瓦斯发电说明资料全Word文档格式.docx

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煤层气在煤矿称为煤矿瓦斯。

根据新的资源评价结果，我国陆上煤层气资源量36.8万亿立方米，与陆上常规天然气资源量（38万亿立方米）相当，仅次于俄罗斯和加拿大。

煤层气的主要成分是甲烷，甲烷在空气中的浓度达到5%－16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。

煤层气不加以利用，直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍。

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。

煤矿瓦斯分高浓度瓦斯和低浓度瓦斯，高浓度瓦斯是指瓦斯浓度大于30%的瓦斯，低浓度瓦斯是指瓦斯浓度低于30%的瓦斯。

我国60%以上的瓦斯是含甲烷30%以下的低浓度瓦斯，按煤矿安全规程要求，瓦斯浓度在30%以下的就不能贮存和输送，更谈不上利用了。

低浓度瓦斯发电需要解决2个问题，一是各个煤矿的本身不一样，而且随时都在变化，传统的发电机组很难“以不变应万变”；

二是低浓度瓦斯的安全输送问题。

济柴低浓度瓦斯发电机组采用电控燃气混合器技术，可以自动控制空燃比，以适应瓦斯的浓度变化，同时，低浓度瓦斯安全输送技术，采用细水雾及多重阻火技术，解决了低浓度瓦斯的地面安全输送问题。

中国工程院周院士认为：

“低浓度瓦斯发电机组，适合我国煤矿点多量小的特点，堪称破解我国煤矿瓦斯难题的金钥匙”。

新版《煤矿安全规程》对浓度在30％以下的瓦斯用于燃机发电作出了明确的规定，《规程》第148条第五项规定：

抽采的瓦斯浓度低于30%时，不得作为燃气直接燃烧；

用于燃机发电或作其他用途时，瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定，并制定安全技术措施。

这给低浓度瓦斯发电提供了制度保障。

而我国煤矿60％以上的瓦斯是低浓度瓦斯，这是我国低浓度瓦斯发电的气源保障。

随着低浓度瓦斯发电技术的不断完善，低浓度煤层气发电产业将会有良性的规模化发展，将会产生越来越大的经济效益和社会效益。

二、济柴瓦斯发电介绍

1.1柴油机股份简介

柴油机股份（JinanDieselEngineCo.,Ltd）位于中国省市，是中国石油天然气集团公司下属唯一的燃机专业制造企业，也是全国机械行业骨干企业之一，拥有89年的发展历史。

1996年，公司率先成为中石油试点企业进行股份制改造，同年10月，“石油济柴”在深交所上市，股票代码000617。

公司现有员工2280人，总资产近25亿元，2008年营业收入18亿元，下设营销中心、研发技术中心、制造中心，绿色能源公司四个主要单位。

石油济柴是国非道路用中高速、功率柴油机和燃气发动机的主要生产商，主导产品"

济柴牌"

190系列发动机及发电机组，广泛适用于石油钻探、工矿机车、工程机械、舰艇渔船（包括各种工程船、运输船、客轮、渔政船、渔船、军舰主辅机动力）及发电设备（应急自动化电源、常用电源、生产及消防备用电源等），是国家军工等要害领域和场合的重点选用产品。

产品围覆盖全国油田和30个省市、自治区、直辖市，并出口美国、俄罗斯、丹麦、印尼、泰国、尼日利亚等三十多个国家和地区。

石油济柴瓦斯（煤层气）发电产品于2003年最早在地区使用，自2005年以来公司加大煤矿瓦斯发电产品的研发投入，注重与煤矿相关科研院所的沟通与合作，与中国煤层气学会、理工大学、煤科总院及各煤炭建立紧密联系，相继研发煤矿瓦斯专有的高、低浓度机型8种，功率覆盖200-1100kW，采用当今国际上先进的燃气机控制技术和稀薄燃烧理论，针对国瓦斯抽排过程中，瓦斯浓度波动较大的特点，通过对进气系统的合理匹配，使得瓦斯机组的适应性能更为宽广，可以燃用甲烷浓度在9%-50%、压力在3-15kPa围的瓦斯，其动力性、经济性、安全性和可靠性都达到国际先进水平。

