煤层气发电项目可行性研究报告（报批）.doc

煤层气发电项目可行性研究报告（报批版）*有限责任公司二00九年三月目 录第一章 概述11.1 企业概况11.2 项目可行性研究报告编制依据41.3 项目可行性研究范围51.4 项目建设的必要性61.5 项目建设条件91.6 主要技术原则11第二章 瓦斯气供应13第三章 瓦斯气甲烷浓度爆炸界限问题的研究203.1 *煤矿井下抽放瓦斯气成份203.2 井下抽放瓦斯气压力、温度与甲烷浓度爆炸极限关系的论述203.3 瓦斯气加压设备的出口压力243.4 结论24第四章 电力系统264.1 电力系统概况264.2 电力负荷预测264.3 电力平衡274.4 接入系统27第五章 装机方案295.1 建设规模的确定295.2 装机形式的选择295.3 机组选型31第六章 厂址条件346.1 厂址选择346.2 建厂条件346.3 厂址选择意见36第七章 工程设想377.1 厂区总平面布置377.2 发电工艺热力系统377.3 瓦斯气输配系统407.4 电气部分427.5 热工控制系统447.6 土建部分45第八章 环境保护478.1 基本情况478.2 主要污染源及污染物478.3 编制依据和采用标准478.4 污染防治措施498.5 环境影响分析51第九章 消防、劳动安全及工业卫生529.1 消防529.2 劳动安全及工业卫生54第十章 节约与合理利用能源59第十一章 组织机构与人力资源配置6011.1 组织机构及隶属关系6011.2 劳动力资源配置61第十二章 项目轮廓进度6212.1建设进度设想62第十三章 投资估算及财务分析6313.1 投资估算及资金筹措6313.2 成本费用估算6413.3 企业财务分析与评价66第一章 概述1.1 企业概况阳泉市*公司成立于2001年3月8日，由阳泉市人民政府和山西省经济建设投资公司资产重组，出资组建。2004年12月28日经阳泉市人民政府与国家开发投资公司协商将阳泉市政府持有的南煤集团部分股权转让给国家开发投资公司，实现股权重组，2005年1月15日在北京举行了股权重组及项目合作协议的签字仪式，正式成为国家开发投资公司煤炭公司控股企业。重组后资产总额为109037万元，注册资本22892万元。资本金及股权结构情况为：国家开发投资公司出资14193万元，占62%，山西省经济建设投资公司出资5647万元，占24.67%，阳泉市国资委出资3051万元，占13.33%。集团公司现有员工8500人，资产总额10.9亿元，注册资本2.29亿元。南煤集团公司现管辖有*（分公司）、大阳泉（子公司）两个生产矿井、南煤化工、广源实业、富源活性炭、通泰铁路等四个非煤产业子公司和集团供应、销售两个分公司。集团公司新成立了新型环保建材公司（年产2.6亿块煤矸石烧结砖），一期工程于2005年8月已经投入生产；同时集团公司已经开工建设2×135MW煤矸石电厂；正在筹建西上庄接替井田大型煤电一体化企业（西上庄井田储量9.6亿吨、面积53km2），拟建设6.00Mt/a矿井及配套的洗煤厂和4×600MW坑口电厂。*矿井*矿井是*公司集团公司的核心企业，其前身*煤矿成立于1952年，系国家出资收购小煤窑归地方国营后建矿。1958年矿井核定生产能力42万吨，1960年元月建成7.5km的白南铁路专用线，1962年煤炭部徐州会议决定，*煤矿为国家统配煤矿。1978年列入煤炭部老矿挖潜技术改造矿井，19791984年国家投资2148万元进行了*煤矿建矿以来最大规模的技术改造，矿井设计能力0.90 Mt/a。为了提高煤炭质量和经济效益，煤炭部以（1984）煤加局计字23号文批准建设矿井选煤厂。1985年5月至1989年国家投资1417万元建成了年洗选能力90万吨的选煤厂。1992年投资600万元进行了选煤厂配套工程，安装二套洗选设备及配套的地面储煤场，洗煤厂入洗能力达0.90 Mt/a。1990年申请国家计委立项投资533万元，1991年元月建成矿井瓦斯抽放系统，1995年建成1万m3储气罐及瓦斯抽放利用工程。1997年矿井原煤产量完成90.0862万吨，同年矿井生产能力核定为0.90 Mt/a。