煤矿瓦斯发电方案设计说明书.doc

县煤矿瓦斯发电方案设计说 明 书院 长：李文总工程师：卢平项目负责：卢平报告编制：唐小山四川省安全科学技术研究院二八年十二月前 言煤层气（瓦斯）是温室效应很强的气体（约为CO2的21倍），排入大气中将使地球表面变暖，导致许多自然灾害的发生；同时瓦斯的综合利用价值又很高，可用于民用、发电、供热，也是农药、医药、染料等有机化工产品的基础原料。县煤矿根据国家瓦斯利用的的相关文件精神和矿井瓦斯赋存及抽采情况，矿井决定投资建设瓦斯发电项目。现矿井特委托我单位进行县煤矿瓦斯发电站方案设计。本矿井瓦斯发电站设计总装机容量为1000KW，工程建成投产后年发电量为kwh，项目建设总投资为万元。一、编制本设计的参考依据：1、煤矿安全规程(2006版)；国家安全生产监督管理总局；2、矿井抽采瓦斯管理规范（1997）中华人民共和国煤炭工业部；3、矿井抽放瓦斯工程设计规范（MT5018-96）（1997）中华人民共和国煤炭工业部；4、输气管道工程设计规范GB50251-94（2003年版）；中华人民共和国建设部；5、低浓度瓦斯输送管道安全保障系统设计规范（征求意见稿）；国家安全生产监督管理总局6、中华人民共和国国家标准小型火力发电站设计规范（GB50049-94）；7、中华人民共和国国家标准10kV及以下变电所设计规范（GB50053-94）；8、中华人民共和国国家标准建筑物防雷设计规范（GB50057-94）；9、县煤矿提供的煤矿瓦斯抽采设计和瓦斯抽采竣工报告等；10、县煤矿提供的“瓦斯发电并网申请”的回复。二、设计的主要技术指标：1、利用瓦斯浓度：25502、预计瓦斯平均流量：5m3/min；（纯量）3、设计瓦斯发电装机规模：1000KW；1 瓦斯发电站建设的必要性和可行性 1.1瓦斯发电站建设的必要性1、国家要求国务院办公厅关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见(国办发200647号)，提出了加快煤层气抽采利用的16条原则，要求必须坚持先抽后采、治理与利用并举的方针，采取各种鼓励和扶持措施，防范煤矿瓦斯事故，充分利用能源资源，有效保护生态环境。意见指出，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。在国家相关政策的支持下，目前瓦斯发电正蓬勃发展，特别是利用内燃机瓦斯发电机组发电具有建站时间短，投资相对较低，发电效率高等优点，得到迅速推广。2、矿井基本情况矿井瓦斯灾害情况矿井瓦斯抽采情况（瓦斯量大小？不利用浪费可惜），为了更好地进行矿井瓦斯灾害治理，促进矿井瓦斯抽采工作，以用促抽，以抽保发，矿井建设瓦斯发电站显得十分必要。矿井用电情况：煤矿地理位置，现有供电情况（供电变电所、双回路线路？、容量大小？煤矿用电量大小？供电质量？电力成本？）1.2瓦斯发电站建设的可行性1、国内瓦斯发电技术已相当成熟：国内瓦斯发电机组生产厂家有三家，分别是济南柴油机股份有限公司、山东胜动集团和江苏启东宝驹（富成燃气）动力机械厂。济南柴油机股份有限公司生产的闭环控制稀薄燃烧瓦斯机组在瓦斯发电方面具有明显的优势，能够适应四川省小煤矿抽采瓦斯发电的需要。2、矿井瓦斯抽采情况及服务年限（瓦斯量大小、浓度满足要求）3、矿井建瓦斯抽采站建设条件（场地、电站启动电源、输电条件、上网条件）综上所述，瓦斯发电站拟发供输电概述（输电去向、容量情况）2 瓦斯发电站选址 瓦斯发电站的选址原则：根据矿井供电网络情况和运行方式，瓦斯发电站的位置应方便与电网联络；根据矿井瓦斯抽采站具体位置和其他设施场地分布情况，瓦斯发电站的位置应与矿井瓦斯抽采站相距较近，节约输气管路的投资。瓦斯发电站应靠近水源并有利于机组冷却设施建设和布置。根据以上原则并结合矿井的实际情况，该矿井瓦斯发电站的位置选择在（见图一）。 