摘要：结合具体工程实际，从瓦斯安全输送系统和瓦斯发电机组两方面对低浓度瓦斯发电工艺在在寒冷地区煤矿应用做出分析，希望能为煤矿或者从事瓦斯发电企业相似工作的开展提供借鉴和参考。
关键词：寒冷地区；低浓度瓦斯；瓦斯发电；系统构成
引言
低浓度瓦斯发电概指运用甲烷浓度为8%~25%的瓦斯进行发电。而瓦斯作为煤矿井下采煤生产中的伴生产物，将其用于发电并供给煤矿生产或者上公用电网使用，既能避免资源的浪费促进煤矿的瓦斯抽采，又能产生较好的经济效益，是节能减排推动煤矿及瓦斯发电企业安全环保绿色发展的必然选择。
1工程概述
我公司多个低浓瓦斯发电项目地处北方寒冷地区，在瓦斯发电的过程中存在瓦斯安全输送要求高、控制不易和瓦斯放水管道、干式阻火器、过滤器、湿式放散易结冰等问题，对瓦斯发电安全稳定经济运行造成严重影响。针对这一问题，我司对瓦斯进行过滤去杂和稳压处理，同时，在低浓度瓦斯输送管道上设置主被动安全保护装置如雷达液位控制式水封阻火装置、管道干式阻火装置、卸压溢流放散阀等，最后再通过细水雾安全输送系统将低浓度瓦斯安全输送至瓦斯发电机组，另外通过系统性的具体保温措施来解决寒冷地区冬季易结冰的问题。
2瓦斯安全输送系统构成分析
2.1雷达液位控制式水封阻火装置
雷达液位控制式水封阻火装置构成组件包括水封阻火装置、雷达液位计、液位监控装置、工控机等，可以实现对阻火装置中水位的全自动监测。运行时，雷达液位计用于测定阻火装置内部水位，并将相关数据传输至监控系统，液位监控装置会结合预设的水位要求对电子阀进行自动操作，从而实现补水或放水作业，工控机用于参数计算与控制。
在瓦斯输送过程中，当管道内瓦斯被引燃且产生的火焰到达水气混合层同水分子相接触后，火焰热量被水吸收并产生水汽，从而使得参与燃烧反应的O2与CH4分子自由基快速减少，借助水的汽化膨胀吸热降低温度，使燃烧反应中止，实现阻火目标。一般来说，雷达液位控制式水封阻火装置多布设于距离瓦斯泵站出口20m以内。
2.2管道干式阻火装置
管道干式阻火装置是确保瓦斯管道输送中有效阻火的关键。火焰在阻火带中淬熄的原因是火焰表面的放热速度与散热速度不匹配。火焰进入阻火带夹缝时，其表面同夹缝冷壁接触，热量向冷壁传递，这种情况下若火焰面拉长至一定距离便会出现熄火层，随着熄火层厚度的持续增加，自由基也会进入熄火层，从而使得燃烧层中的自由基数量不断减少，最终无法供应燃烧，实现火焰的熄灭。一般来说，管道干式阻火装置多布设于管道过滤装置之后，2台并列布置，一台工作一台备用。
2.3湿式卸压放散装置
湿式卸压放散装置主要作用是对瓦斯运输中出现的压力突然增大现象进行处置，以确保瓦斯泵出口压力和细水雾瓦斯输送系统压力不超过10kPa。瓦斯输送时，一旦压力增大，瓦斯便会穿过水柱并释放至大气中。借由设定放散装置内水位高低实现对瓦斯最大压力的控制。一般来说，湿式卸压放散装置多布设于输气管道干式阻火装置后的旁路引出位置。
2.4细水雾安全输送系统
细水雾安全输送系统是一种主动式安全保护系统，输送的低浓度瓦斯经过干式阻火装置后同细水雾混合，不仅可以确保管路运输中不出现火焰，还可及时消除瓦斯气输送过程中系统存在的静电。
具体就是在瓦斯输送管路上每间隔固定距离（不超过20m）设置1组水雾发生装置，由设置在发电站内的雾化水池或水箱及多级离心水泵为水雾发生装置提供高压水。其灭火原理主要包括两点：a）细水雾在汽化过程中能在燃烧区吸收大量热能，从而使燃烧物表面温度迅速降低至着火点以下；b）火焰进入细水雾后，细水雾气蒸发膨胀，使得参与燃烧的瓦斯浓度降低，实现对火焰的抑制。
