耿治国

（阳泉煤业〈集团〉有限责任公司煤层气发电分公司 山西 阳泉 045000）

煤层气除少量的CO、N2、H2以外，主要成份是甲烷，又称瓦斯，国际上惯称CBG（Coalbed Gas）。煤层气在煤层中有三种存在形式：游离态、吸附态和结合态。煤层气在煤层中的主要存在形式即是以煤层中的平衡压力使其附着煤层表面，即吸附态。煤矿矿井采煤时，这种气体大量涌出，可使人窒息、也可燃烧。甲烷以5%至16%的比例与空气混合时，会产生爆炸。空气中含有9%的甲烷时，爆炸最烈。瓦斯爆炸会使巷道坍塌，矿井毁坏。无论爆炸还是窒息，都会造成人员伤亡。煤层气（瓦斯）是煤矿生产中的最主要安全隐患。一般都采取抽排放空措施，使燃气资源白白浪费。甲烷对臭氧层的破坏力是CO2的6倍，温室效应是CO2的20余倍，煤层气直接抽排放空对大气污染严重；但煤层气又属于高热值燃气，1m3纯瓦斯的发热量在35MJ以上，相当于1～1.2kg标准煤的热量，用内燃机设备可发电3kWh以上，其燃烧后主要产生CO2和H2O，是一种宝贵的洁净能源。加强煤层气的利用，符合安全生产、环保、增效的基本国策。

用于瓦斯发电的机组一般有两种方式：燃气轮机机组发电、燃气内燃机机组发电。第一种方式效率较低，占地面积小，运用费用高，对运行人员要求高。第二种方式技术成熟，效率高，运行费用低。做为全国500强之一的阳泉煤业集团有限责任公司，果断决策，从2006年就开始瓦斯发电建设项目，积极引进世界先进的内燃瓦斯发电机组来利用瓦斯，减少污染，提高安全、增加效益。引进的机组品牌有德国MWM、美国卡特彼勒、奥地利颜巴赫，这三种品牌的机型均代表先进的瓦斯发电技术，机组投运后，为阳煤集团瓦斯发电人才的储备、运营经验的积累奠定了基础，目前机组运行时间在36000小时左右，远远领先于全国同类企业。

1 瓦斯发电机组原理及系统构成

1.1 原理

内燃发电机组采用的发动机基本上都是四冲程发动机。四冲程发动机的有如下四个工作过程：

进气行程 活塞从上止点往下止点运动，排气门关闭，进气门打开。由于活塞的下行形成了一定的真空度，空气和燃料从进气门进入气缸，当活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。

压缩行程 活塞从下止点往上止点运动，此时进、排气门均处于关闭状态，气缸内的气体被压缩，当活塞到达上止点时，压缩行程结束。

做功行程 压缩行程末期，混合气或被点燃或自燃，并在气缸内迅速膨胀，推动活塞下行，将热能转变为机械能。

排气行程 做功行程终了时，排气门开启，此时活塞由下止点往上止点运动，将气缸内的废气排出缸外。当活塞到达上止点时，排气门关闭，进气门打开，发动机又开始了下一循环。

发动机如此周而复始地进行下去，就能源源不断地将热能转化为机械能，可以为我们发电提供动力源。发动机拖动发电机转动，就完成了机械能向电能的转化过程。

1.2 系统构成

（1）发动机两大机构

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内做直线运动，通过连杆带动曲轴转换成以曲轴中心线为圆心以曲柄半径为半径的旋转运动，并向外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放的能量又把曲轴的旋转运动转换成活塞的直线运动。

配气机构的功能是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构是由气门组和气门传动组组成。

（2）发动机五大系统

燃料供给系统的功能是向内燃机提供可以提供能量的燃气和空气，在气缸内做功。通常由瓦斯滤芯、空气滤芯、瓦斯调压单元、瓦斯空气混合器、中冷器、节流阀、旁通阀等组成。

冷却系统的功能是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系统通常由散热器、风扇、水泵、冷却水套、三位阀等组成。而瓦斯发电机组的发动机热负荷大，冷却系更复杂些，由高温闭式循环和低温闭式循环组成。

润滑系统的功能是向相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体磨擦，减少磨擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却。润滑分为飞溅润滑和压力润滑，压力润滑系统是由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

