王 爭，李 超，李 陽，周顯俊，畢利麗

(1.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

國家將煤層氣抽采工程視為生命工程和資源工程[1-3]，其中，煤礦采空區(qū)地面井(以下簡稱采空井)作為一種煤層氣抽采新井型，即在廢棄后的小中型煤礦通過地面垂直鉆井至采空區(qū)垮落帶內(nèi)，使井口與采空區(qū)有效溝通，地面使用小型螺桿/漩渦增壓機(jī)組進(jìn)行抽采[4，5]。采空井的布井區(qū)域通常具有點(diǎn)多面廣、位置偏遠(yuǎn)等特點(diǎn)，這將導(dǎo)致采空井的配套工程成本投入較大，尤其是基礎(chǔ)架線供電線路等相關(guān)費(fèi)用不菲。因此，采空井往往利用小型發(fā)電設(shè)備提供電能以保障抽采設(shè)備連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。汽油發(fā)電機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，能夠滿足抽采設(shè)備用電需求，但長期使用汽油發(fā)電無疑會(huì)導(dǎo)致耗電嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)成本增加?？紤]到煤層氣也可作為發(fā)電機(jī)工作燃料[6]，經(jīng)過多方面考察研究，提出了一種雙燃料發(fā)電機(jī)組抽采利用煤層氣技術(shù)。

1 雙燃料發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

在采空井抽采出煤層氣前，發(fā)電機(jī)組首先使用汽油燃料工作為抽采設(shè)備提供電能；待采空井抽采出煤層氣后，發(fā)電機(jī)組可切換成煤層氣燃料工作，對煤層氣氣源中的CH4濃度要求為40%～80%。該設(shè)備適用于野外作業(yè)，在環(huán)境溫度-20℃～+45℃，相對濕度小于97%(20℃時(shí))，海拔高度小于等于2000m的環(huán)境條件下能穩(wěn)定、可靠、連續(xù)地運(yùn)行。

1.1 設(shè)備選型

根據(jù)采空井抽采系統(tǒng)工藝要求和井場現(xiàn)場安裝條件，進(jìn)行設(shè)備選型。采空井產(chǎn)能一般為1000～2000m3/d，根據(jù)產(chǎn)能情況通常選用旋渦增壓機(jī)組進(jìn)行抽采，具體運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 旋渦增壓機(jī)組主要參數(shù)指標(biāo)

結(jié)合表1，另外考慮現(xiàn)場照明等負(fù)荷以及功率富余量等因素，優(yōu)先選用額定功率為30kW的雙燃料發(fā)電機(jī)組，具體運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 雙燃料發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

1.2 基本組成

雙燃料發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙燃料發(fā)電機(jī)組主要由汽油煤層氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷卻水箱、變速裝置、型鋼公用底座、集裝箱體、蓄電池、電控箱、汽油箱、機(jī)前燃?xì)膺^濾器等組成。

1—人機(jī)界面；2—發(fā)電機(jī)；3—萬向聯(lián)軸節(jié)；4—變速箱；5—蓄電池；6—電流調(diào)節(jié)器；7—執(zhí)行器及控制油門；8—燃?xì)庹{(diào)壓器；9—燃?xì)馇袛嚅y；10—控制箱；11—小油箱；12—空氣濾清器；13—燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥；14—混合器；15—電控模塊；16—膨脹水箱；17—回油管；18—進(jìn)油管；19—冷卻風(fēng)扇水箱；20—煤層氣泄露傳感器；21—消聲器；22—共用底座；23—煤層氣過濾器；24—外置大油箱

雙燃料發(fā)電機(jī)組前端安裝吸風(fēng)式的冷卻風(fēng)扇和散熱器，既可冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水，又可冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)本體和發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)組排氣管和消聲器采用加厚304不銹鋼材料，不易腐蝕，外形美觀。機(jī)組排氣管包裹隔熱材料，防止人員燙傷和煙氣熱量散發(fā)，特別在夏季能避免集裝箱內(nèi)溫度過高引起的安全事故。發(fā)電機(jī)組箱體內(nèi)配置煤層氣在線泄露傳感器，實(shí)時(shí)檢測燃?xì)庑孤┣闆r，具有在線檢測、報(bào)警和停機(jī)功能。

1.3 主要特點(diǎn)

1.3.1 油、氣自動(dòng)切換功能

在氣井抽出煤層氣前，發(fā)電機(jī)組使用汽油燃料工作。抽出煤層氣后，可通過控制柜面板上的油氣切換開關(guān)，發(fā)電機(jī)組自動(dòng)切換成煤層氣燃料工作。

