煤层气发电论文（通用3篇）
煤层气发电论文 篇1
0引言
煤层气也可以叫煤矿瓦斯。煤层气如果不加以利用,直接排放到大气中,其温室效应约为二氧化碳的21倍。利用煤矿瓦斯发电,既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件,又有利于增加洁净能源供应,减少温室气体排放,达到保护生命、保护资源、 保护环境的多重目标。
煤层气发电项目是国家资源型经济型综合配套改革实验区的重点推广项目。2006年山西阳煤集团规划煤层气发电项目90 MW,一期建设规模28.9 MW, 二期项目22 MW,总装机容量达50.9 MW,是全国装机容量较大的高浓瓦斯发电企业。
所谓的煤层气是直接从煤矿抽采至地面的混合气体,其附含有较多的水分和杂质,为了能够满足发电机组的用气要求,需要利用煤层气预处理系统对气体进行除湿、过滤及降温、升压等处理,从而满足机组的发电要求。
1预处理系统
预处理系统是瓦斯发电的一个重要环节,该系统主要由粗过滤器、精过滤器、换热器、汽水分离器、罗茨风机、阻火器及配套手动阀、电动调节阀、气动阀等设备组成。该系统不仅用于实现瓦斯的脱水、增压、过滤除杂、安全保护的功能,同时还是瓦斯收集系统与发电系统之间的桥梁,保证了整个发电系统的可行性和可靠性。
由于煤层气属于易燃易爆气体,安全是现场运行的第一要求,同时要兼顾系统的可靠性和经济性,预处理系统具有瓦斯发动机运行时要求的流量可控、压力稳定、温度适宜,其主要功能如下:1降低气体的露点温度,减少水蒸气的含量,自动排水;2降低粉尘等固体杂质的含量;3具有自动增压和超压保护功能,稳定系统气体的出口压力、温度和流量;4具有在线监测、 报警功能,能够保证系统安全可靠地长期运行。
2预处理系统分类
预处理系统根据功能的不同,可以分为以下几个子系统:
2.1过滤系统
在系统入口设置一次过滤器,可以防止换热器管路积尘和堵塞。在系统出口设置二级过滤器,可以满足发电机组对进气品质的要求。一次过滤器的滤后粒径为10μm;二次过滤器的滤后粒径为1μm。
考虑到气体压力很低、流量很大,现场使用流通面积较大的滤芯,在保证过滤精度和通流能力的情况下有较小的压力损失。过滤器前后设有压力表用来监测过滤器的压力损失。根据过滤器前后的压差变化来确定具体更换周期,运行初始过滤器前后压差≤2kPa, 当粉尘含量逐渐积累时,过滤器前后的压差将逐步加大;当压差达到3kPa时,应考虑更换过滤器滤芯;当压差达到5kPa时,必须更换滤芯。
2.2制冷系统
制冷系统产生5 ℃~8 ℃的低温冷却水,进入冷冻换热器,将瓦斯的温度冷却到15 ℃~20 ℃。瓦斯在被冷却的同时,其内部的水蒸气预冷凝结析出,被分离后排往外界。在此过程中,瓦斯中的水蒸气含量减少,绝对湿度降低,从而达到除湿的目的。
制冷系统中,制冷压缩机产生的冷冻水在循环水泵的作用下进入冷冻换热器,将瓦斯气体冷却,自身的温度升高,然后回到制冷机组,冷冻水在制冷机组内被冷却,然后再被送往循环水泵,如此循环往复。
2.3排水系统
排水系统主要由排水阀、排水管路和水封组成,是用来除去系统中产生的液态水,将水源排往系统外部。 液态水的主要来源是:瓦斯气流中携带过来的水;瓦斯气体在被冷却的过程中产生的凝结水;瓦斯气体中的液态水被管路、设备阻隔产生的滞止水。
2.4再循环系统
当系统的供气量大于发电机组的用气量且超过设定值时,再循环旁路开启,使部分气体回流到系统入口。
在自动运行状态下,当控制系统检测到出口压力高于设定值时,PLC会将再循环气动阀自动打开;当控制系统检测到出口压力低于设定值时,PLC会将再循环气动阀自动关闭。
在启动阶段状态下,当控制系统检测到风机频率低于5Hz时,PLC会将再循环气动阀打开;当控制系统检测到风机频率高于8 Hz时,PLC会将再循环气动阀自动关闭。
2.5放空系统
