摘 要：低浓度瓦斯发电站正式投入生产后，究竟哪些因素影响机组在相同监测浓度下的运行功率，而哪些因素又占主导地位，本文结合铁法煤业集团小青低浓度瓦斯发电站5年来的运行情况，对影响机组运行功率的因素进行全面分析，并具体研究其中的主要因素。

关键词：低浓度瓦斯发电；环境温度；功率

一、概述

2007年11月铁法煤业矿业集团煤层气公司在小青煤矿建成并试运转成功了辽北煤田第一座低浓度瓦斯发电站。随着电站运行时间的增加，公司发现机组达到额定功率所需要的最低瓦斯浓度在不断变化，呈越来越高的趋势。至2012年7月份，机组需要在监测瓦斯浓度13.5%以上时，才能以正常负荷运行，而瓦斯浓度在8%时，机组甚至不能正常启动，这与建站初期机组在瓦斯浓度8%时正常运行的情况大相径庭。为此，对影响低浓度瓦斯发电机组运行功率的因素进行全面分析显得尤为重要。

二、环境温度对机组功率的影响

成立的排查小组在2011年10月31日和12月28日分别对实验机组做了两次浓度变化实验，整理有关温度的实验数据如下各表，2011年10月31日对1#和2#机组做的横向/纵向对比实验，当天1#机组和2#机组保养良好.

表1 2011年10月31日14时13分 环境温度：18℃ 机房温度：22℃ 瓦斯浓度：12.6%

表2 2011年10月31日16时00分 环境温度：18℃ 机房温度：22℃ 瓦斯浓度：7.6%

2007年12月28日对1#机组单独做的两次纵向对比实验，1#机组保养良好

表3 2011年12月28日9时30分至10时30分 环境温度：11℃ 1#机组

注：①抽排站瓦斯温度：测量口位于雷达水封和干式阻火器后，经过测量口，瓦斯开始进入远程细水雾输送系统。②进站瓦斯温度：在这个测量口，瓦斯结束远程细水雾输送系统，开始进入现场细水雾输送系统。③机组前温度：瓦斯经过全部细水雾输送系统和脱水装置，经过测量口后，进入发电机组。④进缸温度：测量口位于发电机组进气管上，瓦斯经过测量口后进入发动机气缸，也就是进入气缸时气体的温度。

分析这次实验的结果，结合以下数据，可以证明两点：

1.环境温度对最终进入燃气发动机缸内做功的气体温度有决定性的影响。对比表①和表③中的数据就可以看到：在环境温度18℃时，混合后进入发动机气缸的气体温度是38℃；在环境温度11℃时，进入气缸的温度也下降到24℃。环境温度7℃（18℃-11℃）的温差就造成了最終进入气缸的气体温度温差达到14℃（38℃-24℃）。可以推测，盛夏时节高达45℃和寒冬时0℃以下的环境温度差，会使最终进入气缸的气体温度产生非常大的差别。

2.环境温度对机组功率有很大影响。结合表4进行分析：

表4记录了1#机组在10月31日（环境温度18℃）和12月28日（环境温度11℃）实验中的运行记录。同样是在18℃的环境温度，混合后温度也一样，当瓦斯浓度由12.6%下降到7.6%时，机组左燃气和右燃气开度分别由40和43增加到82和85，左空气和右空气开度也分别由38和63下降到5和2，可以看出瓦斯浓度降低后，机组的燃气进气量大幅增加，而空气进气量大幅减少，使混合后的瓦斯浓度满足做功的要求；在24℃的进缸温度下，当瓦斯浓度由14.4%降至8.0%时，机组左燃气和右燃气开度则分别由41和26增加到61和48，左空气和右空气开度分别由51和64下降到34和38。燃气进气量的增加幅度和空气进气量的减少幅度比前者要小的多，同时机组功率的变化幅度（0.037）比前者（0.085）却要小的多，说明机组对浓度变化的敏感程度变小了，也就是说机组对浓度的适应性变强了。换个角度，对比第2组和第4组的数据，也就是同样在8%范围内的瓦斯浓度，不同进气温度（38℃和24℃）下，发动机组的表现。可以看到，进气温度38℃，瓦斯浓度7.6%时，机组的燃气开度（82、85）已经接近上限（90），空气的开度（5、2）也接近下限（0），说明燃气和空气的进气量配比已经接近最上限，机组的功率366kw，这时再想将机组功率提高，或者是瓦斯浓度再降低而想要保持同样的输出功率的空间已经非常小了；而在第4组数据中，进气温度24℃，瓦斯浓度8%时，机组的燃气开度（61、48）和空气开度（34、38）分别离自己的上限值和下限值还很远，燃气和空气的进气量配比距最上限还有空间，如果这时候瓦斯浓度降低，机组依然还可以提高燃气和空气的进气量配比，在一定范围内保持输出功率。