目前已累计销售瓦斯（煤层气）共300余套，分布在11个主要产煤地区。

●国家一级计量单位

●产品荣获国家质量金奖

●全国优秀维修服务商

●全国用户满意企业

●中国驰名商标品牌

●中国机械行业500强

●全国燃机标准化技术委员会燃气发动机工作组所在单位

●全国往复式燃燃气发电设备标准化技术委员会所在单位

●国家重要场合和重点项目燃机发电设备的主要供应商

●海军装备定型产品指定供应商

●最早研制燃气动力及发电，中国气体机最有影响力品牌

●国最大的燃气动力产品制造商及综合服务商

2.2石油济柴瓦斯发电机组简介

2.2.1技术概况

为了利用煤矿抽排放散的大量瓦斯，减少对大气环境的污染，中国石油柴油机股份联合理工大学及国外著名公司，采用国际上先进的燃气控制技术和稀薄燃烧理论，针对国瓦斯抽排过程中瓦斯浓度波动较大、压力不稳定的特点，研制开发瓦斯安全输送及发电利用技术，适合瓦斯浓度9-50%、压力3-15kPa、温度5-50℃围，目前该技术已获得中国石油科技进步一等奖、省科技创新一等奖，正在申请国家863科技项目。

机组型号：

500GF-WK800GF-WK

500GF-WK21100GF-WK

功率围：

400kW-1100kW

出线电压：

400V、6300V、10500V

2.2.2主要技术原理及特点

1）技术背景及原理

煤炭开采过程量的瓦斯排空，对大气环境造成很大破坏，而瓦斯与氧进行燃烧反应可以产生大量能量：

CH4+202=CO2+2H2O（1NM3瓦斯完全燃烧所需理论空气量为9.52NM3），可以驱动燃机发电进行能量转换及余热循环的利用，继解决了环境污染，又使得废气变成清洁能源，创造巨大的经济效益及社会效益。

2）主要技术容

●低压力、低浓度、瓦斯变化大的控制

通过机组燃气闭环控制系统，将瓦斯与空气中的氧自动混合，根据燃烧室容积及压缩比，对空燃比进行精确控制，保证稀薄燃烧及高效发电做功。

自动检测燃气进气温度、燃气进气压力、燃气阀后绝对压力MAP、温度MAT、功率、转速、均值排温等参数，自动调整机组运行工况，适应现场瓦斯浓度及压力波动，保证机组平稳运行，具有浓度适应围广、抗波动能力强、自动化程度高的特点。

燃气控制系统实现全电脑智能化，高精确度，它的信息输入系统包括速度传感器、λ传感器（空燃比）、功率传感器或扭矩信号传感器、两个进气压力传感器和一个进气温度传感器，这些传感器将发动机运行过程中的转速、功率（或扭矩）、尾气中氧含量等信号及时传递给控制器。

控制器将上述信息进行处理，计算出发动机最佳运行所需要的燃气量，由燃气控制阀控制调整燃气进气量，实现最佳空燃比的目的。

同时通过速度执行器来控制混合气的流量，将发动机的转速控制在标定围。

●含添加剂细水雾瓦斯输送系统

含添加剂细水雾装置以水作为载体，通过加入添加剂后以细水雾形式分散于“瓦斯-空气”的混合气中，在瓦斯爆炸三要素都满足的条件下抑制瓦斯爆炸，使浓度在5-16%的瓦斯气体失爆，实现低浓度瓦斯的安全输送。

