趙德悅

煤層氣發(fā)電廠預(yù)處理系統(tǒng)及控制

趙德悅1，2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西陽泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司 發(fā)供電分公司 煤層氣發(fā)電廠，山西 陽泉 045000)

主要介紹煤層氣發(fā)電流程中的氣體預(yù)處理系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，包括預(yù)處理系統(tǒng)的作業(yè)流程、主要設(shè)備功能、控制系統(tǒng)、技術(shù)參數(shù)等，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論。

預(yù)處理；發(fā)電廠；煤層氣；系統(tǒng)控制

0 引言

煤層氣也可以叫煤礦瓦斯。煤層氣如果不加以利用，直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍。利用煤礦瓦斯發(fā)電，既可以有效地解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產(chǎn)條件，又有利于增加潔凈能源供應(yīng)，減少溫室氣體排放，達(dá)到保護(hù)生命、保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境的多重目標(biāo)。

煤層氣發(fā)電項(xiàng)目是國家資源型經(jīng)濟(jì)型綜合配套改革實(shí)驗(yàn)區(qū)的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。2006年山西陽煤集團(tuán)規(guī)劃煤層氣發(fā)電項(xiàng)目90 MW，一期建設(shè)規(guī)模28.9 MW，二期項(xiàng)目22 MW，總裝機(jī)容量達(dá)50.9 MW，是全國裝機(jī)容量較大的高濃瓦斯發(fā)電企業(yè)。

所謂的煤層氣是直接從煤礦抽采至地面的混合氣體，其附含有較多的水分和雜質(zhì)，為了能夠滿足發(fā)電機(jī)組的用氣要求，需要利用煤層氣預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)氣體進(jìn)行除濕、過濾及降溫、升壓等處理，從而滿足機(jī)組的發(fā)電要求。

1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)是瓦斯發(fā)電的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)主要由粗過濾器、精過濾器、換熱器、汽水分離器、羅茨風(fēng)機(jī)、阻火器及配套手動(dòng)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)閥等設(shè)備組成。該系統(tǒng)不僅用于實(shí)現(xiàn)瓦斯的脫水、增壓、過濾除雜、安全保護(hù)的功能，同時(shí)還是瓦斯收集系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)之間的橋梁，保證了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的可行性和可靠性。

由于煤層氣屬于易燃易爆氣體，安全是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的第一要求，同時(shí)要兼顧系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，預(yù)處理系統(tǒng)具有瓦斯發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)要求的流量可控、壓力穩(wěn)定、溫度適宜，其主要功能如下：①降低氣體的露點(diǎn)溫度，減少水蒸氣的含量，自動(dòng)排水；②降低粉塵等固體雜質(zhì)的含量；③具有自動(dòng)增壓和超壓保護(hù)功能，穩(wěn)定系統(tǒng)氣體的出口壓力、溫度和流量；④具有在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能，能夠保證系統(tǒng)安全可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行。

2 預(yù)處理系統(tǒng)分類

預(yù)處理系統(tǒng)根據(jù)功能的不同，可以分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：

2.1 過濾系統(tǒng)

在系統(tǒng)入口設(shè)置一次過濾器，可以防止換熱器管路積塵和堵塞。在系統(tǒng)出口設(shè)置二級(jí)過濾器，可以滿足發(fā)電機(jī)組對(duì)進(jìn)氣品質(zhì)的要求。一次過濾器的濾后粒徑為10 μm;二次過濾器的濾后粒徑為1 μm。

考慮到氣體壓力很低、流量很大，現(xiàn)場(chǎng)使用流通面積較大的濾芯，在保證過濾精度和通流能力的情況下有較小的壓力損失。過濾器前后設(shè)有壓力表用來監(jiān)測(cè)過濾器的壓力損失。根據(jù)過濾器前后的壓差變化來確定具體更換周期，運(yùn)行初始過濾器前后壓差≤2 kPa，當(dāng)粉塵含量逐漸積累時(shí)，過濾器前后的壓差將逐步加大；當(dāng)壓差達(dá)到3 kPa時(shí)，應(yīng)考慮更換過濾器濾芯；當(dāng)壓差達(dá)到5 kPa時(shí)，必須更換濾芯。

