煤层气发电简介

煤层气发电简介第1页煤层气发电简介王华锋（中煤邯郸设计工程有限责任公司王华锋（中煤邯郸设计工程有限责任公司王华锋（中煤邯郸设计工程有限责任公司王华锋（中煤邯郸设计工程有限责任公司河北邯郸河北邯郸河北邯郸河北邯郸056031056031056031056031））））一、前一、前一、前一、前言言言言全球埋深浅于2000米的煤层气资源约为240万亿立方米，是常规天然气探明储量的两倍多，世界主要产煤国都十分重视开发煤层气。煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气，世界上有74个国家蕴藏着煤层气资源，中国煤层气资源量达36.8万亿立方米，居世界第三位。目前，中国煤层气可采资源量约10万亿立方米，累计探明煤层气地质储量1023亿立方米，可采储量约470亿立方米。2006年，中国将煤层气开发列入了“十一五”能源发展规划，并制定了具体的实施措施，煤层气产业化发展迎来了利好的发展契机。“十一五”煤层气发展目标：2010年，全国煤层气(煤矿瓦斯)产量达100亿立方米，其中，地面抽采煤层气50亿立方米，利用率100%；井下抽采瓦斯50亿立方米，利用率60%以上。新增煤层气探明地质储量3000亿立方米，逐步建立煤层气和煤矿瓦斯开发利用产业体系。2007年以来，政府又相继出台了打破专营权、税收优惠、财政补贴等多项扶持政策，鼓励煤层气的开发利用，我国煤层气产业发展迅速，产业化雏形渐显。即将印发的《煤层气开发利用“十二五”规划》提出，到2015年，新增煤层气探明地质储量8900亿立方米；煤层气（煤矿瓦斯）产量达210亿立方米，其中地面开发90亿立方米，基本全部利用，煤矿瓦斯抽采120亿立方米，利用率60%以上；建设13条输气管道，总长度2054千米，设计年输气能力120亿立方米。煤矿瓦斯以就地发电和民用为主，高浓度瓦斯力争全部利用，推广低浓度瓦斯发电。到2015年，瓦斯利用量72亿立方米，利用率60%以上，民用超过320万户，发电装机容量超过285万千瓦。二、二、二、二、煤层气发电的意义和相关政策煤层气发电的意义和相关政策煤层气发电的意义和相关政策煤层气发电的意义和相关政策（一）煤层气发电的意义利用煤矿瓦斯发电，不仅可以增加我国的能源供应，节约优质资源，还可以以抽保煤层气发电简介第2页用，以用促抽，进一步加大煤层气抽采利用力度，强化煤矿瓦斯治理，减轻煤矿瓦斯灾害，促进煤矿安全生产。同时实现资源综合利用，促进煤炭企业建立循环经济体系。实现节能减排，保护大气环境。利用煤层气发电可大量减少温室气体排放，产生CDM收益。（二）相关国家政策2005年6月，国家发展改革委等以发改能源［2005］1119号文发布《煤矿瓦斯治理与利用实施意见》，提出“2020年以前，地面抽采项目免交探矿权和采矿权使用费，煤矿瓦斯抽采利用及其它综合利用项目实行税收优惠政策”，“煤矿瓦斯发电项目享受《可再生能源法》规定的鼓励政策。工业、民用瓦斯销售价格不低于等热值天然气价格。根据《京都议定书》规定，鼓励煤矿瓦斯利用开展清洁发展机制项目合作”。2006年6月，国务院办公厅发布了《关于加快煤层气抽采利用的若干意见》（国办发〔2006〕47号）指出：“限制企业直接向大气中排放煤层气，并对超标准排放煤层气的企业依法实施处罚。”“煤矿企业利用煤层气发电，可自发自用；多余电量需要上网的，由电网企业优先安排上网销售，不参与市场竞争，发电机组并网前要符合并网的技术要求和电网安全运行的有关标准。利用煤层气发电，其上网电价执行国家价格主管部门批准的上网电价或执行当地火电脱硫机组标杆电价。”2007年4月，国家发展改革委以发改能源［2007］721号文颁发了《关于利用瓦斯（煤矿瓦斯）发电工作的实施意见》，鼓励各类企业利用各种方式开发利用煤矿瓦斯。2008年4月中华人民共和国环境保护部颁布的《煤层气（煤矿瓦斯）排放标准（暂行）》（GB21522-2008）规定，自2010年1月1日起，现有矿井及煤层气地面开发系统煤矿瓦斯抽放系统的高浓度瓦斯（甲烷浓度≥30%）禁止排放。