该瓦斯发电站位于境内，周围无工业和民用设施，利于布置瓦斯发电站。其区域属低山区，地势东高西低，最高点在风井工业广场东部边缘的一带，海拔高+371.0m，最低点为风井工业广场西北部越溪河，海拔+325.0m，相对高差46.0m。矿区气候为亚热带潮湿气候，春、夏、秋、冬四季分明，最高气温为38.5，最低气温-2.3，年平均气温19。雨量较为充沛，常年降雨量1260mm左右，相对湿度76%。总体上区域地形起伏较大，为受长期强烈剥蚀切割作用的中低山地形。拟建场地回填土厚度约为68m，下为页岩，可作为地基持力层。拟建场地无不良地质现象，无滑坡地带，场地稳定。 本区地震基本烈度为度。矿区南东部边缘有一条河沟越溪河，其水位动态变化受季节降雨控制。为常年流水，流量4.5227.8m3/s。可作为发电站的水源电站以矿井风机房的低压电源作施工电源和起动电源。电站距矿井地面变电所变电所2.5km，上网点为矿井地面变电所10kV 母线。瓦斯抽采泵站位于发电站北面50m以外，与瓦斯发电站联系较为紧密，供气距离短。3 瓦斯发电技术方案3.1瓦斯发电机组的选择3.1.1瓦斯发电站装机容量 瓦斯发电是以瓦斯作为燃烧动力资源，发电站装机容量取决于矿井所抽瓦斯量的大小。现在国内技术比较成熟的瓦斯发电机组为单台发电容量500KW，每年约需120万m3纯瓦斯。根据瓦斯发电机组的发电效率3.03.6kWh/1Nm3，以及矿井提供的瓦斯抽采纯流量6.62m3/min，确定矿井发电站总装机容量。总装机容量：N=3.06.6260=kW确定选用500kW机组。机组台数：n= N /（5000.85）=台台根据计算，该发电站总装机容量确定为？500kW，考虑到矿井以后瓦斯抽采量随着矿井开采范围和深度的增加而增加,电站并预留1台发电机组安装位置，最终规模（？1）500kW。3.1.2瓦斯发电机组选择国内瓦斯发电机组技术力量较强的有山东济南柴油股份有限公司、山东胜动机械有限公司、江苏启东宝驹动力机械厂三家。名称济柴牌500GF-WK型胜动牌500GF-RW型宝驹牌CBG500型优缺点1、整个系统简单，配套设备、设施少。2、气源压力要求低（3kPa），机组自带吸气增压装置（7kPa）。3、技术较先进，小机组应用广泛，西南地区应用多，使用经验丰富。4、机房占地面积小。5、总投资小1、整个系统复杂，配套设备、设施多。2、供气系统需要增压装置和雾化系统。3、技术较先进，国内大容量机组应用广泛，北方应用多。4、机房占地面积大。5、总投资大1、整个系统复杂，配套设备、设施多。2、系统需要增压装置，要求气体增压达到30kPa，需设雾化系统。3、技术先进，研制时间长，但国内应用小容量机组范围小。4、机房占地面积大。5、总投资大。推荐推荐根据比较，设计选用济柴牌瓦斯发电机组，该机组具有全自动并网，电力输出自动控制，多台机组并联运行实现负荷自动分配功能。采用世界上最先进的燃气空燃比控制技术、稀薄燃烧技术、电子点火技术和精细调速技术，能保证发动机始终以稀薄混合气进气，不回火、不传播。气阀密封严密、配时准确，从而杜绝回火现象。管道上安装了阻火器、止回阀、安全阀，确保了安全运行。机组设有油压低保护、油与水温度高保护、超速保护、过载保护、安全放散、阻火、防爆、防回火等安全保护。机组还具有运行状态自动监控，故障自动检测，远距离计算机监控、保护。瓦斯发电机组型号及技术参数机组型号500GF-WK发动机发电机型 号G12V190ZLDW-2型 号1FC6 456-6LA42发动机型式12缸、四冲程、火花塞点火、水冷、增压、空气中冷、压气机前混合额定功率500kW标定功率550kW额定容量625kVA标定转速1000r/min额定电压400V燃气压力3kPa额定电流902A机油消耗1.5g/kWh（专用机油或15W40CD）额定频率50Hz出水温度85额定转速1000r/min进水温度45功率因数0.8(滞后)热消耗率10000 kJ/kWh励磁方式无刷排气温度550(涡轮前)接线方式星形三相四线机组外形尺寸（mm）512020402780济柴牌瓦斯机组有如下特点：1.