2.2 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)產(chǎn)生5 ℃～8 ℃的低溫冷卻水，進(jìn)入冷凍換熱器，將瓦斯的溫度冷卻到15 ℃～20 ℃。瓦斯在被冷卻的同時(shí)，其內(nèi)部的水蒸氣預(yù)冷凝結(jié)析出，被分離后排往外界。在此過程中，瓦斯中的水蒸氣含量減少，絕對(duì)濕度降低，從而達(dá)到除濕的目的。

制冷系統(tǒng)中，制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生的冷凍水在循環(huán)水泵的作用下進(jìn)入冷凍換熱器，將瓦斯氣體冷卻，自身的溫度升高，然后回到制冷機(jī)組，冷凍水在制冷機(jī)組內(nèi)被冷卻，然后再被送往循環(huán)水泵，如此循環(huán)往復(fù)。

2.3 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)主要由排水閥、排水管路和水封組成，是用來除去系統(tǒng)中產(chǎn)生的液態(tài)水，將水源排往系統(tǒng)外部。液態(tài)水的主要來源是：瓦斯氣流中攜帶過來的水；瓦斯氣體在被冷卻的過程中產(chǎn)生的凝結(jié)水；瓦斯氣體中的液態(tài)水被管路、設(shè)備阻隔產(chǎn)生的滯止水。

2.4 再循環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)的供氣量大于發(fā)電機(jī)組的用氣量且超過設(shè)定值時(shí)，再循環(huán)旁路開啟，使部分氣體回流到系統(tǒng)入口。

在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到出口壓力高于設(shè)定值時(shí)，PLC會(huì)將再循環(huán)氣動(dòng)閥自動(dòng)打開；當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到出口壓力低于設(shè)定值時(shí)，PLC會(huì)將再循環(huán)氣動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉。

在啟動(dòng)階段狀態(tài)下，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)頻率低于5 Hz時(shí)，PLC會(huì)將再循環(huán)氣動(dòng)閥打開；當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)頻率高于8 Hz時(shí)，PLC會(huì)將再循環(huán)氣動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉。

2.5 放空系統(tǒng)

放空系統(tǒng)的啟動(dòng)主要有兩種：一是系統(tǒng)管路內(nèi)嚴(yán)重超壓時(shí)，作為瓦斯氣體的緊急放散通道；二是系統(tǒng)置換時(shí)，將管道內(nèi)殘余的瓦斯氣體排放至系統(tǒng)外。在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到出口壓力高于設(shè)定值時(shí)，PLC打開放空氣動(dòng)閥；當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到出口壓力低于設(shè)定值時(shí),PLC關(guān)閉放空氣動(dòng)閥。

2.6 壓縮空氣系統(tǒng)

系統(tǒng)中所有的氣動(dòng)閥均由空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)。

壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣先經(jīng)過汽水分離器除去液態(tài)的水，然后經(jīng)過一個(gè)小型的儲(chǔ)氣罐，進(jìn)入水過濾器和油過濾器，分別除去壓縮空氣中的固態(tài)雜質(zhì)、水分和油份，最后進(jìn)入各用氣設(shè)備。

空壓機(jī)的出口壓力為0.6 MPa～0.8 MPa。當(dāng)壓縮空氣系統(tǒng)檢測(cè)到空壓機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，空壓機(jī)運(yùn)行，自行監(jiān)測(cè)出口的壓力。當(dāng)出氣管的壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)，其停止運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)到出口壓力低于0.6 MPa時(shí)，其自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)壓。

2.7 控制系統(tǒng)

