山西大宁煤矿瓦斯蒸汽联合循环电站设计.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 6期 do i ： 1 0 11 7 99 c e 2 o1 3 0 6 0 0 2 山西大宁煤矿瓦斯一蒸汽联合循环电站设计 炱利民 ，杜继萍 ，李丰亮 ( 1 煤炭工业太原设计研究院，山西 太原0 3 0 0 0 1 ；2 万浦投资中国有限公司，山西 晋城0 4 8 0 0 0 ； 3 山西兰花大宁发 电有 限公 司，山西 晋城048 o o o ) 摘要：山西大宁煤矿 瓦斯一蒸汽联合循环电站利用瓦斯作燃料配置燃气内燃发 电机组、余 热锅炉及蒸汽轮机联合发电，总装机容量 3 5 m w。在瓦斯发电行业中，是世界上第一座投入运 营 单机容量最大、发电设施最完善的瓦斯一 蒸汽联合发 电站 ，设备先进 ，自动化程度 高、运行效果 好。文章通过对其工艺介绍和运行情况分析 ，总结一些设计经验 ，以便 同行参考、共同商榷 。 关键词：瓦斯一蒸汽联合循环 电站 ；工艺介绍 ；运行效果 ；设计经验 中图分类号：t m 6 2 1 文献标识码 ：b 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 3 ) 0 6 - 0 0 0 4 - 0 3 目前，我国生产煤炭的高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿 井约占矿井总数的三分之一，煤炭生产过程中伴生的瓦斯 气对全球气候变暖有着不 可忽视 的影响 。在 “ 十二 五” 开 局之年，合理开发利用瓦斯气是一个新课题 ，现在瓦斯气 广泛应用于城市民用、 汽车及工业燃料、瓦斯发电等领域 ， 其中瓦斯发电是一条技术可行、经济合理、便于操作的技 术路线，对促进国民经济可持续发展具有重大意义。 1电站 工程设 计 1 1 工程 简述 山西大宁煤矿瓦斯一蒸汽联合循环电站依托煤矿瓦斯 进行发 电，大宁煤矿井 田位于 山西省晋 城市 阳城县境 内沁 水煤田南部 ，面积 3 8 8 3 k m ，煤炭地质资源储 量为 6 3 6 亿 t ，主要可采煤层为3 煤，储量 1 7 1 亿 t ， 2 0 0 7年8月正 式投产，达到设计年生产能力 4 0 0万 t 。大宁矿属高瓦斯矿 井，已建成地面永久瓦斯抽放站，年抽放折纯瓦斯 1 4 7 1 0 n m ，主要供丰 润瓦斯 电厂 2 0台 5 0 0 k w 国产 瓦斯发 电 机组和本矿采暖锅炉 使用 ，年用气 量为 4 8 11 0 n m 。经 过多次论证，兰花集团公司建设 84 m w 燃气 内燃发电机 组配 “ 4 4 3 8 t h 余热锅炉 +3 mw组合快装凝汽式汽轮发 电机组” ，具备 3 5 mw发电能力，燃气内燃发电机组选用 目 前世界上单机容量最大的 4 mw 德 国道依茨燃气 机组 ，余热 锅炉选用上海益格新 技术工 程有 限公司生产 的锅 炉 ，产 生 的过热蒸汽拖动汽轮发电机组进行联合循环发电，年利用 5 3 71 0 m 折纯瓦斯气 ，相当于 8 8 3万 t 标准煤 ，减排 c o ，当量 8 7 1 万 t 。 1 2电站 工艺流程 山西大宁煤矿瓦斯一蒸汽联合循环电站流程如下：井 4 下瓦斯一瓦斯抽放站一储气柜一预处理车间一燃气内燃发 电机组一变电站一并入电网；另外 ，燃机高温烟气进入余 热蒸汽锅炉一汽轮发 电机组一 变 电站 一并 入 国家 电网。其 电站流程 图如图 1 所示。 l 图 1 电站流程图 1 3电站主要 设备 1 )燃气 内燃发 电机组 。燃 机型号 t c g 2 0 3 2 v 1 6 ，额定 功率4 0 0 0 k w，额定电压 1 0 5 k v，进气压力 1 23 0 k p a ，燃 烧空气 流量 1 4 6 6 0 n m h ，烟气 排放 流 量 1 5 9 4 5 n m h ，排 烟温度4 6 1 ，机组热耗 8 3 8 8 mj k wh ，发电效率 4 2 1 ， 共 8台( 套) 。 