、排温高等的保护与控制功能。三是实现启动过程的控制,发动机启动时,当发动机转速到达设定的转速时系统发出启动动作,如果启动失败,转速低于设定的动作转速时,则发出紧急停止动作,燃气蝶阀和电磁阀自动关闭。(2)机组的监控参数。发电机组监控系统监控参数包括机组的全部油温、油压、转速、水温;所有气缸的排温;发电机的电量参数:三相电压、三相电流、有功功率、无功功率以及机组频率和功率因数。瓦斯气进气温度、进气压力等参数。(3)监控参数相关电气元件。机组油温、油压、转速、水温、排温参数通过RS485接口实现,以监控仪与PLC通讯的方法实现参数采集;电机的电量参数通过电量模块实现;瓦斯气温度测量选取温度传感器,机组瓦斯气压力选择压力变送器。对机组重要参数进行上下限报警设置,对机组各缸排温参数进行上限设置,起到报警和保护作用。(4)系统的上、下位工控机组及其连接。中控室设1台监控计算机,对2台机组进行监控。下位系统控制站通过通讯和模拟量信号采集集装箱式燃气内燃发电机组的各项运行参数和数据,下位系统控制站还和机组低压控制柜通过IO相连,控制机组的启动、停机、调速、调压、合闸并网等操作。(5)多机控制的同步与协调。各PLC通过工业以太网进行实时的数据交换,多机系统中除了基本的控制操作与数据采集之外还存在一个同步和协调的问题,上位机可以对下位各站点的工作方式及协调方式进行设置,但各站点的底层的控制与协调是通过PLC内部程序来实现,而不是靠工控机或组态系统。这一方面是因为PLC的可靠性要高于工控机及组态,另一方面PLC之间通过交换机直接进行通讯可以极大地提高通讯速率。为解决主从控制问题,在PLC编程时会在程序中加入自适应选举程序,无论系统有几个子站,总有一台PLC(主控PLC,它可以由选举程序自动产生或由上位机指定)对全部的子站进行统一协调,负责向整个系统发出轮换、投切、并机等协调指令,保证系统安全、可靠地运行。

5结语

羊东矿低浓度瓦斯利用扩建工程项目已于2015年11月25日竣工投产。标志着煤矿瓦斯综合利用的全面启动。彻底解决煤矿瓦斯排空造成的能源浪费和环境污染,对加大矿区瓦斯抽采利用,发展循环经济,实现节能减排,促进安全生产,保护生态环境将起到积极的示范作用。运行至今,实际年消耗纯瓦斯312万m3;2台700kW瓦斯发电机组,年发电量近1000万kWh,取得了良好的经济效益与社会效益。

参考文献:

[1]章素华,孙长生.燃气轮机发电机组控制系统[M].北京:中国电力出版社,2013.

作者:刘冀川 单位:冀中能源峰峰矿业集团有限责任公司