三、煤层气（三、煤层气（三、煤层气（三、煤层气（CMMCMMCMMCMM）发电主机设备）发电主机设备）发电主机设备）发电主机设备（一）煤层气发电主机设备形式理论上讲，煤层气发电采用的主机设备主要有以下几种形式：1、燃料电池煤层气发电简介第3页燃料电池不同于转换燃料的热做功最终变电的传统发电系统，燃料电池像一般电池那样利用电化学生产电力。直接的电化学反应与一般的热发动机产生的电力相比，效率更高。燃料电池比普通发电机安静、清洁。由于燃料电池中没有燃烧过程，只是通过化学分解甲烷来产生电力，因此可以大幅度减少污染。设备不会产生二氧化硫，其反应产物中的氮氧化物含量不及目前天然气发电设备的2％，二氧化碳排放量则减少了15％。而且，只要有甲烷和空气存在，燃料电池就能工作。由于目前燃料电池的高成本，燃料电池仅适用于对电力质量、电力环境要求高的地区和用户。2、燃气锅炉带蒸汽轮机发电机组燃气锅炉带蒸汽轮机发电机组，为传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运行可靠，但燃气锅炉采用煤层气为燃料，目前仅局限在小型的工业锅炉，由于受到瓦斯抽采的波动性强的影响，大型的电站瓦斯锅炉的应用也受到限制，个别电站锅炉采用煤与瓦斯混烧技术，但辅助系统庞大、复杂，需设置两套燃料系统，占地面积大。这种装机形式发电效率也较低，启动运行时间长，不灵活。所以目前规划的煤层气电站基本不采用这种装机形式。3、燃气轮机带发电机组燃气轮机是从飞机喷气式发动机的技术演变而来的，它通过压气机涡轮将空气压缩，高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，是空气急遽膨胀做功，推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电，因为是旋转持续做功，可以利用热值比较低的燃料气体。燃气轮机发电具有系统简单，运行灵活，单机功率大，占地面积小的优点；后面可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，虽使系统复杂，加大占地面积，但可大大提高发电效率。目前，在以天然气为燃料的燃气电站中较多采用。对于煤层气电站，则只有甲烷含量大于40%，而且气源稳定的情况下，才适于采用燃气轮机为主机发电设备。这是由于燃气轮机要求的进气压力高，并且要求浓度稳定，连续。2004年以前，以矿井瓦斯为燃料的电站主机，大都采用燃气轮机，仅限制在抽采瓦斯浓度高的矿井，由于井下瓦斯抽放系统抽采的瓦斯浓度变化范围大，会随着工作面的煤层气发电简介第4页推进，煤层的不同和出煤量的变化而变化，但这些机组受瓦斯抽采浓度的波动的影响，会经常因为瓦斯浓度达不到安全要求，而不得不时开时停。因此，近年来这种装机形式的应用也逐渐被淘汰。4、燃气内燃机带发电机组燃气内燃发动机组发电的工作原理是：空气经过滤清器过滤，进入涡轮增压器增压，导入气缸盖内的混合器，燃气经过压力调节阀也进入混合器，两者混合后，通过电子点火爆燃做功后，推动活塞移动和曲轴转动，产生动力，带动发电机，再由发电机将动力转换成为电能，经输变电装置输出。燃气内燃机发电，具有系统简单，运行灵活，启动时间短、发电效率高等特点；后面也可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，虽使系统复杂，但可大大提高发电效率。尤其是这种机组要求进气压力低，仅为5～35kPa，适用瓦斯浓度范围广，浓度6%以上均可利用，这使得燃气内燃机发电机组在煤层气发电方面获得了越来越广泛的应用。由于煤层气电站燃气供应的特殊性，对煤层气电站的主机设备的选择也有着特别的要求。由于井下瓦斯抽放系统抽采的瓦斯浓度随着抽采地点和方式的不同而变化，这就要求煤层气电站的主机设备有较强的适应性，运行灵活，能够适合煤层气供应系统的特点。往复式燃气内燃机，以其运行灵活，对瓦斯浓度适应范围广，尤其是对低浓度煤层气的适用性，在现阶段已经成为煤层气发电的主要设备。（二）瓦斯内燃发电机组主机设备市场情况目前国内运行的煤层气内燃发电机组有进口机组和国产机组，都是由原来生产柴油发动机或天然气发动机的厂家经技术改造、创新产生的。