石油圈? ? 摘要：針對煤層氣供應的特殊性，本文對煤層氣發電的幾種裝機形式進行了比較，對內燃發電機組做了重點分析，通過具體煤層氣發電項目裝機方案的分析，對煤層氣發電主機設備選擇的原則進行了歸納和總結。
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在國家新的能源政策引導下，煤層氣發電技術獲得越來越廣泛的應用。由于煤礦井下瓦斯抽采系統抽采的瓦斯濃度隨著抽采地點和方式的不同而變化，這就要求煤層氣電站的主機設備有較強的適應性，運行靈活，能夠適合煤層氣供應系統的特點。
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1煤層氣發電裝機形式的選擇
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煤層氣發電采用的主機設備主要有以下三種形式可供選擇：(1)蒸汽輪機發電機組；(2)燃氣輪機發電機組；(3)燃氣內燃機發電機組。
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1.1蒸汽輪機發電機組
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此種發電形式多用于傳統的火電機組形式，工藝技術成熟，運行可靠，但燃氣鍋爐采用煤層氣為燃料，目前僅局限在小型的工業鍋爐，由于受到瓦斯抽采波動性強的影響，大型電站瓦斯鍋爐的應用也受到限制，個別電站鍋爐采用煤與瓦斯混燒技術，但輔助系統龐大、復雜，需設置兩套燃料系統，占地面積大。這種裝機形式發電效率也較低，啟動運行時間長，不靈活，所以目前規劃的煤層氣電站基本不采用這種裝機形式。
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1.2燃氣輪機發電機組
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利用燃氣輪機發電，具有系統簡單，運行靈活，單機功率大，占地面積小的優點。系統可加余熱鍋爐帶蒸汽輪機聯合循環發電，雖然比較復雜，占地面積大，但可大大提高發電效率。目前，在以天然氣為燃料的燃氣電站中較多采用。
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對于煤層氣電站，則只有甲烷含量大于50%，氣量較大的而且氣源穩定的情況下，才適于采用燃氣輪機為主機發電設備。這是由于燃氣輪機要求的進氣壓力高，當井下抽排的煤層氣加壓到燃氣輪機要求的0.9MPa時，溫度可升至160℃，根據美國礦山局制定的煤層氣中甲烷濃度爆炸極限的公式計算表明，此時要求煤層氣的安全界限應為甲烷濃度大于39%，并且要求濃度穩定、連續。
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2004年以前，以礦井瓦斯為燃料的電站主機，大都采用燃氣輪機，僅限制在抽采瓦斯濃度高的礦井，由于井下瓦斯抽采系統抽采的瓦斯濃度變化范圍大，會隨著工作面的推進，煤層的不同和出煤量的變化而變化，但這些機組受瓦斯抽采濃度波動的影響，會經常因為瓦斯濃度達不到安全要求，而不得不時開時停。因此，近年來這種裝機形式較多的應用在具有一定規模，抽采效果較好，氣量和濃度比較穩定的礦區。
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1.3燃氣內燃機發電機組
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燃氣內燃機發電具有系統簡單，運行靈活，發電效率高的特點，可加余熱鍋爐帶蒸汽輪機聯合循環發電，雖使系統復雜，但可大大提高發電效率。
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尤其是這種機組要求進氣壓力低，僅為5～35kPa，適用瓦斯濃度范圍廣，濃度6%以上均可利用，這使得燃氣內燃機發電機組在煤層氣發電方面獲得了越來越廣泛的應用。不同主機設備裝機形式的特點比較見表1。
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比較來說作為熱電聯產的一種原動機，燃氣內燃機是一種經過實踐檢驗的、非常成熟的設備，成套模塊化的機組使系統效率優化、設計安裝簡單、運行管理自動化程度高。與其他兩種發電形式相比，燃氣內燃發電機組具有啟動時間短、燃氣供氣壓力低、對燃氣濃度適應范圍寬的優點，尤其是能夠更為靈活的適應煤層氣濃度波動的情況。
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2沙曲礦瓦斯發電站裝機方案的研究