2001年3月*公司集团公司组建成立后，企业确立了“千方百计提高职工收入是我们永恒的追求”的企业理念和“大力提升煤炭主业、调整产业产品结构”的指导思想，为了从根本上治理瓦斯消除隐患，增强矿井防灾、抗灾能力，抓住煤炭市场好转的机遇，2002年2004年*矿井自筹资金7500余万元，由煤炭工业部西安设计研究院负责设计，对矿井的采掘工作面装备、矿井通风系统、瓦斯抽放系统、矿井主供电线路、监测监控、运输系统等六大系统进行了技术改造，矿井设计生产能力由0.90Mt/a提高到2.00Mt/a。矿井的生产能力由山西省煤炭工业局以晋煤规发2003第686号及晋煤行发2004第972号文件核定为2.00Mt/a，2005年原煤产量完成190.20万吨。大阳泉矿井大阳泉煤炭有限责任公司是*公司集团公司的子公司，其前身大阳泉煤矿属国有地方重点煤矿，是原白羊墅煤矿的接替矿，1977年开工建设，1980年正式列入国家计划，一期设计能力为45万吨/年，二期设计能力为120万吨/年，1992年底建成投产，投产规模为45万吨/年。1997年矿井经高产高效技术改造，新增加15#煤放顶煤综合机械化采煤工作面和综合机械化掘进工作面，矿井形成120万吨的生产规模，经过对采、掘、供电、运输、通风等主要生产系统的改造，矿井生产能力达120万吨/年，2004年11月山西省煤炭工业局以晋煤行发2004972号文和阳煤政发2004152号文件批复矿井核定生产能力为120万吨/年，2005年原煤产量完成105.60万吨。1.2 项目可行性研究报告编制依据1.2.1主要依据1）*煤矿瓦斯发电厂可行性研究报告委托书。2）项目单位提供的基础资料3）有关燃气发电机组及工程应用技术资料和报价。4）国家现行有关规程、规范1.2.2适用的规程、规范1）煤矿安全规程（2006）2）石油和天然气工程设计防火规范（GB50183-2004）3）城镇燃气设计规范（GB50028-2006）4）建筑设计防火规范（GBJ16-2006）5）采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）6）小型火力发电厂设计规范（GB50049-94）7）室外给水设计规范（GB50013-2006）8）室外排水设计规范（GB50014-2006）9）建筑灭火器配置设计规范（GB50140-2005）10）工业企业总平面设计规范（GB5087-93）11）火灾自动报警系统设计规范（GB50116-98）12）建筑物防雷设计规范（GB50057-94）13）建筑抗震设计规范（GB50011-2001）14）构筑物抗震设计规范（GB50191-93）15）工业金属管道设计规范（GB50316-2000）16）电力建设安全工作规范（DL5009.1-3）17）供配电系统设计规范（GB50052-95）18）10KV及以下变电所设计规范（GB50053-94）19）35KV-110KV变电所设计规范（GB50059-92）20）低压配电设计规范（GB50054-95）21）爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范（GB50058-92）22）中华人民共和国环境保护法23）建设项目环境保护设计规定24）中华人民共和国环境噪声污染防治法25）其他有关的法律、法规、规程、规范等。1.3 项目可行性研究范围根据项目单位提供的有关基础资料和委托要求，本可行性研究报告研究的主要内容有：1）瓦斯发电厂建设的外部环境分析包括：a、瓦斯气资源量分析；b、瓦期发电厂厂址选择及厂址条件的论证。2）瓦斯气甲烷浓度爆炸界限问题的研究论证；3）瓦斯气综合利用的工艺方案及相应工程包括：a、瓦斯发电厂装机规模的确定，机组形式的选择及论证；b、接入系统方案及电气主接线方案论证；c、电厂厂区总平等布置，发电主厂房建筑及设备布置；d、瓦斯发电厂各附属工艺系统方案论证，确定各系统主要设备的选型。4）其他相关问题、包括a、消防、劳动安全及工业卫生措施，节能措施的论述。b、电厂生产对环境影响及治理措施的论述。5）工程的投资估算及财务分析6）提出结论性意见需要由项目单位另行委托研究的配套项目有：1）瓦斯发电厂接入系统设计；2）瓦斯发电厂环境影响评价；3）瓦斯发电厂工程地质勘察；4）瓦斯发电厂水资源论证。