1.3.2 根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整輸出功率

發(fā)電機(jī)組額定功率為30kW，根據(jù)后端負(fù)載設(shè)備的需要，特別是負(fù)載設(shè)備具有變頻功能時(shí)，發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)閥主要起調(diào)節(jié)煤層氣的氣量，以滿足合適的混合氣比例和調(diào)節(jié)功率的作用，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)輸出功率的功能。雙燃料發(fā)電機(jī)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)與混合氣的空燃比關(guān)系很大。雙燃料發(fā)電機(jī)組采用自動(dòng)調(diào)節(jié)空燃比，空燃比是評價(jià)汽油機(jī)混合氣濃度的指標(biāo)，也是影響燃燒過程至關(guān)重要的因素。為了滿足發(fā)電機(jī)對各種工況的要求，對雙燃料發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及空燃比控制原理進(jìn)行了研究分析，并在此基礎(chǔ)上，制定了煤層氣發(fā)電機(jī)空燃比控制方案設(shè)計(jì)[7]，如圖2所示?？杖急瓤刂葡到y(tǒng)依據(jù)節(jié)氣門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號確定理論空燃比，基于發(fā)動(dòng)機(jī)具體工況，通過自動(dòng)程序控制電磁程控燃?xì)忾y和電磁程控空氣閥的開度大小，以確保煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制速度和精度。在此基礎(chǔ)上，對空燃比控制方案中所涉及的控制器、傳感器及執(zhí)行器等進(jìn)行合理選型，并設(shè)計(jì)了包括信號調(diào)理電路、系統(tǒng)電源電路、時(shí)鐘及復(fù)位電路、電磁閥控制驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路及顯示電路在內(nèi)的控制系統(tǒng)硬件。

圖2 雙燃料發(fā)電機(jī)空燃比控制方案設(shè)計(jì)圖

1.3.3 環(huán)境保護(hù)(降低CO2、NOx和臭氧的排放)

煤層氣熱值與天然氣相似，以其豐富的資源儲(chǔ)備和清潔燃燒特效而成為改善環(huán)境的一種友好清潔能源。有關(guān)試驗(yàn)表明[8，9]，雙燃料發(fā)電機(jī)組相比柴油發(fā)電機(jī)組，在所有運(yùn)行工況下，CO2的排放量低；全負(fù)荷運(yùn)行工況下，CO2的排放量減少的幅度最大，可達(dá)31%，NOx和CO排放量分別減少54%和59%。

1.3.4 排溫檢測、報(bào)警和停機(jī)功能

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷是主要技術(shù)指標(biāo)，必須進(jìn)行檢測和控制，而排氣溫度是反映熱負(fù)荷的主要參數(shù)依據(jù)。本雙燃料發(fā)電機(jī)組增加了排溫檢測、報(bào)警和停機(jī)功能，保證機(jī)組運(yùn)行在正常的排氣溫度范圍內(nèi)，避免因?yàn)榕艢鉁囟冗^高而引起的發(fā)動(dòng)機(jī)咬缸、汽缸墊沖床、火花塞燒熔、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震、排氣系統(tǒng)燒毀等設(shè)備安全事故。

1.4 配套抽采工藝優(yōu)化

雙燃料發(fā)電機(jī)組汽油系統(tǒng)如圖3所示，在汽油泵的作用下，汽油經(jīng)電磁閥最終進(jìn)入發(fā)電機(jī)組內(nèi)燃燒發(fā)電。

圖3 雙燃料發(fā)電機(jī)組汽油系統(tǒng)示意圖

雙燃料發(fā)電機(jī)組煤層氣系統(tǒng)管線如圖4所示，可以滿足雙燃料發(fā)電機(jī)組的用氣要求。

圖4 雙燃料發(fā)電機(jī)組煤層氣管線系統(tǒng)示意圖

其中，過濾脫水器能對煤層氣進(jìn)行過濾和脫水作用，防止雜質(zhì)和水分進(jìn)入機(jī)組；手動(dòng)閥起開啟、關(guān)閉煤層氣作用；電磁閥在停機(jī)控制信號或緊急停機(jī)按鈕的作用下能緊急關(guān)閉煤層氣管道，切斷煤層氣供應(yīng)，致使機(jī)組緊急停機(jī)；調(diào)壓閥滿足機(jī)組對煤層氣的壓力要求，調(diào)整煤層氣壓力到合適的值；功率調(diào)節(jié)閥主要起調(diào)節(jié)煤層氣的氣量，以滿足合適的混合氣比例和調(diào)節(jié)功率的作用。