同时采用细水雾与瓦斯混合的分离技术，将分离出来的瓦斯用于发电。

系统配合防爆装置、防回火装置及瓦斯过滤装置一并使用，采用输送过程全程微机监控。

3）“济柴”瓦斯发电机组技术特点说明

（1）“济柴”瓦斯发电机组采用世界上最先进的WOODWARD燃气控制系统、燃气控制阀和混合器、电子调速器等瓦斯进气控制系统。

燃气控制系统是全电脑智能化，高精确度的燃气进气控制系统，它的信息输入系统包括速度传感器、λ传感器、功率传感器或扭矩信号传感器、两个进气压力传感器和一个进气温度传感器，这些传感器将发动机运行过程中的转速、功率（或扭矩）、尾气中氧含量等信号及时传递给燃气控制器。

燃气控制器将上述信息进行综合处理，计算出发动机最佳运行所需要的燃气量，将信息传递给燃气控制阀，由燃气控制阀控制调整燃气进气量，实现控制最佳空燃比的目的。

通过控WOODWARD-ProAct执行器来控制混合气的流量，将发动机的转速控制在标定围。

空燃比闭环控制技术的应用，使瓦斯机组燃烧更合理，机组运行更加平稳、可靠，控制更加精确。

目前，国其他企业生产的瓦斯发电机组仍无法实现空燃比的精确闭环控制，这直接影响机组运行的经济性、动力性、安全性和排放指标。

燃气控制阀精密的加工、合理的设计，使阀体与动阀始终保持良好的配合状态，运动灵活，密封严密。

当瓦斯浓度发生变化后，在控制系统的指挥下，迅速动作，保证了控制指令的准确执行，以实现精密控制空燃比的目的。

阀体不会出现卡滞和错误动作的现象。

WOODWARD燃气控制控制系统抗干扰能力强，保证在运行过程中不会因外界干扰而导致控制系统失灵。

国控制系统抗干扰能力较弱，在运行过程中容易因点火系统高压电力干扰，造成控制失灵。

（2）德国MOTORTECH公司智能IC500点火系统，保证点火控制人性化

“济柴”瓦斯机组点火系统包括数字点火模块、高压线圈、高压线、火花塞等，全部采用进口名牌产品。

本机采用德国MOTORTECH公司的IC500高能量智能化的点火系统。

其优点如下：

●在发动机运行过程中点火提前角和点火能量都可随意调整，并且各缸的点火提前角可单独调整。

●点火能量分三个等级，可根据燃气的组分对点火能量进行调整，以实现最佳点火状态。

最高等级点火能量可高达5万伏，实现高能量点火，使实现稀薄燃烧成为可能。

●点火系统具有自身故障的自动检测及报警功能，一旦某缸火花塞不点火或某一段线路出现短路或接触不良等故障，系统可以及时检测到并进行报警，便于机组的维护和运行。

其他厂家磁电机点火装置不具有上述功能，并且只有一个点火等级，导致火花塞寿命相对较短。

MOTORTECH公司智能IC500点火系统

（3）网电无隙备用技术，确保发电上网安全

网电无隙备用技术目前尚属济柴独有的一项控制技术。

目前在我国尚存在着一个严重的政策问题，即自备电站不允许上网（行业垄断）。

如果发电完全自用，一是存在着电站容量和负荷的匹配问题；

二是供电安全问题。

自备电站毕竟是小电网，尤其是非正常的故障停电，可能造成人身安全或重大经济损失。