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華晉焦煤公司沙曲礦井為煤與瓦斯突出礦井，現有沙曲礦瓦斯抽采站設計能力為800m3/min。根據現瓦斯抽采站運行記錄，抽出瓦斯混合量平均為400m3/min，瓦斯濃度平均在25%～40%之間，隨著礦井生產能力的提高，瓦斯氣量逐年增長。瓦斯氣成分中，甲烷(CH4)占30.04%、氮(N2)占56.63%，氧(O2)占12.4%，幾乎不含硫份，測定其低熱值為10825kJ/Nm3。屬雜質少，無腐蝕的潔凈能源，可進行簡單預處理后直接供給內燃機發電。根據現階段的瓦斯氣量及濃度，擬定一期裝機規模約為14MW，主機設備采用內燃發電機組，預留后期擴建條件。
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目前國內運行的煤層氣內燃發電機組有進口機組和國產機組，都是由原來生產柴油發動機或天然氣發動機的廠家經技術改造、創新而來的。國內的生產廠家主要有山東勝動集團、濟南柴油機股份有限公司、常州柴油機股份有限公司等其他生產柴油機發動機的公司。國產機組技術較為成熟、運行可靠、單機容量較大的為500～700kW機組；雖然已有單機1000kW以上的瓦斯發電機組在運行，但性能都不穩定，其中勝動集團2500kW瓦斯發電機組也在工業性試驗階段。國外瓦斯發電設備的廠家主要有：美國卡特彼勒公司、奧地利顏巴赫公司、英國能源公司、德國道依茨公司、日本三菱重工等。
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進口機組較為成熟、可靠、單機容量較大的為根據國內瓦斯發電機組的市場現狀和已投運瓦斯發電機組的運行情況，擬定以下三種裝機方案進行比較，方案一采用700kW國產機組×20臺，配余熱鍋爐；方案二采用1800kW進口機組×8臺，配余熱鍋爐；方案三采用700kW國產機組×10臺+1800kW進口機組×4臺，配余熱鍋爐。三種裝機方案的比較見表2。
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與國產機組相比，進口機組單機容量大，發電效率高，年無故障運行時間長，占地面積小，但設備價格過高，初投資過大，因需從國外進口，手續繁雜，訂貨時間長。方案三選用兩種機型，雖然可降低部分造價，平均發電效率也比較高，但由于國產機組出線電壓為400V，進口機組出線電壓為6kV，使電站主接線系統復雜，同時兩種機組的運行方式和管理方式也有較大差別，使電站運行管理更為復雜。
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國產機組雖然發電效率不如進口機組，對燃氣的品質，供氣壓力的要求都比進口機組低，對燃氣供應系統的要求不高，更為適應瓦斯抽采量和濃度有波動的情況，而且造價大大低于進口機組，供貨時間短。由于建設方要求本項目一期工程投資省、工期短、見效快，綜合以上分析，本項目一期推薦采用方案一，即選用國產700kW機組，配置20臺。同時建議，后期擴建時選用1800kW機組，以提高電站發電效率。隨著國內煤層氣發電技術日益進步，屆時也許國產的大容量機組的發電效率及各項技術性能將會達到或超過進口機組的水平。
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3總結
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利用煤層氣發電是一種有發展前景的新興產業，目前設備和技術正在不斷發展完善中。通過對目前國內煤層氣發電市場的調研，將煤層氣發電站主機設備選擇的原則總結如下：
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(1)利用煤層氣發電應針對于不同的煤層氣資源，選擇不同的主機設備，采用相應合理的工藝形式，以保障安全為前提，以最大限度利用煤層氣資源為原則；
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(2)煤層氣發電的主機設備宜首選燃氣內燃發電機組，燃氣內燃發電機組具有發電效率高、對不同的煤層氣適應性好、能源綜合利用率高的特點。
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(3)目前國內市場的燃氣內燃發電機組不論進口機組還是國產機組都運行穩定、可靠，技術已發展成熟，但有各自的特點，進口機組發電效率、性能穩定、無故障運行時間上占有優勢，國產機組在對煤層氣的適用范圍、價格等方面占有優勢。因此，設計中在主機設備選擇時，應針對不同的資源供應情況和業主的資金狀況綜合考慮。
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