低瓦斯浓度发电技术Word文件下载.docx

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1.2.6管道上细水雾发生器安装数量计算 5

1.2.7成雾水量计算 5

1.2.8安全输送管道的基本规定 5

1.2.9输送管道安全要求 6

1.2.10地面瓦斯排空 7

1.3控制系统 8

2瓦斯发电 8

2.1瓦斯发电的技术难点 9

2.2煤矿瓦斯发电关键技术 10

2.2.1等真空度膜片混合技术 10

2.2.2文丘里电控混合器混合技术 10

2.2.3双蝶门混合器电控技术 10

2.2.4瓦斯低压进气混合技术 10

2.2.5低压大流量先导调压控制技术 11

2.2.6TEM电子管理技术 11

2.2.7瓦斯阻火技术 11

2.3煤矿低浓度瓦斯发电技术 11

2.3.1低浓度瓦斯发电条件 11

2.3.2瓦斯发电机组主要技术特点 11

2.3.3低浓度瓦斯发电技术的安全性 13

3燃气发动机组对燃气的要求 15

3.1机组对煤矿瓦斯的要求 15

3.2机组对沼气的要求 15

3.3机组对天然气的要求 15

3.4机组对焦炉煤气的要求 16

3.5机组对发生炉煤气的要求 16

3.6机组对秸秆气的要求 16

3.7机组对油母页岩气体的要求 17

4济柴1100GF-WK2型瓦斯发电机组经济效益分析 17

4.1一般参数 17

4.2单台瓦斯发电机组运行经济效益分析 18

4.3 结论 19

5煤矿瓦斯往复式内燃机发电站安全要求 19

5.1放散管 19

5.2瓦斯预处理区 19

5.3站址选择 19

5.4瓦斯电站总平面布置要求 20

5.5瓦斯电站建（构）筑物防火及安全疏散 20

5.6发电机房通风 22

5.7瓦斯电站排烟 22

5.8电气系统 22

5.9防雷、防静电和接地 23

5.10 噪声 23

5.11 消防 23

5.12 通讯 24

5.13 监控 24

5.14 标志 24

6运行安全要求 25

6.1组织机构与人员管理 25

6.2安全管理制度 25

6.3应急预案 25

1瓦斯抽放技术

1.1抽放瓦斯的目的和意义

煤矿瓦斯是指储集在煤层中的一种非常规天然气（其主要成分是甲烷），是在煤矿采煤过程中自动散发出来的一种有害气体，无色、无味、易燃、易爆。

当空气中甲烷的体积分数达到5%～16%时，遇明火就会发生爆炸。

瓦斯是煤矿的“安全杀手”，但同时瓦斯也是一种洁净能源，有较高的利用价值，被称为“第二煤炭资源”。

为了减少和解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，利用机械设备和专用管道造成的负压，将煤层中存在或释放出的瓦斯抽出来，输送到地面或其他安全地点的做法，叫做瓦斯抽放。

简单说来，抽放瓦斯的目的就是为了减少和消除瓦斯威胁，保证煤矿生产安全。

其重要意义主要有以下3点。

1）抽放瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量，从而可减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，是保证安全生产的一项预防性措施。

2）抽放瓦斯可以减少通风负担降低通风费用；

还能够解决通风难以解决的难题。

3）煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源，将瓦斯抽出来送到地面作为原料和燃料加以利用，“变害为利”、“变废为宝”，可以收到节约煤炭、保护环境的效果和可观的经济效益。

1.2瓦斯气体的输送

正常情况下，浓度较高的瓦斯在抽放和输送过程中，一般不会发生爆炸事故。

但当井下抽放系统被破坏、管路积水堵塞或损坏进氧，管内瓦斯浓度降低时，遇有火源即可能导致瓦斯爆炸，也可能由于突然停泵、机械故障抽放失常或地面放空管受雷击起火而发生回气、燃爆等事故。