1.4 项目建设的必要性环境污染已成为制约我国经济可持续发展的瓶颈，如何构筑能源、资源，环境一体化的可持续发展能源体系，是从现在起就要开始重点研究并逐步实施的战略性问题，从全世界范围来讲，工业的不断发展，大量化石燃料的使用，已经给地球带来了严重的环境恶化，而且将面临更为严重的挑战。*矿井瓦斯气含量大，浓度高，储量较为在丰富，在煤矿开采过程中，因为井下抽放的瓦斯气将是非常好的清净能源，对瓦斯气加以利用进行发电将是一个很好的途径，并能形成新的经济增长点，否则对空排放不仅造成清净能源的浪费，而且还将造成严重的环境污染，因此利用井下瓦斯气进行发电完全符合我国资源综合利用和可持续发展战略。1.4.1瓦斯发电工程项目的建设是消除井下瓦斯对煤矿安全生产的威胁，变废为宝，变害为利的需要。*煤矿属于高瓦斯矿井，由于井下瓦斯爆炸，会直接影响到矿井的正常生产，威胁井下作业人员的人身安全和共公财产，因此该矿井在开采过程中必须进行抽放，而利用抽放出的井下瓦斯气进行发电，既可以形成新的经济增长点，以又可以以抽促产，以用促抽，从而达到保证煤矿安全生产的目的。1.4.2瓦斯发电工程项目的建设是环境保护的需要井下抽放的瓦斯气其主要成份是甲烷、氧气、氮气，一般不含有含硫气体和其他有害气体，同时含有少量的固体粉尘和水雾，而甲烷气体是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳气体的21倍，如果不加以利用，直接排向大气，并且在大气层处形成一个甲烷气体库，这将导致地球反射太阳光时，在大气层处遇到这个甲烷气体库，太阳光又被反射到地球上，从而使地球的表面温度逐年上升，导致全球变暖最终破坏地球的生态环境。由此可见，对瓦斯气的综合利用是保护大气环境的需要。1.4.3瓦斯发电工程项目的建设是优化能源结构的需要。煤矿井下抽放的瓦斯气属于一种中等热值的可燃性气体，它的热值平均为3000Kcal/m3左右，抽放浓度范围一般为25%-55%，平均浓度为40%左右，它的主要成份为CH4、N2和O2，是一种优质的清洁能源，每1000 m3纯甲烷气体其热值相等于1吨石油或1.25吨标准煤的热值，而且井下抽放的瓦斯气污染少，堪称绿色能源。*煤矿井下抽放的瓦斯气为煤炭开采前、开采中、开采后抽放，抽放的甲烷浓度和气量在一定的时间内可以保持相对稳定，设计抽放初期规模（纯瓦斯）为100m3/min，随着矿井规模的不断扩大，抽放量的规模将会继续增加，甲烷浓度在9%-65%范围内变化，这为利用瓦斯气进行发电提供了良好的资源条件。综上所述，井下瓦斯气的开发利用具有改善煤矿安全，保护大气环境，优化能源结构，增加新的经济增长点，实现节能减排目的等多重效益。在我国，井下抽放的瓦斯气首先被用来民用，目前许多煤矿企业都自主建设了瓦斯气民用工程，但由于民用的间断性及用气量有限，再加上煤矿井下抽放的瓦斯气量远远大于民用耗气量，同时煤矿一般都远离大中城市，因此很多煤矿企业都将剩余的大量的井下瓦斯气用于发电项目。所以*煤矿利用井下抽放的瓦斯气为燃料，采用燃气发电装置进行发电，是非常明智之举，具有远见卓识。该项目建成后，不仅解决了瓦斯气直接排放对大气环境带来的危害，同时可以为当地增加新的经济活力，形成新的经济增长点，而且完全符合国家环保部2008年7月1日颁发的煤层气排放标准的规定，从而实现经济的可持续发展，因此建设*煤矿瓦斯发电工程项目是非常必要的。1.5 项目建设条件1.5.1瓦斯发电厂工程项目建设的国家政策关于发展热电联产的规定。急计基础20001268号关于进一步开展资源综合利用意见的通知。国发199636号关于落实好综合利用电厂优惠政策的通知。资源1998005号国家八部委下发的煤矿瓦斯治理与利用实施意见煤层气开发利用“十一五”规划国家发改委2007年4月发布的关于利用煤层气发电工作的实施意见可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法国家发改委关于提高电力发电企业上网电价有关问题的通知煤层气（煤矿瓦斯）排放标准暂行办法（GB21522-2008）1.5.2自身条件瓦斯气供应：根据*煤矿瓦斯抽放工程初步设计说明书，矿井每分钟可抽放瓦斯纯量60m3/min。