所以这给瓦斯发电技术的推广造成很大影响。

济柴自主研发的网电无隙备用技术，较好地解决了这一上网难题。

本技术主要功能特点是：

不对电网反送电，不会对大网造成任何影响；

自用负载始终保持在自发电和大网双路供电状态。

如果自发电容量大于负载时，大网供电量≤50kW；

如果自发电容量不够或故障维修停机时，大网能自动实现部分或全部供电，确保了用电的安全。

通过这项技术的应用，既实现了最大限度地使用自发电，又保证了用电的安全。

（4）机组采用智能控制屏，方便操作

瓦斯机组控制屏为落地柜式结构。

选用智能自动空气断路器，具有过电流和逆功率等自动保护。

控制屏装有控制器、各种显示仪表、调整按钮、机组保护指示灯、紧急停车按钮等，用于控制及监测发电机组的工作状况。

发电机组的启动由人工在机旁操作，停机可在机组旁控制，也可由控制屏、计算机控制实现。

控制系统装备进口自动并车控制模块，可自动监测同步，满足手动并车及自动并车，多台机组并联运行时可实现负荷自动分配功能，满足并网、并联运行工况。

机组转速采用电子调速控制系统自动调节，也可通过控制屏面板上转速微调旋钮进行微量调整；

机组电压为自动调整，通过控制屏面板上电压整定电位器进行电压整定。

控制屏装备浮充电装置，为蓄电池提供充电电源。

控制屏可监测以下容：

三相AC电压

合闸指示

机组转速

三相输出电流

分闸指示

进冷却水温度

频率

水温高报警灯

出冷却水温度

输出有功功率

油压低报警灯

润滑进油压力

功率因数

油温高报警灯

润滑出油压力

电池电压

超速报警灯

润滑油温度

转速微调整旋钮

电压微调整旋钮

运行时间

控制屏加装远传通讯接口（标准RS485），通过MODBUS协议进行通讯，供甲方实现中央监控。

通过无源触点接收开关量控制机组的正常停机（包括常规引线的紧急停机）。

（5）低压进气，确保瓦斯输送安全

针对煤矿瓦斯抽排压力低的特点，瓦斯机组采用混合后增压技术，瓦斯和空气都是被机组自身的压气机吸入的。

气源的压力只需大于3kPa即可，使瓦斯机组的适用围更广。

进气之前设置瓦斯预处理单元，除对瓦斯进行净化、除尘、稳压、脱水的功能外，还设置止回阀，一旦感应异常的压力反射波迅速切断，对瓦斯管路起到保护功能，避免了安全事故的发生。

（6）高效率进气系统保证充气效率，使机组功率有效发挥

瓦斯机为增压、中冷型。

采用了高效率的复合式空气滤清器、大流量涡轮增压器和德国GEA公司技术生产的圆管式高效中冷器。

GEA圆管式高效中冷器散热效率比普通中冷器高近20%，有效满足了空气流量增加对冷却的要求。

同时两个增压器共用一个中冷器，这样可以有效保证即使在两个增压器效率不同时，瓦斯机组左右两侧进气管中的混合气特性仍完全相同，使瓦斯机组左右两排气缸实现相同工况，上述系统保证瓦斯机进气系统高效，充气效率提高，爆震几率降低，有效提高瓦斯机组升功率，使机组输出功率持续、稳定，并比同等机型功率增加。