2 )余热蒸汽锅炉。锅炉型号 e g s 4 32 4 5 4 0 0 n s v， 为卧式不补燃型单压 自然循环 ，额定蒸发量4 3 8 t h ，额定 过热蒸 汽压力 2 4 5 mp a ，额定过热蒸汽温度 4 0 0 c，采用饱 和蒸汽混合减温，给水温度 1 0 5 c，排烟温度 1 3 9 c，热效 率6 8 3 ，共4台( 套) 。 3 )汽轮机。汽轮 机型号 n 32 3 5 ，为组 合快装 凝汽 式 ，额定 功率 3 0 0 0 k w，额 定转 速 5 6 0 0 r m i n ，额 定进 汽量 1 5 6 t h ， 主 汽门 前蒸汽压力2 3 5 d l2 m p a ， 主汽门 前蒸汽温 度 3 9 0 ： ，额定 排汽压力 0 o 1 0 3 mp a ，额定 抽汽压力 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 71 2 作者简介：负利民( 1 9 6 8一) ，男 ，山西大同人，高级工程师，毕业于东北电力学院电厂热能动力专业，现任煤炭工业 太原设计研究院综合所副所长。 西 2 0 1 3年第 6期 煤炭工程 0 4 4 6 mp a ，额定抽汽温度 2 3 0 c，额定抽汽量：1 2 5 t h ， 给水回热级数 1级( 一级除氧) ，共 1台( 套) 。 4 ) 发 电机 。发 电 机 型 号 q f kk 32 ，额 定 功 率 3 0 0 0 k w，额定转速 3 0 0 0 r m i n ，额定电压 1 0 5 k v，冷却方 式 闭式空冷 ，共 1台( 套 ) 。 1 4 电站 主要 系统 1 )瓦斯储存 、预处理系统 ：考虑两座 1 5 0 0 0 m 湿式 瓦 斯气柜以满足电站大约 1 5 h的用量。气柜瓦斯出口压力 1 6 2 3 2 3 k p a ，为常温饱和气体，根据机组的进气要求， 设置瓦斯预处理 ，额定处理 能力为 2 0 0 0 0 n m 。根 据机组 对 瓦斯气体的要求，预处理系统主要包括过滤、脱水、加压 及冷却等环节。瓦斯由气柜一初效过滤器过滤一 冷干设备 预冷及脱水一罗茨鼓风 机加 压一 精密过 滤器 过滤送 至燃 机 房，共分 5个单元 ，正常工况 5台同时运行，每台维持 6 0 的负荷，以实现热备用。 2 )燃机燃烧系统：燃气内燃发电机组燃烧所需空气由 室外一进风消声过滤组合装置一 电动风门一 屋顶风机一钢 风道一分两路送至燃机房，再经空气滤清器进入机组，专 管专送。燃烧后排出的高温烟气经烟道一余热蒸汽锅炉换 热一钢烟 囱排人大气 ( 1 3 9 o c) 。 3 )燃机冷却水系统 ：每台燃机有两套冷却系统 ，是 缸套水系统 ，另一是中冷水系统。缸套水系统主要冷却发 动机运转时气缸和润滑油产生的热量，同时预热进入空气 滤清器的低温燃烧空气 ；中冷水系统主要冷却空气和瓦斯 气混合后气体在废气涡轮增压器中压缩产生的热量。两套 系统均为封闭式冷却水循环系统，配有各 自独立的冷却水 管道 ，其水一空散热机组设备布置在燃机间屋顶。冷却液 的更换和补充 ，通过补液泵，将桶装冷却液直接打到屋顶 设置的补液箱 。再由补液箱通过管道 自流至各散热水箱。 4 )燃机润滑油系统：其作用是将一定数量清洁、温度 适宜的油品送至燃机各摩擦表面来实现润滑、密封、防锈 等，外部主要包括补、放油设施。该电站设置 1台 8 m 补 油箱、2台补油泵和一座 1 0 m 废油池。 5 )燃机曲轴箱呼吸系统：每台燃机有两根 q b l 0 84 呼吸管道 ，与大气相通 ，排气 口高出周围建筑物4 m。 6 )余热锅炉主汽、主给水、排污系统：四台锅炉主蒸 汽采用单母管制；主给水设有高低压给水母管，电动给水 泵共三台，二运一备 ；排污系统仅设 1台0 8 m 排污扩容 器 ，将排污水扩容后排至排污降温池。 