预计抽放瓦斯浓度为9%-65%范围。厂址条件：项目单位为本项目提供了一处备选厂址，位于矿井的旧6吨锅炉房，厂址所在地地势平坦、开阔，可以满足本项目的建厂需要，矿区内的施工道路可满足本项目建设材料及设备运输的要求。供水水源：瓦斯发电厂供水水源可就地打井取自地下水，或直接取自矿井水处理厂，瓦斯发电厂小时用水量很少，不超过10m3/h。并网条件：该电厂装机容量小，属于矿井自备电厂，机组端电压为400V，通过升压变压器升压成6KV，并入矿井二次侧系统。1.5.3市场预测瓦斯发电厂作为资源综合利用电厂在并网运行，上网电价方面均可享受国家的优惠政策，因此瓦斯发电厂在投运后，其电力销售无后顾之忧，瓦斯发电厂上网电价比照生物质能发电项目上网电价（执行当地2005年脱硫机组标杆上网电价加补贴），大大高于普通燃煤发电厂上网电价，按照2008年8月由山西省物价局（晋价商字2008236号）转发国家发改委关于提高火力发电企业上网电价有关问题的通知的通知，从2008年8月20日起，瓦斯发电厂的上网电价为0.37元/kwh，所以本项目建成投运后，效益大为可观。1.6 主要技术原则瓦斯发电厂装机规模将根据矿井瓦斯气的资源量，场地条件进行确定，做到统筹设计，一步到位，并留有发展空间。采用先进成熟的工艺和可靠的技术设备，机组选型要根据气源情况，按照适应气源、高效率、无故障运行时间长的原则进行配置，确保项目经济效益，环保效益最大化。厂址选择应尽可能靠近气源，现有的变电站，从减少瓦斯气输送管道和电力线路的投资，厂址选择并应尽可能地利用矿区存量土地或不适于耕种的土地，以保护耕地。各工艺专业设计以节约能源，改善环境，减少占地，合理控制工程造价，提高经济效益为前提原则。电厂热工控制、保护、电气控制及保护均采用微机控制，以提高电厂的自动化水平，实现减员提效。矿井瓦斯气是易燃易爆的甲类物质，设计中应严格执行国家或行业的有关规范和标准，建立完善的瓦斯监控系统及消防系统，以保障安全生产。电厂需配套的辅助生产设施，应尽可能利用附近的现有设施，以节省投资。第二章 瓦斯气供应我国煤层气资源丰富。据煤层气资源评价，我国埋深2000m浅 煤层气地质资源量约36万亿立方米，主要分布在华北和西北地区。我国煤田地质构造复杂，部分含煤盆地后期改造较强，构造形态多样，煤层及煤层气资源赋存条件在鄂尔多斯等大中型盆地较为简单，在中小盆地较为复杂。吕梁山以西的鄂尔多斯盆地东缘及吕梁山与太行山之间的山西断隆(包括沁水盆地)，构造条件有利于煤层气开发。南煤集团地处沁水煤田阳泉矿区南东部边缘，公司煤田面积23.7464km2，东西总长度约5.75km，南北总宽度约5km。采矿许可证批准开采3号、6号、12号和15号煤层。*和大阳泉两个煤矿井田相连，其中：*矿井井田面积为12.6186km2，截止2005年底，矿井保有地质储量5595万吨，可采储量3460万吨。大阳泉矿井井田面积为11.1278km2，截止2005年底，矿井保有地质储量6855.5万吨，可采储量3243.6万吨。井田内主要含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组，分述如下：1山西组（P1S）：为本井田主要的含煤地层之一，岩性以灰深灰色泥岩、砂质泥岩间夹灰色、灰白色砂岩为主。含煤36层，分别为1、2、3、4、5、6号。其中3、6号煤层为较稳定的局部可采煤层，其余均为不可采或零星可采煤层。本组厚42.072.0m，平均厚56.68m。本组煤层的特点是：顶底板岩性变化较大,厚度两极值相差很大，如3号煤厚度为02.40m，6号煤厚度为0.311.80m。原因是由于在二迭纪初，海水退出及当时地壳升降幅度变化大，不但使煤层厚度两极值变化较大，而且各地层之稳定程度亦较差。2太原组（C3t）： 是本井田主要的含煤地层，为一套海陆交互相含煤地层。岩性以深灰黑色泥岩、砂质泥岩间夹灰白深灰色砂岩和深灰色石灰岩为主，含煤68层，分别为8、9、10、11、12、13、14、15号煤，其中12号煤较稳定，大部可采，15号煤稳定全区可采，其余为零星可采和不可采煤层，本组厚116.8139.0m，平均厚121.25m。