2.5系统保温
地处高寒区域的项目，冬季的低温对瓦斯发电机组运行和瓦斯输送有着一定程度的影响，应配套相应措施防止监控系统的失效，防止水雾低温结冰现象的出现，从而避免压力局部超限，确保输送的安全性。对此，首先应对容易受冻的各个设备进行集中安装，并建设瓦斯处理室对各设备进行集中管理，借助瓦斯携带的温度进行保温。同时，在管路上的主要阀门和水雾发生装置外部包裹保温材料，以减少散热量，在放水阀门管道及湿式卸压放散装置等极易结冰的设备或阀门管路配设暖气伴热系统。
2.6瓦斯气体冷凝脱水系统
瓦斯输送时和细水雾进行了混合，瓦斯气中的水分含量较大，将瓦斯输送至发电机组前需要去除，从而为机组正常运行提供良好保障。特别是在夏季高温高湿天气中，瓦斯气中水分脱离难度较大，不仅影响机组正常功率的发挥，还会加速机组配件的老化，缩短机组的使用寿命。通过相关研究可知，瓦斯气体的温度越低，其通过旋风重力脱水装置的脱水效果越好。基于这一原理，设计气体冷却装置，将其布设在瓦斯输送管道末端，通过持续通入循环冷却水将瓦斯气体中的热量交换出来，实现对其温度的大幅降低后再通过旋风重力脱水装置进行脱水。瓦斯脱水装置构成组件包括溢流脱水水封阻火装置和旋风重力脱水装置，其分别布设于瓦斯输送管道末端和瓦斯发电机组前端。经过脱水后的低浓度瓦斯直接进入发电机组机进行发电，而回收的水分则返回雾化水池循环使用。图3瓦斯气体冷却原理示意图。
图3瓦斯气体冷却原理示意图
3低浓度瓦斯发电机组
针对瓦斯发电机组持续运行发电功率低的问题，对机组功率造成影响的相关因素除气源浓度以外气源压力、气源温度、气源成分以及发动机组的保养程度都会对发动机组的输出功率产生影响。在气源的气体成份无法改变的前提下，只有通过加强对发动机组的保养，尤其是进气管干式阻火器、中冷器及增压器的定期保养，同时对发动机气源进行脱水、降温、稳压来提高发动机的输出功率，稳定运行功率能达到额度功率的90%左右。另外也可进行升级改造提升机组功率，具体措施：（1）、主要是将进气管路系统中对气体输送有瓶颈的地方进行改造，以加大发动机气缸进气量；（2）、更换高效增压器加大发动机气缸进气；（3）、对发动机气缸活塞进行改造，增加气缸压缩比。经过改造优化后的机组能对CH4浓度在8%以上的瓦斯进行有效利用，发电机组输出功率可提升20%左右。
4结语
瓦斯作为煤矿采煤生产中必然存在的伴生产物，直接排放至大气中造成一定的资源浪费和形成温室效应，不符合节能减排安全环保可持续发展理念。将甲烷浓度为8-30%低浓瓦斯用于发电并供给煤矿生产或者上公用电网使用，既能避免资源的浪费促进煤矿的瓦斯抽采，又能产生较好的经济效益，是节能减排推动煤矿及瓦斯发电企业安全环保绿色发展的必然选择。
1工程概述
参考文献：
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［2］王俊.低浓度瓦斯发电机进气预处理技术分析［J］.能源与节能，2018（3）：72-73.
［3］李磊.低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望［J］.矿业安全与环保，2014，41（2）：86-89.
论文作者:孙玉泰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
标签：瓦斯论文; 装置论文; 机组论文; 水雾论文; 管道论文; 煤矿论文; 火焰论文; 《基层建设》2019年第10期论文;