預(yù)處理控制系統(tǒng)由可編程控制器(PLC SIEMENS S7300)和嵌入式工控機(jī)等組成。如出現(xiàn)負(fù)荷自動(dòng)降載，則應(yīng)以預(yù)定的程序進(jìn)行變頻降負(fù)荷。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，則斷開供氣管路，自動(dòng)停機(jī)。該系統(tǒng)設(shè)有超壓保護(hù)旁路，在超壓情況下，旁路閥開啟；如果壓力持續(xù)升高，在極端情況下，設(shè)置在管路上的安全閥將自動(dòng)開啟。同時(shí)預(yù)處理裝置會(huì)將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣體進(jìn)出口壓力和溫度、氣體出口甲烷濃度和流量、二次過濾前后差壓等參數(shù)送至中控系統(tǒng)。

3 預(yù)處理系統(tǒng)控制

3.1 變頻器控制

預(yù)處理系統(tǒng)參與變頻系統(tǒng)的主要有變頻器和羅茨風(fēng)機(jī)。變頻器根據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)出口壓力自動(dòng)跟蹤輸出頻率值的運(yùn)行參數(shù)，此參數(shù)與預(yù)處理出口實(shí)際流量有很大關(guān)系，即當(dāng)輸出濃度或流量有變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)此值，調(diào)節(jié)時(shí)須微調(diào)此值，羅茨風(fēng)機(jī)的頻率不得高于50 Hz。

3.2 氣動(dòng)閥門控制

預(yù)處理系統(tǒng)的管路使用手動(dòng)、氣動(dòng)一體閥門，氣動(dòng)閥門的開關(guān)需要有空壓機(jī)、壓縮氣體儲(chǔ)氣罐來共同完成。壓縮機(jī)利用自身運(yùn)轉(zhuǎn)后在系統(tǒng)內(nèi)部形成的壓力將空氣增壓，通過管路輸送至儲(chǔ)氣壓力罐體中，空壓機(jī)要將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣壓力維持至要求范圍內(nèi)。

3.3 PLC系統(tǒng)控制

預(yù)處理控制系統(tǒng)采用SIEMENS可編程的PLC S7300系統(tǒng)，系統(tǒng)操作如下：

(1) 單元操作及羅茨風(fēng)機(jī)操作。打開單元操作畫面子窗口，羅茨風(fēng)機(jī)圖標(biāo)工作狀態(tài)為紅色，灰色為非工作狀態(tài)。開關(guān)羅茨風(fēng)機(jī)必須先打開入口氣動(dòng)閥，打開羅茨風(fēng)機(jī)，打開出口氣動(dòng)閥。也可以直接投自動(dòng)操作，單元會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。投自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)必須確保輸出壓力與設(shè)定壓力值之間的差值小于0.5 kPa。若氣動(dòng)閥打不開及羅茨風(fēng)機(jī)沒有運(yùn)行反饋信號(hào)，該單元會(huì)自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

(2) 氣動(dòng)閥操作。點(diǎn)擊氣動(dòng)閥下邊的啟動(dòng)或停止按鈕，氣動(dòng)閥開始動(dòng)作；關(guān)到位圖標(biāo)顯示為綠色，開到位圖標(biāo)顯示為紅色，開動(dòng)作和關(guān)動(dòng)作過程中為灰色。必須確?？諌簷C(jī)壓力大于0.45 MPa，才能操作氣動(dòng)閥。當(dāng)單元處于連鎖狀態(tài)時(shí)，必須按順序才能開啟相應(yīng)的氣動(dòng)閥和羅茨風(fēng)機(jī)。

(3) 調(diào)節(jié)閥操作。首先給調(diào)節(jié)閥的電磁閥送電，調(diào)節(jié)閥圖標(biāo)變?yōu)榫G色說明電磁閥送電，點(diǎn)擊打開調(diào)節(jié)閥操作子窗口，開度輸入“0.00%”，此時(shí)可直接雙擊輸入數(shù)值，確定后調(diào)節(jié)閥開始動(dòng)作開或關(guān)；可以點(diǎn)擊向左、向右的三角箭頭以減少和增大開度，還可以直接拖動(dòng)百分標(biāo)尺。調(diào)節(jié)打開或關(guān)閉正常時(shí)可以通過反饋信號(hào)的值讀取；調(diào)節(jié)閥投自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥操作圖標(biāo)按鈕顯示為綠色；有故障時(shí)，調(diào)節(jié)閥操作圖標(biāo)按鈕顯示為紅色閃爍。