雙燃料發(fā)電機(jī)組在采空井煤層氣地面抽采集輸與利用的工藝流程如圖5所示，雙燃料發(fā)電機(jī)組首先使用汽油燃料工作為增壓機(jī)組等抽采設(shè)備提供電能，待增壓機(jī)組抽采的煤層氣濃度及流量穩(wěn)定后，開始轉(zhuǎn)為使用小部分煤層氣燃料發(fā)電，保證采空井抽采設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，剩余大部分煤層氣經(jīng)流量計(jì)和閥門等進(jìn)入管道集輸，最終形成穩(wěn)定的采空井抽采利用體系。

圖5 雙燃料發(fā)電機(jī)組抽采利用工藝流程

1.5 安全聯(lián)鎖運(yùn)行參數(shù)

監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是抽采工藝設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測部分。在抽采管道，抽采設(shè)備和供電線路等處安裝各類傳感器，密切監(jiān)測記錄煤層氣濃度、抽采壓力等參數(shù)變化。雙燃料發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，傳感器不斷將測量信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換回傳至抽采設(shè)備PLC控制模塊[10]。雙燃料發(fā)電機(jī)具體連鎖參數(shù)見表3。當(dāng)雙燃料發(fā)電機(jī)組的任意連鎖參數(shù)在正常運(yùn)行值內(nèi)時(shí)，機(jī)組安全可靠運(yùn)行；當(dāng)其中任一個(gè)參數(shù)超過報(bào)警臨界值時(shí)，機(jī)組會(huì)發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息，此時(shí)應(yīng)盡快由專人處理；而當(dāng)其中任一個(gè)參數(shù)達(dá)到停機(jī)臨界值時(shí)，在PLC控制下機(jī)組自動(dòng)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)抽采設(shè)備自動(dòng)聯(lián)鎖報(bào)警、停機(jī)功能，以確保采空井安全高效抽采[11-15]。另外，為提高煤層氣發(fā)電過程中的安全性，在雙燃料發(fā)電機(jī)組上引入排溫檢測、報(bào)警和停機(jī)功能，以保證機(jī)組運(yùn)行在正常的排氣溫度范圍內(nèi)，避免因?yàn)榕艢鉁囟冗^高而引起的發(fā)電機(jī)設(shè)備安全事故。

表3 雙燃料發(fā)電機(jī)具體參數(shù)

2 應(yīng)用效果

雙燃料發(fā)電機(jī)組主要存在以下創(chuàng)新點(diǎn)：①油、氣自動(dòng)切換功能：發(fā)電機(jī)組初期使用汽油燃料工作，當(dāng)煤層氣氣源濃度大于40%時(shí)，可通過控制柜面板上的油氣開關(guān)自動(dòng)切換成煤層氣燃料工作；②根據(jù)采空井的實(shí)際情況安裝煤層氣，氧氣濃度傳感器并設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)空燃比控制方案，保證油氣兩用發(fā)電機(jī)組的安全高效運(yùn)行；③遠(yuǎn)程通訊接口，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行情況，機(jī)組CGC控制器提供RS-485接口，按照約定的通訊協(xié)議提供信號傳輸，可傳輸發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的所有參數(shù)和報(bào)警、停機(jī)信號；④排溫檢測、報(bào)警和停機(jī)功能，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷是主要技術(shù)指標(biāo)，必須進(jìn)行檢測和控制，而排氣溫度是反映熱負(fù)荷的主要參數(shù)依據(jù)，本雙燃料發(fā)電機(jī)組增加了排溫檢測、報(bào)警和停機(jī)功能。

部分采空井運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4，以4口因地理位置偏僻使用雙燃料發(fā)電機(jī)組提供電能的采空井為例，這些井累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行已達(dá)1421d，產(chǎn)氣總量達(dá)到170.44萬m3，按每方管道煤層氣1.3元計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值221.572萬元。另外，4口采空井可節(jié)省架線成本80余萬元，節(jié)約抽采設(shè)備用電成本26萬元，綜上累計(jì)可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益327萬元。

表4 部分采空井運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

抽采出的井下煤層氣可直接并入輸氣管網(wǎng)，用于民用及工業(yè)用氣等?，F(xiàn)場應(yīng)用表明雙燃料發(fā)電機(jī)組可以為采空井配套抽采設(shè)備提供電能，并能保障采空井持續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

1)現(xiàn)場實(shí)踐表明，雙燃料發(fā)電機(jī)組可以滿足采空井現(xiàn)場抽采設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的需求，降低了采空井布井區(qū)域要求，對采空井煤層氣的開發(fā)起到很好的促進(jìn)作用。

2)在低濃度煤層氣(CH4濃度≤40%)情況下，雙燃料發(fā)電機(jī)組不能很好的穩(wěn)定供電，主要原因是發(fā)電效率衰減嚴(yán)重，可通過配氣的方式提高煤層氣濃度，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

3)雙燃料發(fā)電機(jī)組可有效降低環(huán)境污染，為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供清潔能源。