放空系统的启动主要有两种:一是系统管路内严重超压时,作为瓦斯气体的紧急放散通道;二是系统置换时,将管道内残余的瓦斯气体排放至系统外。在系统自动运行状态下,当控制系统检测到出口压力高于设定值时,PLC打开放空气动阀;当控制系统检测到出口压力低于设定值时,PLC关闭放空气动阀。
2.6压缩空气系统
系统中所有的气动阀均由空气压缩机的压缩空气来驱动。
压缩机产生的压缩空气先经过汽水分离器除去液态的水,然后经过一个小型的储气罐,进入水过滤器和油过滤器,分别除去压缩空气中的固态杂质、水分和油份,最后进入各用气设备。
空压机的出口压力为0.6 MPa~0.8 MPa。当压缩空气系统检测到空压机启动信号后,空压机运行,自行监测出口的压力。当出气管的压力达到0.8 MPa时,其停止运行;当检测到出口压力低于0.6 MPa时, 其自动启动补压。
2.7控制系统
预处理控制系统由可编程控制器(PLC SIE- MENS S7300)和嵌入式工控机等组成。如出现负荷自动降载,则应以预定的程序进行变频降负荷。当设备出现故障时,则断开供气管路,自动停机。该系统设有超压保护旁路,在超压情况下,旁路阀开启;如果压力持续升高,在极端情况下,设置在管路上的安全阀将自动开启。同时预处理装置会将风机转速、气体进出口压力和温度、气体出口甲烷浓度和流量、二次过滤前后差压等参数送至中控系统。
3预处理系统控制
3.1变频器控制
预处理系统参与变频系统的主要有变频器和罗茨风机。变频器根据预处理系统出口压力自动跟踪输出频率值的运行参数,此参数与预处理出口实际流量有很大关系,即当输出浓度或流量有变化时,应根据实际情况调节此值,调节时须微调此值,罗茨风机的频率不得高于50Hz。
3.2气动阀门控制
预处理系统的管路使用手动、气动一体阀门,气动阀门的开关需要有空压机、压缩气体储气罐来共同完成。压缩机利用自身运转后在系统内部形成的压力将空气增压,通过管路输送至储气压力罐体中,空压机要将储气罐内的空气压力维持至要求范围内。
3.3 PLC系统控制
预处理控制系统采用SIEMENS可编程的PLC S7300系统,系统操作如下:
(1)单元操作及罗茨风机操作。打开单元操作画面子窗口,罗茨风机图标工作状态为红色,灰色为非工作状态。开关罗茨风机必须先打开入口气动阀,打开罗茨风机,打开出口气动阀。也可以直接投自动操作, 单元会实现自动控制。投自动调节时必须确保输出压力与设定压力值之间的差值小于0.5kPa。若气动阀打不开及罗茨风机没有运行反馈信号,该单元会自动报警停机。
(2)气动阀操作。点击气动阀下边的启动或停止按钮,气动阀开始动作;关到位图标显示为绿色,开到位图标显示为红色,开动作和关动作过程中为灰色。 必须确保空压机压力大于0.45 MPa,才能操作气动阀。当单元处于连锁状态时,必须按顺序才能开启相应的气动阀和罗茨风机。
(3)调节阀操作。首先给调节阀的电磁阀送电, 调节阀图标变为绿色说明电磁阀送电,点击打开调节阀操作子窗口,开度输入“0.00%”,此时可直接双击输入数值,确定后调节阀开始动作开或关;可以点击向左、向右的三角箭头以减少和增大开度,还可以直接拖动百分标尺。调节打开或关闭正常时可以通过反馈信号的值读取;调节阀投自动运行时,调节阀操作图标按钮显示为绿色;有故障时,调节阀操作图标按钮显示为红色闪烁。
(4)制冷机组操作。进入制冷系统操作画面子窗口,点击选择启动水泵制冷机组,制冷机组则显示下班;若制冷机组工作正常,有运行反馈信号时则显示变为上班。启动制冷机时必须先启动水泵。
(5)厂房排风扇操作。进入厂房通风机操作画面,选择启动相应的通风机,启动正常时,通风机图标变为旋转;若有故障时,通风机按钮显示为红色。报警提示栏里有报警提示。
3.4预处理安全防护控制
预处理控制系统对系统入口和出口的气体压力、 温度、浓度、湿度以及环境温度、环境瓦斯浓度设置高报警、低报警、高停机、低停机。一旦系统参数超过设定值,系统会报警或自动停机。泄露仪仪表只要有一台的浓度值达到0.5%报警启动所有风机,达到1.0% 停止所有设备,达到1.5% 切断配电柜所有设备的电源。