采用世界上最先进的WOODWARDEGS燃气进气控制系统，它是空燃比闭环控制系统，它的信息输入包括发动机转速度、空燃比、发动机功率、两个进气压力和一个进气温度，经过EGS的综合处理，计算出发动机最佳运行所需的燃气量，并将该信息传递给Tecjet控制阀来调整控制燃气进气量，实现最佳的空燃比和稀薄燃烧，使机组运行更加平稳、可靠、控制更加精确。2WOODWARD控制系统具有瓦斯浓度适应范围设定功能，通过浓度范围的有效设定，可保证在浓度变化（8%35%）的情况下瓦斯混合气一直处在最佳空燃比状态。3机组采用低压进气，确保了瓦斯输送过程的安全。该瓦斯机组采用混合增压技术，瓦斯和空气都用机组自身的压气机吸入，瓦斯气源压力只需大于3Kpa即可，使瓦斯机组的适用范围更加广泛。4引进德国MOTORTECH智能IC500点火系统，保证了点火控制的易操作和人性化。5无隙并网技术确保发电上网安全。该技术的主要特点是：可不对电网反送电，自用负载始终保持在自发电和电网双路供电状态,当所发电能不足时自动从电网下载电量予以补充。6排气系统有效防护，防止热量向机房释放。7四道防线确保瓦斯管道安全。稀薄燃烧技术和空燃比控制技术的采用能够保证发动机始终以稀薄混合气进气，回火不传播。高质量制造技术，确保气阀密封严密、配时准确，从而杜绝回火现象。安装在管道上的阻火器对火焰有淬熄作用而阻止火焰的传播。安装在管道上的安全阀当一旦发生回火时会迅速关闭切断瓦斯气源，并迅速打开泄掉过高的压力而确保安全。8采用计算机监控系统可实现近、远距离监控。综合机组的技术特点和在其它煤矿的实际运行情况，选择济柴牌瓦斯发电机组进行抽采瓦斯发电是完全可行的。2、济柴牌瓦斯发电机组的性能参数1、瓦斯机组对瓦斯的要求机组使用的瓦斯要经脱水、除尘处理，达到以下标准：瓦斯浓度25%；机组调压阀前进气压力大于3kPa；进气温度35；气体无游离水；颗粒杂质粒径不大于5m，总含量不超过30mg/m3；硫化物20mg/m3。瓦斯输送管线上安装瓦斯浓度报警装置和防回火安全装置。2、瓦斯机组对润滑油和冷却水的要求燃气发动机附带完整的润滑油系统，其机油消耗率1.2g/kWh，润滑油型号等级选用美孚飞马705或15W40CD。发动机高、低温循环需采用软化水，冷却水应选用略呈碱性的清洁水，不得含有腐蚀性的化合物，如氯化物、硫酸盐或酸等。其主要指标要求如下：硬度 0.75.3me/L氯离子含量 150mg/LPH值 78.53、环境要求500GF-WK瓦斯发电机组在环境温度-40+40，相对湿度90%（20时），海拔高度2000m的环境条件下能稳定、可靠、连续地运行。在标准环境状况下（大气压力100kPa，环境温度：25，空气相对湿度30）能稳定、持续输出额定功率。3.2瓦斯供气系统 瓦斯发电机组的燃气来自矿井瓦斯抽采站，瓦斯气体集中输送至发电站房后再分支分台供给瓦斯发动机，瓦斯机组采用先混合后增压技术，输送压力只需3kPa即可。发电机供气采用母管制。供气主管及母管选用为D2196的无缝钢管，支管选用D1084的无缝钢管，3台发电机组分别与母管连接。为确保供气系统的安全，在瓦斯抽采站出口的主管上设气水分离器、水封式防爆器、阻火器各一个；在主管上高处位置设置放空管装置、抗静电接地等；在靠近主厂房入口处的主管上设置闸阀、止回阀、稳压罐、气水分离器、过滤净化器、瓦斯管道专用阻火器、电磁安全阀各一个；在每台发电机组进口位置处设置调压阀、电磁安全阀、止回阀、瓦斯阻火器、闸阀各一个。在进入主厂房的管路上设置瓦斯气体浓度、流量、压力、温度传感器，实时检测通入瓦斯发电站的瓦斯气体状态。