因此，《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》规定，干式抽放瓦斯机吸气侧管路系统中，必须装设“三防装置”，并定期检查，保持性能良好。

目前通常采用的三防装置按其结构大致分为：

水封式（如图1所示）、铜网式（图2所

22/25

图1、水封式防爆炸防回火装置

1-进气管；

2-箱体；

3-排气管；

4-注水管；

5-水；

6-安全盖（胶皮板制作）；

7-放水口；

8-玻璃管水位表；

示）、板片式、卵石式和多能式等几种型式。

图2、铜网式防爆炸防回火装置

1-挡圈；

2-铜丝网；

3-活法兰盘接头；

1.2.1湿式液位自控水封阻火技术

水位自控水封阻火的基本原理是，当火焰通过水层时，火焰与水接触，能量被水吸收，化学反应的自由基减少并消除。

水位自控水封阻火防爆器采用雷达监测水位和计算机自动控制，当水位低于设定下限时自动补水，当水位高于设定上限时自动放水，从而维持水位在设定的安全高度，保证阻火防爆器可靠工作。

水位自控水封阻火防爆器构成如图1所示。

水位自控水封阻火防爆器主要用于低浓度瓦斯输送。

1.2.2瓦斯细水雾灭火技术

1）细水雾灭火机理如下：

冷却。

细水雾颗粒直径越小，相对表面积越大，受热后更容易汽化。

在汽化过程中，从燃烧区吸收大量的热量，使燃烧区温度迅速降低，当温度降至燃烧f临界值以下时，热分解中断，燃烧随即终止。

稀释。

火焰进入细水雾后，细水雾迅速蒸发形成蒸汽，由液相变为气相，气体急剧膨胀，比表面积膨胀约1760倍，最大限度地使燃烧反应分子在空间上距离拉大，抑制火焰传播。

细水雾有3种形成方法，一种是高压水在喷嘴处形成旋转流，喷出后扩散，形成水雾；

另一种是水由高压空气进行引流混合，喷出后膨胀形成水雾；

第三种方法采用高压水流喷出后高速碰撞硬壁，溅射形成细水雾。

方法一在高速气流下容易产生无雾通道，影响阻火灭火

效果；

方法二不适合于低浓度瓦斯输送应用场合；

利用方法三设计制造的水雾发生器经试验，阻火灭火效果非常理想。

按照上述技术方案制造的细水雾发生器，利用其管道连接法兰连接在瓦斯输送管道上，每隔一定距离安装一个细水雾发生器，向其进水口提供高压水，其腔体内及附近管道内即充满了细水雾。