3.5预处理系统功能的实现方法
(1)气体输送与压力、流量控制。气体流量的控制是通过对出口压力的调节来实现的。当预处理单元出口流量大于发电机组的用气量时,表现为处理单元出口压力升高。此时,PLC自动调节降低风机转速, 减少气体输送量,使压力降到正常值。反之,当发电机升负荷时,预处理单元出口流量小于发电机组的用气量时,处理单元出口压力会下降。此时,PLC自动调节增加风机转速,加大气体输送量,使压力升到正常值。
(2)湿度调节。发电机组要求的10 ℃~60 ℃的温度范围内,保证系统出口的相对湿度小于80%。由于预处理系统供气湿度较大,因此,预处理系统必须有除水工艺,另外,除湿设备在排水时要保证瓦斯不会泄漏,避免发生爆炸。
4总结
瓦斯预处理系统是保证燃气发电设备安全运行的关键环节,通过换热器、二级过滤器、罗茨风机、制冷机组等设备,在预处理各系统的控制下,对瓦斯气体进行处理并使其达到机组的用气标准。
摘要：主要介绍煤层气发电流程中的气体预处理系统及其控制系统,包括预处理系统的作业流程、主要设备功能、控制系统、技术参数等,并对其进行了详细分析和讨论。
关键词：预处理,发电厂,煤层气,系统控制
煤层气发电论文 篇2
关键词：煤层气,环境影响,噪声,NOx,节能减排
0 引言
煤层气(CBM)是在煤层中赋存的高热值非常规天然气，是优质洁净能源、重要的化工原料和在全球范围内崛起的新型能源。目前，CBM主要用于民用和工业用燃料、发电、汽车燃料、炭黑生产等，其中，CBM发电发展较快。随着国家政策的逐渐完善及CBM发电技术的日趋成熟，示范工程的经济效益初步显现，在中国已掀起了CBM发电的高潮。国家电网公司统计显示，截至2009年7月底，国家电网公司经营区域内已有江西、山西等10个省(市、区)拥有CBM发电，装机570台，总容量48.4×104kW，比2007年增加294台33.3×104kW[1]。
山西CBM资源丰富，大型煤矿较多，因此，CBM发电项目也较多。CBM发电项目的建设与营运，会产生大气、水、固体、噪声等环境方面的污染，CBM储存与输送会带来潜在的环境风险问题，也能带来很好的节能减排效益。根据《中华人民共和国环境影响评价法》，建设CBM发电项目需进行环境影响评价(以下简称“环评”)。根据CBM发电的原理，以国家的CBM相关政策为基础，以《环境影响评价技术导则》和现行标准为依据，笔者以环评实例和环境保护竣工验收资料为支撑，从CBM发电项目环评应关注的设备选型、噪声预测、NOx排放以及节能减排效益分析四方面进行论述。
1 中国政府对于CBM发电项目的政策支持
2006年中国政府发布了《关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见》，要求各部门及地方政府对当地煤矿CBM抽采利用项目给予扶持。2007年初，国家发改委将“加快煤层气(煤矿瓦斯)开发利用”纳入《煤炭工业发展“十一五”规划》中，而后又发布了《关于利用煤层气(煤矿瓦斯)发电工作的实施意见》，明确要求各级政府部门督促煤矿企业结合所在矿区实际情况制定CBM综合利用规划，并组织审查批准，引导企业合理利用能源资源。政府把发电作为CBM综合利用规划的1项重要内容，鼓励采用单机容量500 kW及以上CBM发电机组，开发单机容量1 000 kW及以上的内燃机组以及大功率、高参数和高效率的CBM燃气轮机发电机组。CBM电厂上网电价比照国家发改委制定的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》计算。这些政策充分体现中国政府对于煤矿CBM发电的高度重视及指导方向。
2 CBM发电项目的设备选型