本组与太原西山标准剖面对比，可分为三个岩层组合段。下段：是底界砂岩（K1）至15号煤层（丈八煤）之底，厚度14.34m左右，底部K1砂岩整合于本溪组之上，为灰白色细中粒砂岩，厚度6.19m左右。中段：15号煤层至猴石灰岩（K4），厚度为61.6m左右。由三层海相石灰岩石，碎屑岩及煤层组成。自下而上灰岩为：四节石灰岩（K2），厚3.406.13m，平均厚4.89m；钱石灰岩（K3），厚1.405.36m，平均2.95m；猴石灰岩（K4），厚0.362.36m，平均1.53m。煤层自下而上为15号煤（丈八煤）、14号煤（四节石下煤）、13号煤（钱石下煤）、12号煤（四尺煤）、11号煤（猴石下煤）煤层。其中15、12号煤层为全区可采煤层。上段：由K4石灰岩顶面至8号煤层老顶第三砂岩（K7），平均厚度45.31m。岩性由灰白深色砂岩、黑色泥岩、深灰色砂质泥岩及煤层组成。煤层由下向上为10、9、8号煤，均为不可采或零星可采煤层。9号和8号煤层下，分别发育有一层细中砂岩，即K5 、K6标志层。本组旋回结构明显，灰岩标志层发育稳定，地层、煤层极易对比。本组中段各煤层厚度的极值差很小。煤层厚度较大的15、12号煤，其顶板一般皆是黑色泥岩，说明当时离海较远；而厚度较薄的13、14号煤，其直接顶板均为石灰岩，说明当时离海很近，当时地壳稍有下降，即为海水所淹没，煤层受到洗刷。本组上段各煤层厚度极值相差很大，煤层结构复杂，且规律性较差。这是由于石炭纪末，海水退出及当时地壳升降幅度变化大所致。南煤集团*矿井建有地面永久瓦斯抽放系统，对井下瓦斯进行高低浓度分系统独立抽放。2005年瓦斯抽采总量达1277万m3(纯量)，抽采率达到60%，抽采浓度8-65，且逐年递增，利用量为抽采量的50%左右，剩余部分直接排放到大气中。根据矿井的保有资源储量、可采储量、吨煤瓦斯储量、矿井相对瓦斯相对涌出量、计算出矿井瓦斯储量、可采瓦斯储量、瓦斯抽采纯量及服务年限如下表：煤炭储量和瓦斯赋存量、抽采量一览表项目煤矿保有煤炭资源储量吨煤瓦斯含量瓦斯储量瓦斯抽采纯量服务年限（万吨）（m3/t)(万m3)（m3/min)（a）*矿井559512671406015合计12450149400100计算方法：矿井瓦斯储量保有煤炭资源储量×吨煤瓦斯储量。可采瓦斯储量可采储量×吨煤可抽瓦斯量吨煤可抽瓦斯量用下式计算： 其中，N每吨煤瓦斯可抽量，m3/t；C丢煤百分率，取25；b解吸瓦斯系数，一般取1；Wh煤层瓦斯含量，m3/t；Wc煤层残存瓦斯量，无烟煤取1.50m3/t；瓦斯抽采纯量按下式计算：其中，Q矿-瓦斯抽采纯量，m3/min；M-矿井日产量，t；N-每吨煤瓦斯可抽量，m3/t；-矿井瓦斯抽采率，参照国家发展改革委2005年6月22日下发关于煤矿瓦斯治理与利用总体方案的通知要求，结合矿方抽采的实际情况，确定矿井的瓦斯抽采率为50；-备用系数，取0.2；选择抽采方法的原则抽采瓦斯方法、方式的选择，应根据瓦斯及煤层赋存情况、瓦斯来源、巷道布置方式、矿井开采技术条件、瓦斯基础参数等综合分析比较后确定。a、为提高瓦斯抽采率应采用开采层、采空区相结合的综合抽采方法。b、当井下采掘工作面所遇到的瓦斯主要来自开采层本身，只有抽采开采层本身的瓦斯才能解决问题时，应采用开采层瓦斯抽采。c、工作面后方采空区瓦斯涌出量大，危害工作面安全生产或老采空区瓦斯积存量大，向邻近的回采工作面涌出量瓦斯量多，应采取采空区瓦斯抽采。d、对于瓦斯含量大的煤层，在煤巷掘进时，难以用加大风量稀释瓦斯，可在掘进工作开始前对煤层进行大面积预抽或采取边掘边抽的方法。e、对于煤层透气性较低，采用预抽方法不易直接抽出瓦斯，掘进时瓦斯涌出量不很大而回采有大量瓦斯涌出的煤层，可采用边采边抽或增大孔径和加密钻孔等方法。f、若围岩瓦斯涌出量大，以及溶洞、裂缝带储存有高压瓦斯时，应采取围岩瓦斯抽采措施。总之，确定瓦斯抽采的方法应先摸清瓦斯来源，采空区瓦斯及顶板瓦斯含量情况，结合情况选用合适的抽采瓦斯方法。瓦斯抽采方法南煤集团公司*矿井现采用的瓦斯抽放方法主要是上下邻近层抽放和采空区抽放，尾巷卸压抽放。