张明豪

（山西凯嘉煤层气发电有限公司，山西介休 032000）

0 引言

瓦斯是煤炭生成过程中的伴生气体，虽然在一定程度上是制约煤矿生产安全的不利因素，但也是一种宝贵的清洁能源[1]。煤矿井下抽采的瓦斯中含有氮气、氧气以及甲烷等，瓦斯的温室效应约为二氧化碳的21倍，若将瓦斯直接排放，则会给生态环境造成显著的不利影响[2-3]。通过将抽采瓦斯合理利用，不仅可以减少化石燃料消耗，而且还有利于环境保护。现阶段瓦斯最常用的方式有瓦斯发电、液化、氧化等[4]。

由于受到煤矿井下条件影响，大部分矿井抽采出的瓦斯浓度在30%以下，这种浓度瓦斯适合于瓦斯发电[5]。现场通过对瓦斯发电机组发电功率的监测发现，瓦斯发电机组实际效率要显著低于设计效率，主要是由于受到瓦斯中的水分、温度、压力、甲烷浓度等影响，其中瓦斯压力对瓦斯发电机组运行效率影响显著[6-8]。因此，本文以山西某瓦斯发电厂为工程背景，采用理论分析及现场测试方法，分析瓦斯压力对瓦斯发电机组发电功率的影响，以期能在一定程度上提升瓦斯发电机组的运行效率。

1 瓦斯发电机组工作原理

现阶段，瓦斯发电主要采用内燃机发电技术，基本的运行原理如图1所示。

图1 瓦斯发电机组工作原理示意图

采用真空泵将瓦斯从井下抽采之后，瓦斯流经瓦斯泵房，在瓦斯泵房内装有加压泵，可以对抽采的瓦斯进行加压。对瓦斯加压后，瓦斯压缩会造成瓦斯温度上升，因此在进入瓦斯发电机组前，需要采用预冷机组对输送管道内的瓦斯温度进行降低。在瓦斯进入内燃机组后，内燃机根据进入的瓦斯浓度对吸入空气量进行调整，从而使瓦斯浓度与空气间的比值达到最佳，让瓦斯燃烧更为充分。瓦斯燃烧产生能量推动活塞做往返运动，随后带动曲轴做旋转，曲轴通过联轴器与发电机组联接，从而带动发电机组转子运转，发出的电能经过变压器后给用电载荷供电。

2 瓦斯压力对瓦斯发电机组发电效率影响理论分析

矿井抽采的瓦斯主要成分为氮气、氧气以及甲烷，其中甲烷含量直接关系到瓦斯发电效率。当瓦斯发电机组设计以及安装完毕后，对瓦斯发电机组实际发电效率影响最为显著的就是单位时间内进入到内燃机中的甲烷流量。提高进入到内燃机内的甲烷流量的方式有3种：（1）降低输送管道内的瓦斯气体温度；（2）提高瓦斯输送压力；（3）提高瓦斯中的甲烷浓度。

瓦斯气体温度降低效果与预冷机组制冷效果密切相关；甲烷浓度跟矿井生产条件、瓦斯抽采方式密切相关，受矿井条件限制明显。可以通过适当增加加压泵运转速度来替代瓦斯管道输送压力，但是受瓦斯压力提升与安全因素限制，瓦斯压力提升时会增大甲烷爆炸极限范围，如若瓦斯爆炸极限范围扩展至甲烷实际含量，当条件合适时，甲烷就可能会发生爆炸，给瓦斯发电带来严重安全隐患。因此，瓦斯压力提升受限制明显。