CBM发电技术是利用煤矿抽排的CBM作为燃料发电兼供热。由于煤矿瓦斯开采的方式不同，煤矿瓦斯中CH4的浓度显著不同:a)通过地面钻井开采，采出煤矿瓦斯的CH4含量多大于90%;b)通过井下瓦斯抽放系统和地面输送系统开采，采出煤矿瓦斯的CH4浓度多在3%～80%之间，其中，高浓度瓦斯CH4浓度在50%左右，低浓度瓦斯CH4浓度低于25%;c)通过煤矿通风排出瓦斯的CH4含量一般都低于1%，称之为风排瓦斯(俗称“乏风”)[2]。
根据瓦斯的抽采量、浓度、噪声水平和经济性，合理选择CBM发电机组是CBM发电站能否正常运行的首要问题。CBM发电机组可归纳为两类，即高浓度瓦斯发电机组和低浓度瓦斯发电机组。
2.1 高浓度瓦斯发电机组选型
高浓度瓦斯发电采用的主机设备有蒸汽轮机发电机组、燃气轮机发电机组和燃气内燃机发电机组3种形式可供选择[3]。
2.1.1 蒸汽轮机发电机组
蒸汽轮机发电机组的发电效率为25%～30%，启动运行时间需1 h～3 h以上，要求瓦斯浓度不小于30%，多用于传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运行可靠。目前，以CBM为燃料的燃气锅炉仅局限在小型的工业锅炉，由于瓦斯抽采波动性较强，发电站瓦斯锅炉的应用受到限制，个别电站锅炉采用煤与瓦斯混烧技术，但辅助系统复杂，需设置2套燃料系统，占地面积大。这种装机形式不灵活，所以，目前规划的CBM发电站基本不采用这种形式。
2.1.2 燃气轮机发电机组
燃气轮机发电机组的发电效率为25%～30%，启动运行时间需6 min～1 h，要求瓦斯浓度不小于40%，可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电。目前，在以天然气为燃料的燃气电站中运行较多，系统简单，运行灵活，单机功率大，占地面积小。近年来，这种装机形式较多地应用在具有一定规模，抽采效果较好，气量和浓度比较稳定的矿区，如，2008年上半年完工运行的山西晋城煤业集团寺河煤矿12×104kW CBM发电站采用的就是燃气轮机发电机组。
2.1.3 燃气内燃机发电机组
燃气内燃机发电机组的发电效率为34%～43%，启动运行时间只需10 s，要求瓦斯浓度不小于6%，可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，已广泛应用于中国高浓度瓦斯发电站，具有系统简单，运行灵活，发电效率高的特点。与以上2种装机形式相比，燃气内燃机具有启动时间短、燃气供气压力低、对燃气浓度适应范围宽的优点，尤其能够更好适应煤层气浓度波动的情况。
2.2 低浓度瓦斯发电机组选型
建设低浓度瓦斯发电基本要求:a)按国家煤矿安全管理部门的要求安装了瓦斯抽放系统，且须正常运行;b)瓦斯抽放系统纯瓦斯抽放量在100×104m3/a左右，瓦斯浓度在6%～25%之间。满足这2个条件才能具备建设低浓度瓦斯发电站的基础。
低浓度瓦斯正好处于CH4爆炸极限浓度5%～15%的范围，所以，必须先解决CH4的安全输送难题。山东胜利集团研制的500 kW的低浓度瓦斯发电机组，填补了世界空白。该发明运用了低浓度瓦斯与细水雾混合的输送技术，于2005年12月25日通过了国家安全生产监督管理总局的鉴定。该系统主要技术点包括:a)采取水位自控水封阻火技术、金属波纹带瓦斯管道阻火技术与细水雾灭火技术的组合，起到“防火与灭火”的双重效果;b)利用连续不断地在输送管道内成雾、脱水的水循环系统。其由1个高压水泵提供动力，等距离分布的水雾发生器和1套脱水装置构成。该系统还为水位自控水封阻火器提供水源，始终保持阻火器的水位在合适高度。另外，还设置了1套湿式瓦斯压力平衡装置，将输送管道内的瓦斯压力控制在合适的压力以下，以保护瓦斯抽采泵的工作安全[4]。
2.3 高、低浓度瓦斯发电机组的区别