回采工作面：主要采用采空区和上邻近层抽放。在工作面尾巷内每隔50米（以30、60度仰角向工作面上部）打两个抽放钻孔（一个高位孔、一个低位孔），钻孔长度为70米左右。同时为解决初采期间瓦斯问题，在距切眼10米、20米处各打一低位孔，倾斜长度为40米左右，终孔位置为白砂岩。在工作面专用排瓦斯尾巷敷设380mm或530mm瓦斯抽放管（与抽放钻孔接通），通过地面CBF410或CBF610水环真空泵抽放回采工作面采空区及上、下邻近层瓦斯。上述瓦斯抽放方法主要解决的是开采层上、下邻近层的瓦斯，本煤层开采期间的瓦斯主要靠风排解决。由于南煤集团*公司矿井现采的两个煤层，煤层透气性系数偏低，12#煤层煤层透气性系数为0.00015m2/(at2·d)；15#煤层透气性系数为0.000344m2/(at2·d),属基本可预抽放煤层。但15#煤层瓦斯含量较低，12#煤层瓦斯含量较高。12#煤层瓦斯含量较高，为14.715.5m3/t(参考阳煤集团测定数据)，在实际生产过程中经常出现瓦斯超限的现象，特别是在12#煤层薄煤层综采工作面、综掘工作面投产之后，采掘工作面瓦斯涌出量显现增大，回采工作面最高时达24m3/min(纯量)，已成为严重制约采掘进度的瓶颈。*矿井的瓦斯抽放方法均为“边采边抽”的采空区和上邻近层抽放，未进行提前瓦斯预抽放。CBF610水环真空泵正常抽放量为100 m3/min。第三章 瓦斯气甲烷浓度爆炸界限问题的研究3.1 *煤矿井下抽放瓦斯气成份*煤矿井下瓦斯抽放采用负压抽放，同时抽放管路受密闭条件的限制，致使井巷中的空气被大量吸入抽放管路中，导致井下抽放的瓦斯气中甲烷含量在9%-65%之间。由于*矿井属于生产矿井，根据项目单位提供的井下瓦斯气的数据进行分析。数据如下：井下抽放瓦斯气O2 12.4%N2 47.57%CH4 40%CO2 0.03%低位热值 3270kcal/N m3密度 0.716kg/(ISO条件下)3.2 井下抽放瓦斯气压力、温度与甲烷浓度爆炸极限关系的论述3.2.1井下瓦斯气爆炸极限影响因素井下抽放瓦斯气是甲烷CH4和空气的混合气体，其中含有较高比例的氧气，甲烷是易燃易爆气体，在一般条件下（即常温常压下），甲烷在空气中的浓度在5%-16%时，遇火即会爆炸，这个范围称为甲烷混合气体在常温常压下的爆炸范围，其甲烷浓度的上下限为混合气体爆炸的上下极限。但是含有甲烷的混合气体的爆炸极限不是一个固定值，它将随着各种因素的变化而变化。我们综合分析各种有关资料，对影响爆炸极限的因素分述如下：原始温度：甲烷与空气的混合气原始温度愈高，则爆炸极限范围愈大。趋势是爆炸下限降低而爆炸上限增高，原因是混合气温度升高，其分子内能增加，使原来不燃不爆的混合物变为可燃可爆混合物，因而温度升高使爆炸危险性增大，爆炸上限增高。原始压力：甲烷与空气的混合气的原始压力对爆炸极限影响很大。趋势是压力增大，爆炸极限范围扩大，尤其是爆炸上限显著增高，原因是系统压力增高，使得分子间距缩小，分子与分子的碰撞机率增大，使得燃烧的最初反应以及反应的进行，更为容易。含氧量：含氧量对可燃气体的爆炸极限影响也非常大。原始的甲烷气体中含氧量是很低的，但在储存、运输、置换等操作过程中，若有空气混入，含氧量会大大增加，导致爆炸极限范围扩大，尤其是爆炸上限提高的更快。在ISO条件下，甲烷在空气中的爆炸极限为5%-16%，而在纯氧状态下变为5%61%，极限范围是空气中的5.6倍，可见氧气对爆炸极限的影响之大，其原因在于在纯氧环境下甲烷分子与氧分子按触的几率比在空气中多的多，而且没有了与反应无关的氮分子，二氧化碳分子，减少了吸收热量的多余分子，从而爆炸危险性大大增加了。惰性介质：假如甲烷的混合气当中所含的惰性气体的体积百分数增加，则爆炸极限范围缩小，若惰性气体的体积百分数提高到某一数值，可使混合气体爆炸。因为惰性气体的增加，减少了甲烷分子与氧分子的接触机会，而且破坏了燃烧过程的连续反应，因而爆炸的危险性大大下降。容器的几何尺寸：储存甲烷容器的几何尺寸对爆炸极限亦有影响。实验证明容器直径愈小，爆炸极限范围愈小，对同种可燃物质而言，管径愈小，其火焰蔓延速度亦愈小。当火焰通道小到一定程度时，火焰即不能通过，该间距称为最大灭火间距。