瓦斯由输送管道的始端流向末端，在流通过程中混合了一定量的细水雾，瓦斯不易燃烧或爆炸。

如果输送末端发生回火或爆炸，每一个细水雾发生器相当于一个阻火器，能防止沿管道逆向蔓延，解决了煤矿瓦斯长距离安全输送的技术难题。

2）水雾发生器的一般规定

a、输送装置用水水质应为软化水并循环使用，碳酸钙含量应小于150mg/L，悬浮物小于5mg/L。

b、水雾发生器入口处水压宜在0.8MPa～1.2MPa之间。

水泵应按一级负荷要求供电，要设置供水能力与主水泵相同的备用水泵，并要求在主水泵出现故障时备用水泵能自动投入正常运行。

c、瓦斯输送管道安装应向下往回水池倾斜，斜度不小于1：

0.01。

d、输送装置瓦斯入口压力应不大于20kPa，出口压力应不小于3kPa。

输送装置水雾覆盖段管道压力降应不大于1kPa/100m。

e、瓦斯输送管道上水雾发生器设置间隔应不超过20m，若瓦斯输送管道长度不足20m，则应至少设置一个水雾发生器。

f、输送装置在寒冷地区使用时，应采取防冻措施。

g、瓦斯泵站瓦斯出口与湿式阻火泄爆装置之间的管道距离L1应不超过10m,配套瓦斯发电机组时，脱水器与瓦斯发电机组之间的管道距离L2不超过20m。

1.2.3低浓度瓦斯安全输送工艺技术

低浓度瓦斯安全输送技术工艺流程概括起来就是：

“3+4×

1”的技术有机组合，“3”就是3种防火、阻火技术结合，来提高安全可靠性，即细水雾阻火、金属波纹带阻火和雷达控制水位的水封卸爆阻火技术的串联。

第一个“1”是指在输送管道的末端设置了一级脱水器，第二个“1”是指细水雾供水系统，第三个“1”是指在整个系统中，设置了一套瓦斯输送压力控制机构，限定瓦斯最高压力，第四个“1”是整个输送系统中设置了一台煤矿瓦斯细水雾输送电子管理系统。