在发电原理方面，高浓度瓦斯发电机组是利用瓦斯点燃后产生的高温高压气体推动活塞做功;低浓度瓦斯发电机组是利用CBM爆炸推动活塞做功。在瓦斯浓度要求方面，高浓度瓦斯发电机组要求瓦斯气浓度不小于25%;低浓度瓦斯发电机组要求瓦斯气浓度在6%～25%之间。在生产工艺方面，高浓度瓦斯可储存(即存于储气柜)后用于发电;低浓度瓦斯不能储存，通过预处理系统(包括细水雾与瓦斯混合系统、阻火系统、脱水系统)处理后，直接用于发电。
以中国辐射防护研究院做过的《山西五阳煤矿低浓度瓦斯发电及余热利用节能项目环境影响报告表》为例(以下简称“五阳项目”)，拟建设2 MW瓦斯发电站，采用胜利集团生产的500GF1-3RW型燃气发电机组4台，并配套4台余热锅炉作为余热回收装置。项目瓦斯发电工艺流程图见图1。
3 CBM发电项目的噪声影响分析
CBM发电项目的噪声影响分析一般从施工期和运营期的噪声影响两方面分析，重点在运营期。噪声源主要来自燃气发电机组、汽轮机、水泵、冷却塔以及风机等设备。每个噪声源可视为点声源，结合项目厂区平面布置，按照GB 12348—2008工业企业厂界环境噪声排放标准对所有噪声源进行噪声衰减分布计算，预测CBM发电项目的噪声影响。
以五阳项目为例，项目建于南风矿井工业场地西北侧，厂址位于山西省襄垣县侯堡镇南丰村西南640 m处，东距五阳煤矿工业广场约6 km。北距襄垣县城约7 km，西距208国道约3 km。经环评现场噪声监测，单台国产500 kW燃气发电机组噪声水平达到110 dB(A)。瓦斯发电工程大部分高强噪声源集中在厂房内，主要设备的噪声水平在80 dB～110 dB(A)之间。一般采取的噪声防治措施包括:室内设备基础减振、厂房隔声;发电机房一般采用砖混结构，内墙安装吸声材料，进、出口安装消声器;锅炉排气安装消声器等。采取措施后主要设备噪声水平控制为65 dB～80 dB(A)之间。表1给出了项目主要噪声设备的噪声值与采取降噪措施后的噪声值。
项目4台瓦斯发电机组已建成并投入运行，经监测，距离项目厂址东北640 m处的南丰村噪声值为昼间47.9 dB(A)，夜间44.6 dB(A)，均满足GB 3096—2008声环境质量标准中1类标准昼间55 dB(A)，夜间45 dB(A)的要求。
综合CBM发电项目的噪声预测结果分析，一般在瓦斯发电站厂界200 m范围以外的环境敏感点(如，村庄、学校等)不会受到发电站明显的噪声影响。如果瓦斯发电站站址较小，高强噪声源距离厂界比较近，出现厂界噪声超标的情况，且距离附近环境敏感点较近，一般建议超标厂界围墙侧安装隔声屏体，降噪效果在15 dB(A)～20 dB(A)之间，就能有效地减轻CBM发电站高强噪声设备对居民的影响。
4 CBM发电项目的NOx排放分析
CBM发电项目主要大气污染为内燃机高温燃烧时产生的NOx。
4.1 NOx排放量的估算
CBM发电所采用的发电机组基本利用低氮燃烧技术(即低过剩空气系数运行和降低助燃空气预热温度等)，以减少NOx的排放。根据内燃机厂家及设计单位提供的资料，五阳项目取瓦斯气在燃气内燃机燃烧室燃烧后NOx的排放浓度为500 mg/Nm3。项目燃气发电机组燃烧纯瓦斯4.392×106Nm3/a，由此算得项目发电机组产生的NOx为21.96 t/a，排放绩效值为1.5 g/kW·h，满足GB 17691—2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法规定的中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段中Ⅲ阶段NOx排放绩效值不大于5.0 g/kW·h的要求。
4.2 NOx排放浓度的分析
一般CBM发电项目选用的内燃机采用低氮燃烧技术，设备厂家与设计单位要求控制NOx排放浓度在500 mg/m3以内，实际排放浓度能否达到500 mg/m3成为CBM发电项目的1个疑问。因此，收集了山西省阳泉煤业集团3个煤矿瓦斯发电站的竣工验收资料，根据验收监测结果找出答案。表2给出了3个瓦斯发电站的NOx排放浓度的验收监测结果。