三、减小环境温度对机组功率影响的方案

结合上面的数据及结论分析，解决温度对机组功率影响的有效办法是对进入发动机气缸的气体降温，并使这部分气体的温度尽量少受环境温度的影响，整个瓦斯供气流程中，具体到每一段，气体的温度差别很大。分析在整个气体输送的过程中，瓦斯温度变化最大的一段是在远程细水雾输送环节，系统中输送的气体温度最容易受到环境温度影响的也是远程细水雾输送环节，所以，将发动机组的进缸气体温度降下来的最有效的方法就是在远程细水雾输送过程中将气体温度降低。

（一）方案1

在现有的系统上，做一些改动，将细水雾的水温降下来，并且在环境温度高时，尽量减少细水雾水在输送过程中从环境中吸收热量。通过细水雾水将管道中瓦斯的温度降下来，进而降低进缸气体的温度。

（1）使用更大更深的细水雾水池，一方面改善水池的散热效果，降低水温；另一方面更深的水池水温更接近地温，更能有效的稳定水池水温。

（2）在细水雾水池上使用凉水塔，降低水温。

（3）对细水雾输送管道进行保温，减少高温天气下细水雾水从环境中吸收的热量，同时也有助于稳定水温。

1.方案优点：投资小，工程量也相对较少；不会产生安全隐患；更深更大的水池有利于水垢及其它掺杂物的沉积。

2.方案缺点：降温效果有限；大水池同时需要泵房的面积增大；凉水塔会加大系统中水的消耗量。

（二）方案2

将远程细水雾输送管路改为地埋管道，在安装细水雾喷头的地方设置窨井以方便检修。利用地温对瓦斯起到降温和恒温的作用。详见附图。

1.方案优点：相对方案3投资小，相对方案2效果好；并且可以起到辅助脱水的作用。

2.方案缺点：检修困难；管道防腐要求高；需要更深的回水池，回水困难；管道存在下沉的可能。

（三）方案3

在机组前加装气体预处理系统，从根本上解决气体的降温、脱水、稳压问题。

1.方案优点：系统、根本的解决问题。

2.方案缺点：投资大；低浓机组以前未安装过气体预处理装置。

四、其他影响低浓机组运行功率的因素

对于瓦斯爆炸极限的影响因素有：（1）可燃气体的加入；（2）煤尘的混入；（3）惰性气体；（4）混入气体的初始压力、温度。在对小青煤矿抽采的低浓度瓦斯进行气样分析后发现：气体中主要的可燃成分是CH4，其它可燃气体的混入量几乎为0。

因为有细水雾输送系统，在整个瓦斯输送环节中，气体都非常的潮湿，煤尘进入气缸的量很少，对做功的影响也非常小。瓦斯中的主要惰性气体是N2。CO2不参与燃烧，对做功影响也很大，但其含量非常少。瓦斯中N2的含量增加，也会影响做功，经过对矿抽采的低浓瓦斯的抽样分析，其可利用瓦斯浓度范围内，瓦斯中N2含量很少高于73%，远低于空气中N2的含量（78%）。而这个比例的N2含量，对机组功率的影响很小。采样中发现小青矿抽采的可利用的低浓度瓦斯中O2的含量也比较充分。压力对机组功率的影响分为两部分：进入机组的瓦斯压力和进入气缸前的混合气体压力。出于安全的考虑，小青低浓度瓦斯发电站的气源压力不会高于10kpa，低浓度瓦斯发电机组要求的最低启动气源压力是3kpa，机组正常运行所需要的最低压力也在3kpa左右。如果瓦斯浓度较低，机组正常运行所需要的压力也会更高，一般在5kpa。正常运行的低浓度瓦斯发电机组增压器出口的混合气体压力在30kpa—40kpa，经过两个干式阻火器和中冷器后，进入气缸前的混合气体压力在20kpa—30kpa，低于15kpa就肯定会影响到机组的输出功率。有时候同样的瓦斯气源和运行环境，发电机组的功率也会有很大差别。

综合以上，除进气温度外，在固定瓦斯浓度范围内对低浓机组功率影响的其他因素包括：瓦斯中除CH4外其他可燃气体的混入量、煤尘的混入量、混合气体中惰性气体和其它不能参与燃烧气体的含量、O2的含量、气体的压力（包括进入机组的瓦斯压力和进入气缸前的混合气体压力）以及将在后面提到的瓦斯中水的含量。其中影响小青低浓度瓦斯发电机组功率的主要是后三者。

五、总结

结合前5个月对低浓机组运行功率和温度的记录数据和实验数据，排查小组分析了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。在气源的氣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，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。

参考文献

[1]苏石川，元广杰，杨宗明.现代柴油发电机组的应用与管理.北京：化学工业出版社.2005.

[2]孙茂远，黄盛初等.煤层气开发利用.北京：煤炭工业出版社.1998.

[3]鲜保安.中国煤层气开发关键技术及综合利用.天然气工业出版社.2004

作者简介

王托（1978年-），男，高级工程师。2001年毕业于沈阳工程学院热能与动力工程专业，现在铁法煤业集团煤层气公司瓦斯发电场从事管理职务。

（作者单位：铁法煤业集团煤层气开发利用分公司）