来自瓦斯泵站的瓦斯首先进入水位自控水封阻火防爆器，再经过金属波纹带瓦斯管道阻火器，从根本上保证了系统的安全可靠。

如果瓦斯输送量超过发电利

用量，瓦斯安全放散器可以自动打开，将富余的瓦斯排空。

煤矿瓦斯进入细水雾管道后，细水雾与瓦斯全程连续混合输送。

水雾发生器根据瓦斯输送量进行设计选型，在输送管道上等距离安装。

输送管道要保证一定斜度，便于细水雾凝结回流。

细水雾与瓦斯混合物经末端水封阻火防爆器进入瓦斯发电站。

在输送末端设置瓦斯压力、温度、流量及浓度测量点，此参数由计算机统一监控。

每台瓦斯发电机组配套一组旋风脱水和重力脱水装置，脱水后的瓦斯再经一道瓦斯管道阻火器供瓦斯发电机组发电。

细水雾输送系统所需要的水可循环使用。

1.2.4瓦斯流量计算

根据抽放瓦斯的浓度、流量及拟建设瓦斯电站与抽放站的测绘距离，并结合抽放瓦斯流量、浓度变化趋势，计算确定输送装置的输送管道直径和成雾水量。

根据煤矿瓦斯泵站瓦斯现有抽采浓度和抽采量，确定瓦斯输送量。

V=K0V′… ⑴

式中：

V——工作状态下的瓦斯输送体积流量，单位为立方米每小时（m3/h）；

V′——煤矿瓦斯抽采体积流量，单位为立方米每小时（m3/h）；

K0——调整系数，一般取值0.8～1.2。

说明：

当抽放瓦斯浓度、流量变大时，K0取较大值；

反之，K0取较小值

1.2.5瓦斯输送管道直径计算

根据瓦斯输送量计算瓦斯输送管道直径，以管道内瓦斯流速不超过15m/s为计算依据。

按体积流量计算管径：



d=18.8

𝑉

𝜔

……………………………………⑵

d——管道内经，单位为毫米（mm）；

V——工作状态下的瓦斯体积流量，单位为立方米每小时（m3/h）；

ω——工作状态下的流速，单位为米每秒（m/s）。

工作状态下的体积流量可由标准状态（0℃，绝对压力101.325kPa）下的体积流量换算而得：

V=0.1V0（273+t） ⑶

273p

V0——标准状态下的瓦斯体积流量，单位为立方米每小时（m3/h）；

t——瓦斯工作温度，单位为摄氏度（℃）；

4

p——瓦斯绝对工作压力，单位为兆帕（MPa）。

1） 冷却塔水管管径计算

M——需要冷却的水量；

d——管径；

V——流速，取2m/s。

𝑀

=1𝜋

𝑑

2𝑉

………………………………………⑷

每台500kW的机组需要的冷却水量为50m3/h。

每台1000kW的机组需要的冷却水量为100m3/h。

2） 常用机组的计算

500kW机组的热耗值为≤11MJ/kWh，1Nm3瓦斯的热值约为35.2MJ，由此可以计算出

500kW的机组需要瓦斯的流量V为156.25Nm3/h÷

a%（浓度）；

ω≤15m/s一般取值为10左右。

1000kW机组的热耗值为≤10MJ/kWh，1Nm3瓦斯的热值约为35.2MJ，由此可以计算出

1000kW的机组需要瓦斯的流量V为284.1Nm3/h÷

1.2.6管道上细水雾发生器安装数量计算

细水雾发生器安装数量由瓦斯电站与抽放站之间的距离决定。

20

m——细水雾发生器数量；

L——输送装置水雾覆盖段长度。

1.2.7成雾水量计算

𝑚

=𝐿

+1………………………………………⑸

成雾水量由瓦斯输送流量和输送距离决定，一般要求在瓦斯输送管道内单位容积水量为

n

12L/（m3·

min）～18L/（m3·

min）。

1） 水雾发生器设计流量：

Qj=å

qi ⑹

i=1

Qj——水雾发生器设计流量，单位为升每分钟（L/min）；

n——水雾喷头的数量；

qi——水雾喷头的流量，单位为升每分钟（L/min）。

2） 水循环装置水池蓄水量：

W≥2n0Qj ⑺

W——水池储水量，单位为升（L）；

n0——水雾发生器数量。

1.2.8安全输送管道的基本规定

1）煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计时应遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多级防护、确保安全”的基本原则。

2）在煤矿低浓度瓦斯管道输送系统中靠近可能的火源点（发电机组、地面排空管口、自然和易自燃煤层采空区抽瓦斯管入口等）附近管道上，应安设安全保障设施，确保管道输送安全。

3）发电用瓦斯管道输送系统中宜安设防逆流装置，防止抽采泵突然停泵而出现回流。

4）低浓度瓦斯管道输送系统不得设置缓冲罐。

5）加压设备应选择湿式压缩机。

6）抽采设备应选择湿式抽采泵。

7）正压输送时，输送压力不宜超过20kpa。

8）脱水器内应无机械运动零部件和电器部件。

9）在管道输送系统中应设置安全监测控制设施。

安全检测控制设施除应符合MT209

的有关规定外，还应具有以下功能：

a、瓦斯管道输送安全保障设施的的状态参数监测、显示及报警；

b、在发生瓦斯燃烧或爆炸时，检测控制设施应能控制安全保障设备快速启动，将瓦斯燃烧或爆炸控制在一定范围内。

10）安设在瓦斯输送管道上的所有安全设施应符合各自产品的通用技术条件。

11）安全保障设施安设段管道及附件应能承受正压2.5MPa的压力，其他管道及附件

应能承受正压1.0MPa、负压0.097MPa的压力。

安全保障设施安设段管道宜选用金属管道，当选用非金属管道时，其管材还应符合AQ1071的有关规定。

1.2.9输送管道安全要求

1）瓦斯发电用低浓度瓦斯管道输送安全保障设施应安设阻火泄爆、抑爆、阻爆三种不同原理的阻火防爆装置。

阻火泄爆装置应选择水封阻火泄爆装置，抑爆装置可选择自动喷粉抑爆装置、细水雾输送抑爆装置和汽水两相流输送抑爆装置中的一种，阻爆装置应选择自动阻爆装置。

2）安全保障设施安设段火焰传感器至自动阻爆装置之间的管道，安全保障设施的安装顺序应为：

第一级阻火泄爆装置，第二级抑爆装置，第三级阻爆装置。

3）监控用火焰、压力传感器安装在支管上脱水器的两侧，火焰传感器位于脱水器与发电机组之间，距离脱水器2米至3米，压力传感器位于脱水器与分管之间，距离脱水1米至2米。