由表2可计算出，已正常投产运行的瓦斯发电站监测的NOx排放浓度合计为333 mg/m3～418 mg/m3，能够满足500 mg/m3的控制水平，说明500 mg/m3浓度估算的NOx排放量也是可靠的。
5 CBM发电项目的节能减排效益分析
CBM发电项目属于节能减排项目。节能主要体现在余热利用;减排主要包括减排CH4量，利用清洁能源发电减排SO2量，余热利用减少燃煤产生的烟尘。
五阳项目采暖季余热回收1.2 MW，非采暖季余热回收0.3 MW，显现出可观的节能效果。
减排效益也很突出。a)五阳项目发电利用矿井纯瓦斯量(即CH4)4 392 Mm3/a,CH4密度为0.7 167 kg/m3，可算得项目减排CH4量约为3 148 t/a;b)五阳项目建设规模为2 MW，运行时间为7 500 h/a，发电量为15 000MW·h/a，以发电煤耗350 gce/kW·h计，可算得与相同发电量的燃煤电厂相比，节约标煤5 250 t/a;以单位发电量SO2排放量1 gce/kW·h计，减排SO215 t/a;c)五阳煤矿南丰风井区现有2台6 t/h的燃煤蒸汽锅炉，一用一备，作为南丰回风井的热源，锅炉采用的除尘器效率90%，脱硫效率10%，锅炉燃煤量为1 460 t/a，燃用煤质为硫分0.35%，灰分20.2%。CBM发电项目拟采用余热高温回水作为南丰回风井的部分热源，可减少用煤量393 t/a，减排SO21.98 t/a，烟尘6.35 t/a。
6 结语
CBM发电是具有良好发展前景的新兴产业，在节能减排、生态环境保护方面将发挥巨大的作用。建设与运行CBM发电项目会伴随环境问题的产生，在对其进行环境影响评价时正确抓住CBM发电项目在运营期对环境的主要影响要点，对CBM发电项目的安全开发建设和环保发展具有着积极的引导意义和监督作用。
参考文献
[1]新华网.我国煤层气发电装机容量已达48.4GkW[EB/OL].[2009-09-04].http://news.xinhuanet.com/fortune/2009-09/04/content_11996754.htm.
[2]高阳.瓦斯发电技术与节能减排[J].节能环保技术,2008(12):34-36.
[3]白红彬,杨俊辉.煤层气发电设备的比较与选择[J].中国煤层气,2007,4(2):30-32.
煤层气发电论文 篇3
为了控制煤层气的排放, 促进煤层气的利用, 保护大气环境, 缓解温室效应, 中国于2008年开始实施《煤层气 (煤矿瓦斯) 排放标准 (暂行) 》 (GB21522—2008) 。该标准规定了煤矿瓦斯排放限值以及煤层气地面开发系统煤层气排放限值。
煤层气发电集节能、环保、效益、安全于一体, 是最直接有效的煤层气利用途径。通常情况下1m3纯瓦斯可发电3.5kWh。
1中国煤层气气源的不稳定性
煤层气气源的不稳定性主要表现在以下三方面:
(1) 煤层气浓度的不稳定。一方面, 煤层气浓度随矿井、抽采方法、抽采技术和抽采阶段的不同而不同。另一方面, 受“先抽后采”政策的影响, 中国的抽采瓦斯浓度一般低于25%, 风排瓦斯的浓度一般低于2%。因此, 传统的燃烧技术对于气源浓度的不稳定尤其是低浓度煤层气就显得力不从心了。
(2) 煤层气产量的不稳定。煤层气产量随矿井和抽采阶段的不同而不同。因此, 就要求发电系统的单机功率范围要广。
(3) 煤层气抽采地点的移动性。当某个地区的煤层气资源枯竭后, 煤层气抽采地点就需要作相应迁移, 否则就需要铺设长距离的输送管线。因此, 就要求发电系统必须便于移动。
2现有煤层气发电技术
现有煤层气发电技术包括蒸汽轮机、燃气轮机和燃气内燃机发电机组, 如表1所示。