详见瓦斯进气工艺流程图WSHDQ13.3冷却循环系统该系统是为发电机组提供冷却水的，发电机组的冷却方式是强制水冷方式，这就要求系统为发电机组提供足够的、可靠的冷却水。经过现场踏勘，该电站附近没有可以充分利用的清洁水资源，设计电站发电机机组采用半开式循环冷却系统，即双温双循环结构。机组内部循环高温及低温冷却水热量通过热交换器，分别传递到外循环高温冷却系统及低温冷却系统。内循环水系统内循环系统为机内闭式循环，采用软化水，膨胀水箱静压补给，通过高低温水泵和高低温热交换器进行循环。低温循环过程：由低温水泵将冷却水压出送到机组中冷器，中冷器出水进入机油冷却器，机油冷却器出水进入低温热交换器后回到低温水泵。高温循环过程：由高温水泵将冷却水压出送到机体水道冷却缸套，再经机体上部串水孔进入缸盖水腔，然后由气缸盖上端面出水口进入汇水总管，回到高温热交换器冷却后回到高温水泵。为了补充内循环因蒸发而损失的冷却水，在高低温循环回路中设置200升大小的膨胀水箱进行软化水的补充，补充水母管选用D573.5的无缝钢管，支管选用D323.5的无缝钢管。膨胀水箱来水由电站自来水供给。外循环水系统外循环水系统采用冷却塔循环二次供水方式，补给水采用电站高位水池水（或自来水）提供，通过外置循环水泵及高低温冷却水池（玻璃钢冷却塔）进行冷却。外循环的高、低温循环系统分别由进、回水母管选用D1594.5的无缝钢管，进、回水支管选用D734的无缝钢管；2个GBNL3-200型工业用玻璃钢冷却塔、2个75m3的循环水池、3台120 m3的工作循环水泵。外循环水的补充水由。高低温循环水系统详见冷却循环工艺流程图WSHDS1。3.4电气系统 3.4.1 发电一次系统发电机单机功率为500KW，发电机出口电压为0.4KV,单机额定电流为902A,由于发电机出口电压较低,出口电流较大,因此应在发电机出口尽可能短的距离内进行升压。该电站与电力电网选择在矿上0.4KV并网，发电机出口电压0.4KV经一次升压为6KV后与电网相联； 变压器选型（按每台瓦斯发电机组500kw计算）发电机采用两台发电机组配用一台10/0.4KV变压器：10/0.4KV变压器容量：=1250KVA经上述计算，6/0.4KV变压器选用型变压器。输电线选型发电机至低压配电柜电缆发电机单台功率为500KW，出口电流为902A，根据电流选用3（YJV-0.6/1KV-3185195)电缆,单根YJV-0.6/1KV-3185195型电缆载流量为359A。10/0.4KV变压器低压侧10/0.4KV变压器低压侧电流：=1804.22A根据电流选用3（YJV-0.6/1KV-3240)+1240电缆。6/0.4KV变压器高压侧母排6/0.4KV变压器低压侧电流：=120.28A根据电流选用单片608mm2型铜母排。发电一次系统详见发电站电气一次系统图（C50717-2-1 )3.4.2 发电站循环水泵配电一次系统 发电站站用电负荷包括冷却循环系统水泵电机、软化水供水电机、发电机启备电、发电机房通风机用电、发电机房其它用电等。厂用变配电站选用一台S9-2000KVA-6/0.4KV型变压器。 变配站电源电缆选型 电源电流计算：=192.45A 根据电流选YJV-6/10KV-395mm2型电缆。 变配站电源低压母排选型 低压侧电流计算：=2886.75A 根据电流选用3(1008)mm2型铜母排。3.4.3 防雷与与接地 发电站房的防雷采用独立避雷针避雷，分别在发电站房的周围设立三根40米独立避雷针用以保护发电站房不遭遇雷电的侵害。在厂房的四周设一圈接地极，用作设备接地。防雷接地和设备接地的接地电阻均不大于10。3.5 安全监控 为保证瓦斯发电站的安全，在瓦斯发电站内建立瓦斯及输送管道安全监控系统，在站房内分别设置低浓度瓦斯传感器和高低浓度瓦斯传感器，当站房内的瓦斯浓度超过1%和输送管道内的温度和压力出现异常时，通过监控系统将自动切断对瓦斯发电站的供气。