（7）排气系统有效防护，防止热量向机房释放

排气温度（消音器后）≤500℃，排气背压5kPa。

排气汇总管和涡轮增压器的外部都敷有绝热层，排气出口装有波纹管等弹性排气膨胀节，减少了故障率，并防止热量向机房释放。

机组噪声值（距机组1m处）≤90dB（A）。

机组采用减振隔音装置，排气消音器降噪能力≥20dB（A）。

机组烟气污染物排放满足：

烟尘≤50mg/m3，SO2≤100mg/m3，NOx≤50mg/m3。

（8）安全保障——四道防线确保瓦斯管道安全

稀薄燃烧技术和空燃比控制技术的采用能够保证发动机始终以稀薄混合气进气，回火不传播。

高质量制造技术，确保气阀密封严密、配时准确，从而杜绝回火现象。

安装在管道上的阻火器对火焰有淬熄作用能阻止火焰的传播。

一旦发生回火现象，止回阀会迅速关闭切断瓦斯气源，安全阀会迅速打开，泄掉过高的压力，确保安全。

（9）先进的出厂试验，保证机组出厂合格

公司设有产品试验室。

试验室管理严谨，装备精良。

有先进的丹麦烟度计，美国的尾气测试排放仪等。

瓦斯发动机试验室拥有专用燃气输送管线，可模拟瓦斯、沼气等多种可燃气体进行机组试验。

设有8个试验台架，每个试验台架都配有先进的微机系统进行跟踪，可以对瓦斯机组进行出厂前的试验、调试、检测，对出现的问题能够进行分析、记录和处理。

公司集生产、设计、开发与一体，对其所设计的产品在投产前都要做性能和耐久实验。

为确保发电机组正常运行，我公司对瓦斯发动机做如下试验：

（10）微机操作及显示系统

微机操作及显示系统，是对发电站操作、运行和保护的全电站的计算机后台管理系统。

主要实现对发电站各种运行参数的在线实时监视、历史数据保存和查询、系统运行的在线异常报警及电站运行报表的打印输出。

本系统采用分布式集中管理模式，缩短了模拟信号的传输距离，提高了系统的抗干扰能力，利用总线通讯方式实现了集中管理。

同时该系统具备远程网络复视功能，可以实现远程异地的计算机监控管理。

该系统采用国际先进的网络组态结构，易于各种功能的实现及扩展。

通过人性化设计的人机友好界面，做到了运行人员的操作方便。

通讯容包括：

发动机转速、油压、油温、水温、排温、缸温；

机组功率、频率、电压、电流；

报警指示；

机组功率调整及机组的停机操作。

并可实现手动、自动控制兼顾功能。

（11）合理配套发电机保证长期稳定输出功率

“济柴”牌1100GF9-WK2瓦斯机组选用西门子许可证生产的无刷励磁稳极式发电机，电机额定电压为10kV，额定容量为1375kVA（1100kW），可保证机组在1000kW的长期满负荷状态运行指标。

JFG系列无刷恒压同步发电机结构组成：

发电机：

由主机，励磁机和励磁系统组成。

主机为旋转磁场式，转子呈圆柱形并带有阻尼绕阻，励磁机为旋转电枢式，主机励磁功率通过旋转整流器输入主发电机转子。

励磁系统：

带可控硅电压调节器的THYRIPART®

励磁系统，采用相复励无刷自动电压调压方式，发电机的励磁电流随负载情况而自动调节，保持发电机的电压恒定。

在负载变化和短路情况下具有良好的动态特性。

绝缘系统：

标准绕阻采用西门子DURIGNIT®

2000绝缘系统，满足VDE0530标准对F级绝缘的要求。

所采用的绝缘材料具有不吸潮、介电强度高等特性，且能承受剧烈的温度变化。

定子绕阻采用具有高耐水解特性的特种漆包线或包有云母箔的扁铜母线制成。

标准绝缘采用特殊的树脂浸渍工艺，能获得高机械强度、高抗震性和极好绝缘强度的满意效果，从而使发电机能在DIN50019标准规定的各种气候条件下长期运行。

短路电流和短路参数：

当发生突加大型鼠笼式异步电动机负载情况时，由于励磁系统以相复励方式运行，发电机满足最小电压降和最快电压恢复的要求，此时这种励磁方式可提供其值约为3-5倍额定电流的持续短路电流，以便选择保护装置，但在持续短路电流的持续时间达5S时，发电机卸载负荷。