蒸汽轮机机组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。优点是对于燃料气体品质要求比较低, 只要燃气燃烧器能够承受的气体, 一般都可以适应。缺点是小机组能源利用效率很低, 移动不方便。
燃气轮机机组通过压气机涡轮将空气压缩, 高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧, 是空气急剧膨胀做功, 推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电。优点是运行可靠, 便于移动。缺点是效率较低, 而且对燃料要求较高, 燃烧系统不能很好地适应煤层气气源的不稳定性。
燃气内燃机的工作原理基本与汽车发动机相同, 燃料在气缸内燃烧, 所产生的燃气直接推动活塞做功。优点是效率较高, 便于移动。缺点是对燃料要求很高, 燃烧系统不能很好地适应煤层气气源的不稳定性。
因此, 现有发电技术不能很好地适应中国煤层气气源不稳定性的要求。
3一种煤层气发电新技术的提出
3.1斯特林发动机对气源不稳定性的适应
斯特林发动机的原理很早就提出来了, 如图1所示, 工作介质被密封在两个气缸之间。热能通过换热器或加热器由外部热源供给, 然后转化为曲柄的动能。
1.膨胀气缸;2.工作介质;3.回热器;4.压缩气缸;5.压缩活塞;6.飞轮;7.膨胀活塞
斯特林发动机是一种外燃机, 只要保证热能稳定供给, 该发动机本身不受气源不稳定性的制约。单机功率从1 kW到10 000kW, 能够满足不同气源产量的要求。斯特林发动机比内燃机少40%的零部件, 体积小, 移动方便。斯特林发动机的热效率理论上最高, 目前实际热效率完全可以与燃气内燃机媲美。
3.2多孔介质燃烧器对气源不稳定性的适应
上述分析表明, 在保证热能稳定供给的条件下, 斯特林发动机对气源不稳定性具有很强的适应能力。因此, 采用一种能够适应煤层气气源不稳定性尤其是低浓度煤层气的燃烧技术就成为问题的关键。多孔介质燃烧器无疑是首选。
首先, 多孔介质燃烧器是一种以多孔介质为载体的基于过焓燃烧理论的预混燃烧技术 (见图2) 。多孔介质有很小的着火孔和很高的热容量。因此, 这种燃烧技术对气源的不稳定性适应能力很强, 而且可以扩展煤层气的燃烧下限, 从而燃烧自由空间不能燃烧的低浓度瓦斯。
1.热电偶;2.绝热层;3.内胆;4.外筒;5.多孔介质;6.点火器;7.支架
其次, 污染物排放水平比传统预混燃烧器或扩散燃烧器低。由于多孔介质内火孔分布均匀, 而且换热系数很大, 因此使得燃烧室内温度分布较均匀, 降低污染物的生成。
最后, 热效率很高, 在相同热负荷下比本生灯式燃烧节约燃料达30%～50%。
3.3多孔介质燃烧器驱动斯特林发动机煤层气发电系统
为了突破煤层气发电技术的瓶颈, 提出一种基于多孔介质燃烧器驱动斯特林发动机系统的煤层气发电新技术。一方面, 斯特林发动机的外燃特性使得该发动机本质上不受气源不稳定性的制约, 另一方面, 多孔介质燃烧器的结构特点使其对气源不稳定性具有较强的适应能力。
因此, 通过将斯特林发动机的外燃特性和多孔介质燃烧器对气源不稳定性的良好适应能力有机结合, 可以构建一种适应煤层气气源不稳定性的新的煤层气发电系统。该系统同时具有单机功率范围广、效率高、维护简单、移动方便和污染小的优点。
4结论
煤层气发电的发展受到气源不稳定性的制约, 目前的煤层气发电方式不能很好地适应这种不稳定的要求。提出一种新的煤层气发电方式, 即多孔介质燃烧器驱动斯特林发动机系统。该系统将斯特林发动机的外燃特性和多孔介质燃烧器对气源不稳定性的良好适应能力有机结合, 构建一种适应煤层气气源不稳定性的煤层气发电系统。
摘要：提出一种新的煤层气发电方式, 即多孔介质燃烧器驱动斯特林发动机系统。将斯特林发动机的外燃特性和多孔介质燃烧器对气源不稳定性的良好适应能力有机结合, 初步构建适应煤层气气源不稳定性的煤层气发电系统。