内燃机瓦斯燃烧缸内的体积是保持不变的，在一个周期内进入到内燃机瓦斯燃烧缸内的瓦斯体积保持不变，则理论情况下的平衡方程为：

式中：P为瓦斯压力；V为瓦斯燃烧缸内体积；n为摩尔数；R为气体常数；T为温度。

由式（1）可知，当V、R、T保持不变的情况下，提高瓦斯压力可以提升瓦斯摩尔数，即在保证瓦斯中甲烷浓度不变的情况下，提升瓦斯流量。

矿井瓦斯采用负压抽采方式，抽采管道内的压力通常为负值，瓦斯经过瓦斯泵房经加压泵加压后，瓦斯管道的瓦斯压力通常可以达到数千Pa。

3 输送压力对瓦斯发电机组功率影响分析

3.1 瓦斯输送压力提高方法

为了提升瓦斯输送机压力，可以采取下述几种方法。

（1）提升瓦斯抽采泵运转速度，从源头上提高瓦斯输送压力。通常采用变频器来实现对瓦斯抽采泵的运行速度调节，从而达到提高瓦斯泵排气压力的目的。

（2）减少瓦斯输送管路的输送阻力，主要可以采用的方法为减少瓦斯输送长度，减少输送管理中弯头、阻火器等数量。

（3）若瓦斯输送管路线路过长，可以采用在输送管路中增设增压泵的方法来提高输送压力。

一般情况，矿井多是在瓦斯泵房加压泵上增加布置一变频器来实现提高瓦斯输送压力的目的。在瓦斯输送长度、输送阻力等其他条件不变的情况下，瓦斯管路输送压力与变频器输送频率成正比。

3.2 瓦斯输送压力对瓦斯发电机组发电功率试验分析

山西某矿地面瓦斯发电站布置有一台发电功率700 kW的内燃机发电机组，如图2所示；配备有预冷机组（氟利昂），如图3所示。瓦斯泵站有变频器可以实现对瓦斯输送压力进行调整。

以该瓦斯发电机组为研究对象，通过变频器来对加压泵运行速度进行调整，从而改变瓦斯输送压力。在瓦斯输送管道上装置有压力表以及压力传感器，在监控中心即可实现对输送管道压力的变化进行记录。瓦斯输送温度测量可以通过温度传感器在监控中心读取，同时也可以采用红外仪现场测量。

图2 矿井瓦斯发电机组

图3 瓦斯输送管路预冷机组（氟利昂）

瓦斯发电机组发电功率数据读取可以从控制中心获取，在测试过程中通过改变变频器输送频率来改变加压泵运行速度，从而改变瓦斯输送压力。从监控中心获取到的不同瓦斯输送压力下的发电机组发电功率如表1所示；具体瓦斯发电机组发电效率随输送压力变化情况如图4所示。

表1 不同瓦斯输送压力下的发电机组发电功率

图4 瓦斯发电机组发电效率随输送压力变化情况

从表1及图4中可以看出，随着瓦斯输送压力的增加，发电机组的发电功率也显著提升，整体变化呈现出正相关趋势。通过式（1）及上述理论分析也可以得出，随着瓦斯输送压力的增加，瓦斯发电机组会呈现出增加趋势。

以瓦斯输送压力为1.0 kPa及11.1 kPa两种情况下，保持瓦斯输送温度、流量以及浓度稳定的情况下，输送机的甲烷质量流量比值可以采用下式计算求得：

实际情况下，从1.0 kPa输送压力增加至11.1 kPa输送压力时，发电机组发电功率增加率为520 kW/486 kW=1.07。从上述分析可知，随着瓦斯输送压力的增加，输送至发电机组内的甲烷分子量增加显著，但是甲烷分子增加量显著高于发电机组功率的增加幅度，主要是由于实际瓦斯发电机组工作过程中受到诸多因素的影响，瓦斯中的含水量、发电机组的气缸温度过高等都会影响发电机组发电功率。

4 结束语

通过上述分析可知，通过提高瓦斯输送泵的工作频率来提升瓦斯输送压力，可以在一定程度上提升瓦斯发电机组发电功率。在煤层瓦斯含量较高的矿井，不需要额外增加设备投入，仅仅通过变频控制措施，就可以大幅度增加瓦斯发电机组发电功率，提升瓦斯发电效果。但是，由于瓦斯输送机的压力增加会在一定程度上增加瓦斯爆炸的极限范围、瓦斯输送温度，因此应做好相对应的安全防护及温度降低措施，确保生产安全。