4）水封阻火泄爆装置的安设位置距最远端支管的距离（沿管道轴向距离）应小于30

米。

5）水封阻火泄爆装置应能自动控制水位，确保其有效阻火的水封高度。

6）抑爆装置选用自动喷粉抑爆装置是，其安设位置距离最近的火焰传感器的距离

（沿管道轴向）为40m～50m；

选用细水雾输送抑爆装置或汽水两相流输送抑爆装置时，其安装始端距水封阻火泄爆装置的距离不大于3m。

7）自动阻爆装置距抑爆装置末端的距离不大于10m。

8）安全保障设施任一装置的运行参数不能满足安全要求时，其安装始端距水封阻火泄爆装置的距离不大于3m。

9）安全保障设施安设段管道公称内径不大于500mm。

1.2.10地面瓦斯排空

1）抽出的低浓度瓦斯不利用时，其地面排空管路应安设阻火泄爆、抑爆两种不同原理的阻火防爆装置。

阻火泄爆装置宜采用水封式阻火泄爆装置，抑爆装置宜采用自动喷粉抑爆装置，其安设位置如图所示。

2）自动喷粉抑爆装置监控用火焰传感器安装在排空管上，距排空管出气口的距离

（沿管道轴向）应小于5m。

3）自动喷粉抑爆装置的安设位置距火焰传感器的距离（沿管道轴向）30m～60m。

4）易自燃、自燃煤层的井下踩空区低浓度瓦斯抽采，应在靠近抽采地点管道上安装抑爆装置。

抑爆装置宜采用自动喷粉抑爆装置。

5）自动喷粉抑爆装置的安设地点距最近的抽采瓦斯管口的距离（沿管道轴向）应小于100m。

6）自动喷粉抑爆装置应至少安设一组，每组抑爆装置需安设两个喷粉罐，两个喷粉罐之间的距离为50m。

7）抑爆装置的火焰传感器应安设在自动喷粉抑爆装置与抽采管进气口之间，距离抑爆装置的距离（沿管道轴向）应大于50m。

1.3控制系统

1）控制系统除符合国家相关标准的规定外，还应具有下列功能：

2）输送装置应设有自动控制、手动控制两种控制方式；

3）实时显示系统运行状态，并可再现历史运行状态；

4）监控瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯流量、瓦斯浓度、水池水位、水雾发生器水压、成雾水泵流量、湿式阻火泄爆装置内的水位及泄压溢流阀工作状态等参数，输送装置参数超限声光报警并输出控制信号，自动执行相应操作；

5）能控制输送装置管道控制阀门的开启与关闭；

6）主水泵出现故障时，备用水泵能自动投入正常运行。

2瓦斯发电

我国煤层气资源丰富，居世界第三，每年在采煤的同时排放130亿m3以上的瓦斯，约折合标煤1600万t。

过去除了供暖外，煤层气没有找到合理的利用手段，未能充分利用，所以，抽放瓦斯绝大部分排人大气，花去了费用，浪费了资源，污染了环境。

开发利用煤矿瓦斯具有以下重要意义：

1）中国的常规石油、天然气资源相对缺乏，20多年来，中国经济迅速发展，对能源的需求也越来越大，近年来，中国对国际能源市场的依赖程度日渐加大，中国要想保持经济持续快速的增长，有必要开发新的能源，改变原有不合理的能源结构；