甲烷分子的临界直径为0.4-0.5mm。由此可见，在保证使用性能的前提下，输送瓦斯管道越长，直径越细，火焰的传播速度就越慢，这是因为随着管道直径的减小，因管壁的冷却效应而产生的热损失就会逐步加大，参与燃烧的活化分子就越少，导至燃烧温度与火焰传播速度就相应降低，直至爆炸解除。3.2.2对井下瓦斯气的甲烷浓度爆炸极限和安全限值的论述美国矿山局制定的瓦斯气中甲烷浓度爆炸极限的公式：UEL（press）=14.1+20.4Logp式中：P为瓦斯气的压力，单位为大气压。瓦斯气在不同的温度下，其爆炸上限需要进行温度系数校正，其温度校正系数为：1+0.000721(t-25)利用*煤矿抽放的井下瓦斯气为燃料，假定本项目采用QDR20型燃气轮机进行发电，其要求的燃气进气压力为0.9Mpa，燃气加压后温度达到160，根据*煤矿井下瓦斯气的工业分析数据，按照上述公式进行计算，结果是：在上述条件下*煤矿抽放的瓦斯气的爆炸上限为39.88%（甲烷浓度），如果再加上最低安全系数15%，爆炸上限将会更高。这说明假如本项目采用燃气轮机进行发电（燃气轮机即飞机发动机），为了保证电厂的安全运行，*煤矿井下抽放的瓦斯气中甲烷含量至少应在45.88%以上，这样使用才是安全的，但现实情况是不允许的，同时井下抽放也是不可能实现的，项目单位也不会同意这样利用。那么在现实当中，有没有要求燃气进气压力非常低的燃气轮机呢？回答是没有此类产品，燃气轮机好比蒸汽轮机单机容量都比较大，就拿晋城煤业集团寺河15MW瓦斯电站来说，当时该公司建立这个电站的初衷就是要证明瓦斯能够发电，其单机容量为2000kw，要求进气压力0.9Mpa，随着瓦斯发电在全国的普及，至今没有一家瓦斯发电厂采用燃气轮机进行发电，原因就是安全问题。从世界范围来看，最小的燃气轮机进气压力也要求在0.6Mpa以上。因此利用井下瓦斯气为燃料，采用燃气轮机进行发电，从安全运行角度来看是不可行的。3.3 瓦斯气加压设备的出口压力通过负压抽放泵将井下瓦斯气抽放至地面，其出口压力一般为4Kpa-8Kpa，而采用活塞式燃气内燃发动机（即汽车发动机）发电机组进行发电，其要求的进气压力一般在5Kpa-60Kpa。在这种压力下，使用井下瓦斯气是安全的，其爆炸极限没有太大变化，甲烷浓度基本上与常温常压下甲烷浓度的爆炸极限5%-16%相同。但是要采用燃气内燃发动机发电机组，利用井下瓦斯气进行发电，就需要将井下瓦斯气进行首先加压，然后再送给燃机发电。3.4 结论井下抽放的瓦斯气其爆炸极限是不固定的，它与压力、温度含氧量和容器几何尺寸等因素有关。瓦斯气的压力大小对爆炸的极限影响较大。利用井下抽放的瓦斯气为燃料，采用燃气轮机进行发电，从安全运行角度是不可行的，从井下抽放的现实情况来讲，达到安全浓度以上也是不可能实现的。利用井下抽放的瓦斯气为燃料，采用活塞式燃气内燃发动机发电机组，从安全角度讲是可行的。第四章 电力系统4.1 电力系统概况*煤矿位于山西省阳泉市境内，属阳泉地区电网管辖，虽然该地区有多座大型火力发电厂，但是主要电量供应京津唐地区，很少的一部分电量供应本地区使用。按照*煤矿初步设计说明书，*煤矿设计确定两回电源。*煤矿瓦斯发电厂位于*煤矿旧6吨锅炉房，矿井有主井工业场地变电所10KV/6KV一座，主变容量为2×6000KWA。4.2 电力负荷预测近年来，随着阳泉市地方经济的持续、快速发展，对电力的需求量要求很大，供用电矛盾依然十分突出，仍需新建或扩建一批能源综合利用发电项目，以缓解本地区的供用电矛盾。根据预测，到2010年阳泉市社会用电总量将由2005的600亿千瓦时增长到900亿千瓦时，用电负荷将达到700MW，现有电力将不能够满足该市用电需求，“十一五”期间，山西省电力公司和阳泉市政府将采取一系列措施，在推动电网建设和发展同时积极支持本地区的电源建设。4.3 电力平衡山西省*煤矿瓦斯发电厂装机规模为4000KW，并充分考虑到*煤矿由于生产规模的不断扩大和瓦斯抽放量的不断增加，而为后续扩大瓦斯发电规模留有建设余地。由于该瓦斯发电厂装机规模较小，对本地区电网供电能力和对电网的影响非常有限，因此该可研电力平衡仅在*煤矿供电区域范围计算。