国内的生产厂家主要有山东胜动集团、济南柴油机股份有限公司、启东宝驹柴油机厂、淄博柴油机厂、常州柴油机股份有限公司等其他生产柴油发动机的公司。国产机组的单台机组的容量也由小变大，从500kW发展到700kW、1000kW，最大的单台容量达到2500千瓦瓦斯发电机组，已在山西晋城煤矿进行了工业试验，并且运行成功。它标志着我国自行研制生产大功率内燃发动机的能力已经接近国际水平。国产煤层气发电机组对甲烷浓度适应范围广，现有产品包括从6%—30%的的低浓度煤层气发电简介第5页瓦斯发电机组，到30%以上的高浓度瓦斯发电机组。其中低浓度瓦斯的安全输送及发电技术开创了世界低浓度瓦斯发电先河。国外瓦斯发电设备的厂家主要有：美国的卡特彼勒、奥地利的颜巴赫、德国的道依茨、日本的三菱重工、英国的能源公司等。其中在国内具有煤层气发电机组业绩的主要为卡特彼勒、颜巴赫、道依茨公司，进口煤层气发电机组均只适用于甲烷浓度大于30%的高浓度瓦斯。其中卡特彼勒的G3520C燃气发电机组是卡特彼勒公司主推向国内煤层气发电市场的产品。国内已在淮南矿务局和阳泉矿务局运行，并在晋城煤业集团寺河发电厂安装60台，成为晋城煤业集团与亚行合作的世界最大的煤层气利用示范工程的主机设备。颜巴赫公司在国内市场推出的瓦斯发动机组为J616GS型，道依茨公司的TCG系列瓦斯发动机组，这两种机组均已在淮南、山西和甘肃、宁夏等地煤矿运行。与国产机组相比，进口机组单机容量大，发电效率高，年无故障运行时间长，但设备价格高，初投资大。国产机组简单循环发电效率低于进口机组，但对燃气的品质，供气压力的要求都比进口机组低，对燃气供应系统的要求不高，更为适应瓦斯抽放量和浓度有波动的情况，而且造价大大低于进口机组。两种机组有各自的优缺点，可根据各项工程的建设条件和业主的实际情况，选用相应设备。随着国内煤层气发电技术日益进步，相信不久的将来，国产机组发电效率及各项性能将会达到或超过进口机组的水平。四、煤层气（四、煤层气（四、煤层气（四、煤层气（CMMCMMCMMCMM）发电规模的确定）发电规模的确定）发电规模的确定）发电规模的确定近年来随着煤矿瓦斯抽采利用政策的出台和完善，国内企业利用瓦斯发电的积极性高涨，瓦斯发电装机规模逐年上升，技术研发和装备制造水平不断提高。尤其是“十一.五”期间，瓦斯发电装机容量呈井喷式增长。这期间所采用的主机设备绝大多数都是往复式内燃发电机组。目前在设计中对瓦斯内燃发电机组装机规模的确定还没有统一的规范。同一工程不同的设计人员确定的规模往往也不同，不过，总结起来装机规模的确定基本有两种思路：（一）根据矿井瓦斯抽采站的小时抽采量来确定装机规模煤层气发电简介第6页这种方法是按瓦斯小时抽采量所发电量与机组标定功率的比值来确定机组的数量，并设一定数量的备用机组。这种方法，是按机组全部在设计工况下运行，可将每小时所抽采的瓦斯完全利用。由于受瓦斯品质的影响，无论进口机组还是国产机组，在实际运行中基本上都达不到标定功率。另外瓦斯内燃发电机组检修率较高，机组不可能全年在设计工况下运行。备用机组的备用率目前无统一标准，备用率过大，造价、运行、检修成本提高，备用率过小，瓦斯无法完全利用。因此这种确定装机规模的方法不严谨。（二）根据矿井瓦斯抽采站的年抽采量来确定装机规模。这种方法是按瓦斯年抽采量计算出所发电量，除以发电机组设备年利用小时数，得出所有机组的总功率，再除以机组的标定功率来确定机组数量。这种方法是按机组在达到预定的设备年利用小时数时，可将每年所抽采的瓦斯完全利用，因此用这种方法确定机组规模应该说是比较科学的。但是目前瓦斯发电机组设备年利用小时数没有科学的统计数据，设备年利用小时数定的较低就会造成机组数量可能过多而闲置，定的较高就会使机组数量过少而无法完全利用抽采的瓦斯。根据笔者的经验，国产机组设备年利用小时数基本在6000h～6500h，进口机组因所见案例较少，根据部分厂家资料及个别电厂经验，进口机组设备年利用小时数估计在7000h～7500h。《煤层气（煤矿瓦斯）排放标准（暂行）》（GB21522-2008）规定，煤矿瓦斯抽放系统的高浓度瓦斯禁止排放。因此高浓度瓦