2）开发利用煤矿瓦斯具有可观的经济效益，现阶段国内外原油、天然气、煤炭等常规能源的价格不断攀升，而开发利用煤矿瓦斯可以伴随着煤矿开采的工程进行，节约工程成本；

3）煤矿瓦斯是煤矿事故的罪魁祸首，国内煤矿矿难70%～8O%都是由瓦斯爆炸或突出引起，加大煤层瓦斯抽采可以减少矿道内的瓦斯含量，有效预防事故发生；

4）煤矿瓦斯的主要成分是甲烷，是主要的温室气体之一，其对大气臭氧造成的破坏是

CO2的22倍，如果对煤矿瓦斯进行开发利用，还可减少碳排放。

伴随着煤炭资源的勘探和开采，煤矿瓦斯作为伴生资源被大量发现。

煤矿瓦斯按所含甲烷浓度分为四大类：

一类是地面抽采煤层气，甲烷浓度大于80%，主要用于民用、汽车燃料、发电等；

二类是煤炭开采过程抽排出，甲烷浓度在30%至80%之间的瓦斯，称为高浓度煤矿瓦斯，主要用于民用、化工、发电、燃烧等；

三类是煤炭开采过程抽排出，甲烷浓度大于或等于3%且小于30%的，称为低浓度瓦斯，目前小部分用于发电，大部分直接排空；

四类是煤矿通风系统中排出的甲烷浓度低于1%的，称为“通风瓦斯”，直接放散。

目前，乏风氧化

发电技术研究还处于起步阶段。

2.1瓦斯发电的技术难点

不同的发电设备其系统构成和技术难点是不一样的，以燃气内燃机作为煤矿瓦斯发电设备需要解决以下技术难点。

对于体积分数大于30%的高浓度煤矿瓦斯，一般采用建造储气柜来保存和缓冲瓦斯供给，从而使供给机组的瓦斯压力和浓度波动较小，对发动机稳定运行非常有利，但发动机如果不能实现闭环控制，当瓦斯浓度变化时会导致机组功率的大幅变化，瓦斯突变超过发动机允许的范围将会出现爆震，造成烧蚀活塞、拉缸、连杆断裂等恶性事故。

有的用户不具备建储气柜条件，就会给机组运行带来新的问题，一是到机组的瓦斯浓度突变速度快，需要机组快速调节；

二是机组快速调节又将引起瓦斯压力升高，破坏其调节作用，因此需要对机组供气压力进行调节，压力高时通过排空管进行排空或通过变频增压泵进行压力控制。

对于体积分数在6%～30%的煤矿瓦斯，由于瓦斯浓度的变化有可能造成瓦斯浓度临界爆炸极限范围内，因此必须采取可靠的阻火措施，保证发动机回火不会造成火焰在管网中传播。

另外，瓦斯浓度和压力的变化对空燃比的影响更大，为保证发动机可靠运行，机组对瓦斯压力的控制精度要求更高。

归纳起来就是一要“技术安全”，二要“适应不同地区不同时间的瓦斯浓度的变化”，三要“适应压力的变化”。

2.2煤矿瓦斯发电关键技术

煤矿瓦斯发电关键技术可以概括为瓦斯混合、自动控制、安全阻火三大类，细分为以下

几项。

2.2.1等真空度膜片混合技术

主要用于甲烷体积分数大于75%的煤层气，调整混合器燃气供气压力和节流调节阀的开度，可以实现空燃比随功率变化的匹配特性，低负荷空燃比小，高负荷空燃比大。

该技术无法自动适应瓦斯浓度的变化，但由于地面开发的煤层气成分非常稳定，随时间的变化非常缓慢，相当于天然气，因此，这种混合器能满足高浓度煤层气应用场合。

2.2.2文丘里电控混合器混合技术

文丘里电控混合器采用文丘里管原理，利用空气在文丘里管流动产生一个负压力，使瓦斯从侧通道进入混合器进行混合。

当瓦斯浓度变化时，控制系统自动进行控制，调整混合器瓦斯通道的开度，从而使混合气浓度保持稳定。

这种混合器可以适应体积分数为30%～55%和45%～75%的瓦斯混合需要。

2.2.3双蝶门混合器电控技术

对于低浓度瓦斯，如果体积分数为25%，空气与瓦斯混合的体积比大约为3：

1，如果瓦斯体积分数降为1O％，那么空气与瓦斯混合的体积比大约为9：

1。

因此，常规的混合器无法满足低浓度瓦斯混合的需要。

空气通道和燃气通道分别经过电动控制的蝶阀来调节流量，瓦斯浓度增加时，TEM控制系统进行闭环控制，减小瓦斯通道的开度或加大空气通道的开度，使空燃混合体积比加大，从而使混合气的浓度保持不变。

这种混合器工作范围宽，可以用于体积分数为6%～3O%的瓦斯混合。

2.2.4瓦斯低压进气混合技术