(4) 制冷機(jī)組操作。進(jìn)入制冷系統(tǒng)操作畫面子窗口，點(diǎn)擊選擇啟動(dòng)水泵制冷機(jī)組，制冷機(jī)組則顯示下班；若制冷機(jī)組工作正常，有運(yùn)行反饋信號(hào)時(shí)則顯示變?yōu)樯习唷?dòng)制冷機(jī)時(shí)必須先啟動(dòng)水泵。

(5) 廠房排風(fēng)扇操作。進(jìn)入廠房通風(fēng)機(jī)操作畫面，選擇啟動(dòng)相應(yīng)的通風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)正常時(shí)，通風(fēng)機(jī)圖標(biāo)變?yōu)樾D(zhuǎn)；若有故障時(shí)，通風(fēng)機(jī)按鈕顯示為紅色。報(bào)警提示欄里有報(bào)警提示。

3.4 預(yù)處理安全防護(hù)控制

預(yù)處理控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)入口和出口的氣體壓力、溫度、濃度、濕度以及環(huán)境溫度、環(huán)境瓦斯?jié)舛仍O(shè)置高報(bào)警、低報(bào)警、高停機(jī)、低停機(jī)。一旦系統(tǒng)參數(shù)超過設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警或自動(dòng)停機(jī)。泄露儀儀表只要有一臺(tái)的濃度值達(dá)到0.5%報(bào)警啟動(dòng)所有風(fēng)機(jī),達(dá)到1.0%停止所有設(shè)備,達(dá)到1.5%切斷配電柜所有設(shè)備的電源。

3.5 預(yù)處理系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法

(1) 氣體輸送與壓力、流量控制。氣體流量的控制是通過對(duì)出口壓力的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)預(yù)處理單元出口流量大于發(fā)電機(jī)組的用氣量時(shí)，表現(xiàn)為處理單元出口壓力升高。此時(shí)，PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少氣體輸送量，使壓力降到正常值。反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)升負(fù)荷時(shí)，預(yù)處理單元出口流量小于發(fā)電機(jī)組的用氣量時(shí)，處理單元出口壓力會(huì)下降。此時(shí)，PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加大氣體輸送量，使壓力升到正常值。

(2) 濕度調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)組要求的10 ℃～60 ℃的溫度范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)出口的相對(duì)濕度小于80%。由于預(yù)處理系統(tǒng)供氣濕度較大，因此，預(yù)處理系統(tǒng)必須有除水工藝，另外，除濕設(shè)備在排水時(shí)要保證瓦斯不會(huì)泄漏，避免發(fā)生爆炸。

4 總結(jié)

瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)是保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過換熱器、二級(jí)過濾器、羅茨風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)組等設(shè)備，在預(yù)處理各系統(tǒng)的控制下，對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行處理并使其達(dá)到機(jī)組的用氣標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 肖保生.設(shè)備管理系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[2] 李向榮，魏镕，孫柏剛，等.內(nèi)燃機(jī)燃燒科學(xué)與技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

Coal-bed Methane Power Plant Pretreatment System and Control

ZHAO De-yue1,2

(1.Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Shanxi Yangquan Coal (Group) Co., Ltd., Supply Branch of Coalbed Mathane Power Plant, Yangquan 045000, China)

This paper mainly introduces a gas pretreatment process of coal-bed methane power generation system and its control system, including the pretreatment system’s working process, main equipment, control system and technical parameters, etc.

pretreatment; power plant; coal-bed methane; system control

1672- 6413(2015)06- 0188- 02

2015- 07- 22；

2015- 10- 23

趙德悅(1974-)，男，山西平遙人，機(jī)電工程師，注冊(cè)安全工程師，本科。

TP273

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