点火系统在以瓦斯为燃料的内燃机中，气缸内的混合气是由电火花点燃的，为此在发动机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。点火系统的功用是定时在火花塞电极间产生电火花，点燃气缸内的可燃瓦斯混合气。点火系统是由点火线圈、火花塞、点火控制模块、电瓶、传感器等构成。

起动系统使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞做往复直线运动，同时使气缸内的可燃混合气燃烧做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转，发动机才能自行运转。它是由电瓶、起动继电器、起动开关和起动机等构成。

2 国外机组在国内适应性分析

由于国外研究燃气内燃机组发电比我国早，在设备设计和制造方面与国内机组对比还是具有一定优势，相同体积的机组发电能力以及发电效率方面指标均优于国内机组，这是其与国内同类型厂商竞争的优势。结合我公司5年的国外机组运营经验感觉，由于其属于进口设备，在本土适应性上来讲存在一些不足，现列举如下:

2.1 技术设计方面

从国外制造商角度来讲其产品的制造研发人员不可能完完全全考虑到中国使用现场的实际运行环境因素，再加上东西方思考问题方式不同，就造成在设计思路上的中国本土化适应性不足，如环境粉尘和温度的防范等。

2.2 售后服务方面

（1）技术支持：目前国外发电机组厂家在中国采取的是代理模式，从商务合同有效性角度上来说，所有事情的协商解决用户都是与代理商联系而不直接联系制造厂商，而代理商由于限制一般只具有现场服务工程师级别，现场出现问题后代理商技术人员到现场经过检查判断，发现由于处理权限和能力处理不了，联系制造厂商技术人员到现场后才能解决。此类问题无形中就会延长故障处理和机组停机时间，对用户来说损失会增大。在这方面有两点建议，一是需要代理商通过努力提升技术人员能力，使其达到国外工程师的水平；二是制造厂商直销，建立用户和原厂的合同约束关系。

（2）管理模式：由于瓦斯发电机组属于连续运行设备，做为运营单位都有严格的生产指标任务，出现停机故障后，一般需要加班连点进行处理，若代理商技术人员无法解决此问题的话，联系制造商技术人员涉及到签证、人员加班、周六日工作等一系列问题，相比国内厂家没有故障处理的急迫感。

（3）备件储备：进口设备的备件等采购要经过办理合同、国外厂家发货、海运（空运）、到港、办理入关出关、到现场等多个环节，购置时间长；另外若备件价格高的话，代理商不会在国内储备。由于有上述两个原因存在，一旦出现非常规故障的话，处理时间长停机损失大。如何在国内进行合理的备件储备是厂商、代理商、用户认真考虑的问题。

3 阳煤集团瓦斯发电前景

3.1 国际环境

瓦斯外排对大气造成严重污染，在2012年结束前，根据“京都议定书”的要求，加入京都议定协议的发达国家有责任和义务进行空气污染减排，按照CDM（清洁能源发展机制）的管理规定，企业可将减少空气污染排量的指标按照市场价格卖给这些发达国家，以获得企业的发展。最近几年召开的世界气候大会，如哥本哈根会议、德班会议等都对各个国家的空气排放进行了约束，节能减排工作势在必行。

3.2 国内环境

节能减排工作越来越得到国家关注，并且成为我国政府最近几年的重点工作，出台了鼓励政策和严格的考核政策。2011年山西省委提出：加快城乡生态化，着眼于建设绿化山西、气化山西、净化山西和健康山西，坚持“绿色、低碳、洁净、健康”的发展理念，实现经济社会可持续发展。要求企业和社会全员从各自角度组织，更是为山西煤炭企业对煤层气综合利用开发注入了动力。

3.3 内部因素

（1）煤矿瓦斯资源丰富，可利用潜力巨大阳煤集团从2007年开始实施“强煤强化、做强主业”的发展战略，加快对外扩张和中小煤矿联营重组步伐，现拥有23个煤矿、10家化工企业。煤炭和化工产业横跨晋冀鲁3省12个地市，企业煤炭开采量的增加，势必造成瓦斯产量的增加。

（2）集团领导对瓦斯发电项目十分重视，决心做大做强，成为行业中的样板工程。阳煤集团瓦斯发电项目已经成为国内同行业运行时间最长、有效利用小时最高、联合国CDM核查次数最多通过率最高的项目。目前正在一期基础上建设瓦斯发电二期项目，力争使企业产能和效益提升到一个新的高度，使阳煤瓦斯发电行业化、规模化。