7 )汽轮机回热除氧、主凝结水、疏放水系统 ：回热除 氧系统设置 1台热力喷雾除氧器和除氧水箱，除氧器出力 2 0 t h ，工作压力 0 0 2 mp a ，出水温度 1 0 5 c，除氧水箱有 效容积 1 0 m ；主凝结水系统包括凝汽器、凝结水泵、两级 射汽抽气器等 ，设二台凝结水泵，一运一备；疏放水系统 设一个 1 0 m 疏水膨胀箱，二台疏水泵，一运一备。 8 )汽轮机循环水系统 ：采用节能型水膜式 空冷器 ，系 统封 闭式 。 9 )化学补充水系统：采用 “ 反渗透装置 +e d i 装置” 处理方式生产除盐水 ，供余热锅炉及汽轮机循环水。 1 0 )电气主接线 ：发电机出口电压 1 0 5 k v，8台燃机 分为两组，其中一组 4台燃气内燃发电机组及 1台汽轮发 电机组接至 1 0 k v母线 i 段；另一组4台燃气内燃发电机组 接 至 1 0 k v母线 段 。分别经升压变 压器升至 1 1 0 k v，以一 回 1 l o k v出线接人芹池 1 1 0 k v变 电站与 电力系统并网运行 。 1 1 )热工控制系统：本电站除燃机采用相对独立控制 系统外 ，余热锅炉、汽轮发电机组、除氧给水、化学水处 理、瓦斯预处理等采用分散控制系统( d c s ) 进行监视控制。 d c s系统通过专用的模块接受燃机信号 ，只对燃机进行参 数显示、改变单机的负荷大小、运行的台数、启动或停机， 而不能对其 控制系统参数 进行改变。 1 5 电站 总平 面布 置 该 电站主要 建( 构 ) 筑物 有主厂房 、预处理 车问 、主控 办公楼、1 1 0 k v变电站、冷却车间、水池及地下泵房。其 中主厂房为联合建筑，包括燃机问、汽机间、水泵间、水 处理及除氧间等，电站厂址位于大宁煤矿工业场地南面瓦 斯抽放站旁、芦苇河南岸斜坡上的一块小台地上，标高介 于 6 2 7 0 6 3 0 0 m之间。根据 煤炭安全规程结合地形， 整个场地大致成 南北 向布置 。场 地最北 端设 置主人 口，场 地北端靠近主人口处布置主厂房( 5 8 m 2 4 r n ) ，呈南北向布 置；主厂房西侧，自北 向南依 次平行布置有主控办公楼 ( 2 5 2 m 1 2 9 m) 和 1 1 0 k v变 电站 ( 1 8 m1 9 m) ；1 1 0 k v变 电站南侧为现有开闭所、水池和地下泵房；主厂房南侧布 置冷却车间( 3 0 m1 2 m) ，南北向布置；场地最南端 ，在高 压线北侧平行布置有预处理车间( 2 4 m1 5 m) ，其南部为次 人 口大 门，电站总平面布置如图 2所示 ，占地 1 2 1 h a 。 0 汽 。 废油池 i 匿 矿井 壁 机 主 厂房 、 圉 宙 囱 拿 间 燃机 问 扩散 匡 0 啄 藕 雨 塔 一 1 i ra 1 主 办 公 搂 一 网 i r 图 2电站 总平面布置 1 6设 计要 点 1 )采用当今世界上最为先进、单机功率最大的燃气内 燃机进行燃气一蒸汽联合循环发电，电站占地小，全厂热 效率高。 2 )由于建设场地两侧分别为抽放站和风排瓦斯风井 ， 设计充分考虑场地大小及与上述两者安全间距要求，做到 “ 布置紧凑、功能明确、节约用地” ，流程合理，管线短捷， 道路通 畅等要求 。 3 )3 mw快装凝汽式汽轮发电机组凝汽器循环水冷却 5 煤炭 工程 2 0 1 3年第 6期 采用节能型水 膜式 空冷器 ，与 开式冷却 塔系统 相 比，减少 设备结垢 ，提高换热效果 ，节水 5 0 左右；能充分 回收循 环管余压 ，节省电耗约 1 5 。 4 )预处理系统单元采用热备用方式，可以保证由于瓦 斯浓度变化 ，出力及时调整，以保证燃机稳定运行。 5 )采用 d c s集中控制系统，集生产控制、现场监视、 顺序控制和管理于一体，并带有上位计算机通信功能和数 据采集全方位控制系统，与德国燃机厂家直接联网，第一 时间排除故障隐患。 