3.6发电站房通风 瓦斯发电站采用的燃料是瓦斯，而瓦斯是一种具有爆炸性危险的气体，为了保证瓦斯发电站房的安全和瓦斯发电机自身的需要，瓦斯发电站房需要采用强制通风，通过强制通风来保证瓦斯发电站房内瓦斯浓度在安全的范围内，同时为瓦斯发电机组提供新鲜空气，降低发电站房的温度。瓦斯站房通风方式采用压入和抽出相接合的方式。在站房的底部利用通风机将空气压入站房内，在站房的顶部利用通风机将站房内的气体抽出。发电机采用分组布置，每组站房布置四台压入通风机和三台抽出通风机。3.7消防 在瓦斯发电站厂房内设置手提式磷酸铵盐干粉灭火器和推车式磷酸铵盐干粉灭火器作为厂房内的灭火设备。4 建筑物及构筑物 4.1概 述 本工程位于四川省境内，该地区抗震设防裂度为6度。厂区整个场地东西约200m,南北约225m，绝对高程434.5435.5，东面略高；需建厂区内排水系统、机修间（面积：2513.5m2,起重重量5吨，层高4.5m,单层）、材料库房（面积：3513m2,层高4.5m,单层）。4.2设计资料 本工程设计主要依据以下资料： 1、矿井提供的设计任务委托书； 2、提供的该工程方案设计资料； 3、提供的该场地工程地质勘查报告； 4、提供的该场地相关气象水文资料； 5、现场踏勘资料； 6、国家现行设计规范。4.3 建筑物和构筑物 本工程主要建筑物、构筑物及其技术特征如下：1、低压变配电室 面积：17.512.5=218.75m2，起重重量10吨，层高5.4m,单层，框架结构，钢筋混凝土独立柱基础。2、发电机房 面积：72.710.24m2，起重重量10吨，层高6m,单层，框架结构，钢筋混凝土独立柱基础。3、6KV开关室 面积：2512+3012=660m2,层高5.0m,单层，砌体结构，浆砌毛石墙下条形基础。4、高温循环水池及冷却塔 32.48m2,高度10m,容积：600m3，矩形，无盖，框架剪力墙结构，上设冷却塔。5、站用电配电室 面积：9.245.74=53m2，起重重量10吨，层高5.0m,单层，砌体结构，浆砌毛石墙下条形基础。7、循环水泵房 面积：186.5=117m2,层高4.0m,单层，砌体结构，浆砌毛石墙下条形基础。 5 总图布置 5.1设计依据及基础资料 1、建筑设计防火规范GB 50016 - 2006；2、本工程区域地形图；3、总体工艺及单体建筑设备布置图。5.2 场地概述及总平面布置 该场地位于厂区所在地。厂区整个场地东西约200m,南北约225m，绝对高程434.5435.5，东面略高。本工程建设分两部分：一部分为发变电区，位于厂区西北侧，新建发电机房、低压变配电室及6KV开关室，场地标高434.65m,室内标高434.8m。另一部分为循环用水集中处理区，布置发电站站循环水泵房、用电配电室、600m3高温循环水池、400m3低温循环水池，场地标高435.1m。厂区内已有场地排水系统，本工程利用原有场地排水系统，不另建设。厂区内现有建、构筑物容积率为1.5，现有绿化率为25%，本工程建设需拆除旧建筑，并按原有标准恢复绿化；工程建成后，这两个指标不变。6 环保保护 矿井抽放瓦斯中含有CH4、NO2、CO等有害气体，在井下甲烷浓度高，易造成瓦斯灾害。瓦斯排入空气中，改变了大气的自然状态，影响人们的健康和生态环境质量。同时该项目自身并不产生对环境不利的衣物。因此，把矿井抽放瓦斯用来代替煤炭发电，变废为宝，可减少煤炭燃烧的烟尘和有害气体的排放量，同时减少大量的废渣的排放，是一项重大的环境保护工程。6.1 主要污染源及治理措施 瓦斯发电厂主要污染源有污废水、噪声、事故和检修主机时的排空瓦斯气体等。6.1.1 污废水处理措施本站不设专门的职工卫生设施，故产生的污废水仅为少量的生产检修、清洁及人员清洗所排水量，采用排入矿井污废水处理系统集中处理。6.1.2 噪声治理措施发电机房的噪声源主要为发电机组和循环水泵运行时产生的噪声，其采用的治