*煤矿属于生产矿井，其矿井用电负荷为1.6万KW，矿井正常生产时，每年耗电量为1.27亿KWh，瓦斯发电厂建成投产后，每年发电量约为2534万KWh，仍有大约1亿KWh的用电缺口。4.4 接入系统*煤矿瓦斯发电厂项目装机规模为4000KW，进行单循环发电，发电机组出口端电压为0.4KV。该项目厂址距矿井10KV/6KV变电站约2km。考虑到本项目特点和并网变电站的具体条件，瓦斯发电厂直接与矿井变电站6KV侧相连，实现局域并网。6KV并网方案瓦斯发电厂接入*煤矿工业场地10KV/6KV变电站。瓦斯发电机组出口端电压为400V，通过一个升压变压器，其容量为6300KVA，升成6KV后，与矿井10KV/6KV变电站二次侧相连，实现局域并网，为矿井提供电力。接入系统电路采用单回钢芯铝绞线，LGJ-50线路，长度为2KM，投资预算为20万元。第五章 装机方案5.1 建设规模的确定*煤矿瓦斯发电厂的建设规模应根据目前*煤矿井下瓦斯气的供应能力，资金条件及项目单位的规划意见等因素综合确定。根据项目单位的用气规划意见，*煤矿井下抽放的瓦斯气全部用来供应瓦斯发电厂发电，根据抽放的纯瓦斯气量60m3/min，按燃机发电效率12%计算，燃机的发电规模可确定为发电规模 =12%3600 m3/h×8600kcal/ m3发电规模=3600 m3/h×8.6Mcal/ m3×12%=3600 m3/h×8.6×1.163kwh/ m3×12%×=4320KW式中：1Mcdl=1.163kwh因此燃机单循环发电规模可以确定为4000KW，即每小时发电量为4000KWh。5.2 装机形式的选择根据目前国内利用井下瓦斯气发电技术应用的现状，经过对主要燃气发电设备厂家产品及其在煤矿、油气田和工厂等工业应用的调查，瓦斯发电厂的装机方案主要有以下三种形式可供选择。一、燃气内燃发动机发电机组（活塞式）。二、燃气轮机发电机组（涡浆式）。三、燃气锅炉带蒸汽轮机发电机组。第三种形式：即燃气锅炉带蒸汽轮发电机组。这种形式为传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运行可靠，但辅助系统庞大、复杂，占地面积大，发电效率低，启动时间长，不灵活，而且以井下瓦斯气为燃料的大型燃气锅炉应用技术还不成熟。第二种形式：即涡浆式燃气轮机带蒸汽轮机发电机组。这种轻型燃气轮机是在航空发动机基础上研制发展起来的，它主要应用在天然气，油气田和被净化了的焦炉煤气上进行发电，这种形式具有系统简单，运行灵活，占地面积不大等优点，但这种轻型燃气轮机的发电效率比较低，更为主要的是燃气轮机要求的进气压力都在0.9Mpa以上，根据本可研报告第三章关于瓦斯气甲烷浓度爆炸界限问题的研究，如果本项目采用燃气轮机进行发电，为了保证电厂的安全运行，*煤矿井下抽放的瓦斯气中甲烷含量至少应在45.88%以上，这就意味着井下抽上来的瓦斯气中，如果甲烷含量在45.88%以下时，是不能被利用的，就要被统统排掉，一来造成大量资源被浪费，二来造成电厂经常处于停机状态，因此这种装机形式将不被采纳。第一种形式，即利用燃气内燃发动机（活塞式）进行发电，这种形式具有系统简单，运行灵活，维护方便，检修工作量少，占地面积不大，要求进气压力低（一般为560Kpa），适用瓦斯浓度范围广，发电效率高等优点，特别是最近几年新发展起来的更适用于低热值燃料的燃气内燃发动机发电机组，已获得了越来越广泛的应用。目前国内有多个瓦斯发电工程已顺利投产，积累了成熟的运行经验。经综合比较，本项目推荐采用第一种形式，即利用燃气内燃发动机发电机组进行发电。5.3 机组选型本项目内燃发动机发电机组装机规模为4000KW。目前国内运行的瓦斯气内燃发电机组有进口和国产机组两种。据调研国产机组单机容量大的机组仍无成功运行的经验和实例，技术成熟可靠的只有500KW和700KW的机组，进口机组在国内有成功运行的经验和实例，技术成熟，运行可靠，单机容量较大的为2000KW4000KW机组。根据对国内外燃气内燃发动机发电技术的现状和已投入运行的国内外燃气发电机组的运行情况的调研，对国产机组和进口机组在技术性能和经济指标方面进行比较，见下表：国产与进口机组比较表项目国产机组进口机组成熟产品