过载：

按VDE0530标准的规定，在额定电压下，发电机能承受1.5倍额定电流，历时2min的过载。

（12）远程微机可视、监控、管理技术

对发电站操作、运行和保护的全站系统管理，实现各种运行参数的在线实时监视、历史数据保存和查询、系统运行的在线异常报警及电站运行报表的打印输出。

同时该系统具备远程网络复视功能，可实现远程异地的计算机监控管理。

该系统采用先进的网络组态结构，易于各种功能的实现及扩展。

（13）自动并车、并网及负荷分配技术

装备进口自动并车控制模块，可自动监测同步，多台机组并联运行时可实现负荷自动分配功能，满足并网、并联运行工况，实现并车并网的自动化。

三、细水雾瓦斯安全输送系统简介

3.1先进的细水雾发生方法

细水雾是指在喷头最小设计压力下,以距喷头1m处的平面上,测得水雾的雾滴直径DV0.99不超过1000μm。

细水雾具有冷却降温、吸收和阻隔辐射热、雾滴悬浮时间长特点，细水雾在灭火过程中有较强的抑制火焰的传播作用。

3.2细水雾与瓦斯混合物分离技术

安装于整个安全保护系统终端，瓦斯抽放泵站气源通入输送干管后，由于施加了含添加剂细水雾而使瓦斯气中携带有较多细水雾，从而形成气液两相流。

为了不影响发电机组的燃烧效率，必须在进入发电机组前将细水雾除去，提高机组发电效率。

3.3技术适用性

瓦斯安全输送及发电利用技术自2006年正式应用以来，已经在低浓度瓦斯地区使用，技术水平经过不断的升级完善，满足环境温度-20℃～+50℃，相对湿度＜90%，海拔高度≤3000ｍ安全可靠使用，适合瓦斯浓度7-50%、排空压力1-15kPa、温度5-50℃围区间，对低压力，低浓度，压力及浓度变化围大的现场能够实现自动调节控制，机组自动化程度高，结构简单、操作方便。

在实际使用中，由于燃机本身构造及材料特点，应注意瓦斯中的颗粒杂质的过滤，硫化物的含量不要超标（总硫含量≤480mg/Nm3），避免零部件污堵腐蚀，同时在寒冷地区注意管路的保温及防护。

四、石油济柴瓦斯发电业绩情况

通过几年的实际应用及不断的技术开发，瓦斯安全输送及发电利用技术已在集团、中煤能源、焦煤、川煤集团、矿业集团、煤运公司、龙煤集团、冀中能源等单位煤矿使用，通过实际使用效果验证了技术的可行性，通过瓦斯发电及余热综合利用为煤矿企业创造了良好的经济效益，以用促抽的方式保障了矿井的安全生产。

济柴瓦斯发电机组主要业绩

五、“济柴”瓦斯发电机组应用案例分析

冀中能源集团矿业宣东矿业公司于1997年正式开工建设，2001年投产，井田面积21.87平方公里，矿井可采储量为7600万t，设计生产能力为90万t/a，矿井经过技术改造后现生产能力已达到160万t/a。

根据《宣东矿业公司矿井通风系统改造工程设计》提供的有关资料知道，矿井瓦斯可采储量为2166.69Mm3，抽采率按35%计算，可采瓦斯储量为758.3Mm3。

为防止煤矿瓦斯爆炸事故发生，保证矿井人员生命和生产安全，本着节约资源、减少污染，变费为宝的总体利益出发，近年来矿业公司先后投资建设了2座瓦斯抽放站，第一座瓦斯抽放站毗邻矿井工业场地，瓦斯抽放稳定在约50m3/min（纯瓦斯），2008年矿业公司筹建了低浓度瓦斯发电站，电站装机容量为10MW，采用柴油机股份生产的20台500GF-WK2型低浓度瓦斯发电机组，总的瓦斯利用量约为50m3/min（纯瓦斯）。

1100GF9-WK2机组经济效益分析

1）一般参数

机组运行时间：

考虑到机组的正常保养及维护，机组运行时间每年按7200小时计算。

机组运行功率：

机组长期运行功率以1000kW。

机组折旧：

一般机组大修周期大于30000小时，可经过三次大修，使用年限按10年计算，折旧费用约25万元每年。

电价：

国家现行政策下，瓦斯发电机组上网电价为:

下网电价（即矿上使用大电网的电价）税后约为0.65元/kW.h；

2）经济效益分析

单台1100GF9-WK2型瓦斯发电机组长期运行功率按1000kW计算。

机组热耗率：

≤9.5MJ/kW.h，折合成发电量计算，每标准方纯瓦斯可发电约3.8度电。

在CH4含量100%工况下，单台机组运行每小时消耗瓦斯量约300Nm3；

单台年发电量：

1000kW×

7200h＝720万（kW.h）

年发电产值：

720kW.h×

0.65=468万元。

运行成本：

可控制在57.8万元。

平均每千瓦时运行成本在0.11元左右。

具体分析如下：

设备折旧费用：

折旧成本每台按25万