6 )结合燃机对燃烧空气和散热通风的不同要求，考虑 我国对工业 场地 噪声控制 的严格要 求 ，采用 以下措施 ：厂 房式布置，不同进风系统、共同排风系统。 7 )施工图采用限额设计，确保工程决算总投资不突破 设计概算。 2 电站运行效果及设计体会 2 1 电站 运行 效果 山西大宁煤矿瓦斯一蒸汽联合循环电站 2 0 0 8年 6月破 土动_t ，经过两 年紧张建设 ，电力 接入系统 、消 防、劳安 、 职业卫生等验收手续陆续完成，单机和分系统调试于 2 0 0 9 年 1 1 月 中旬全部通过 ，2 0 1 0年 2月 2 3日完 成倒送 电任务 ， 6月 1 0日 8台燃机 同时并 网发 电 ，正 式进入试 生产运行 阶 段，2 0 1 1 年 3月 1 3日发电机组正式商业运营。截至 2 0 1 1 年 1 0月 1日累计发 电量 1 5 3亿 k w h ，实现 电网销售 收 入 7 7 8 0万元，同时 c d m收益也即将到账。实际运行效果 与已投 产 单 机 2 mw 瓦 斯 电站 相 比：机 组 热 耗 8 5 5 mj k w h ，少 0 6 4 mj k w h ，单机 发电效率 4 2 1 ，全厂联 合发电效率 4 5 6 6 ，高2 9 ，单位水耗0 4 3 4 k g k w h ， 气耗 0 2 1 9 n m k w h 。 2 2电站设 计体会 1 ) 国内首次运用德 国道依茨 4 mw 燃气 内燃发 电机组 发电。通过多次技 术联络 会 ，不断与 德 国道依 茨厂 家技术 人员进行技术交流，逐步掌握了4 mw 燃机及其配套设备、 电气控制系统 的工 作原理 ，根 据机组 自身 的特性和 制造设 计参数，配备完善的预处理系统、电气保护和 d c s系统， 并利用互联网络技术，成功实现了国家电网北京总部和德 国厂家对电厂运行情况 的实时监控 。 2 )成功解决 了燃气 内燃发 电机组通风散热和降噪 的问 题。燃气内燃发电机组 1 m处噪音为 1 0 6 d b( a) ，为了解决 噪音问题，德方要求采用房子套箱体的布置模式，而经过 多次制模计算，即要满足机组对通风要求，又要控制噪声 传播，大胆采用厂房式布置设计，厂房外围护结构采用加 气混凝土砌块外挂聚氨酯夹芯板，所有窗户均为双层中空 玻璃厚壁铝合金窗，门为隔声平开门；通风窗采用隔声百 页窗。为了满足燃机 问 8台燃气 内燃 发电机组 燃烧及 散热 需要大量的通风，避免噪音通过进、排风 口外传 ，第一次 采用两套通风系统 ，即燃烧空气送风系统和散热冷却通风 6 系统，并在通风系统中安装有降噪设备。燃烧空气送风系 统流程 ：室外空气一 进风消声 过滤组 合装置一 电动 风 门一 屋顶风机一钢风道一分两路送至发 电机组空气滤清器处。 进风消声过滤组 合装置 、电动风 门和 屋顶风机 各 8台，与 燃机一对一配置 ，布 置在燃机 问屋顶 ，单 台机组送 风量 为 1 6 3 9 8 m h 。散热冷却通风系统保证燃机问工作区温度小于 等于 3 2 ，其流程为：室外空气一进风消声过滤组合装置 一 电动风 门一 混流风机一 钢风 道一燃 机间一 电动风 门一排 风隔声消声组合装置一大气。进风消声过滤组合装置、电 动风门、混流风机和排风隔声消声组合装置各 8台，与燃 机 一 对 一 配 置 ，单 台 机 组 散 热 冷 却 所 需 的 通 风 量 为 1 2 8 8 0 4 m h 。通过以上措施 ，实 际检测 本 电站 厂界 噪音 达 到排放标准要求。 3 )解决 了场地小设备 布置 紧张 的难题 。本 电站场地位 于矿井通风机房和瓦斯抽放泵站之间，围墙内留用场地面 积很小 ，为 了满足矿井设计规 范通风机房 5 0 m 内不得布 置 压缩机房及避开场地内现有两趟 6 k v电力线路安全距离等 规定 ，总平面布置时进行多次优化，尽可能采用联合布置 方式，利用立体空问，满足了安全等部门的验收要求。 4 )解决了瓦斯电站燃料供应负荷变动大的问