6.3.4 Когенерационные энергокомплексы

Повышение эффективности использования шахтного метана целесообразно путём создания шахтных энергокомплексов, использующих когенерационные технологии, представляющие собой ту или иную комбинацию паровых или водогрейных котлов с паротурбинными, газотурбинными или газопоршневыми установками, обеспечивающими совместную выработку тепловой и электрической энергии с высоким к.п.д. за счёт более полного использования потенциала рабочего тела.

Если потребление электроэнергии практически не зависит от времени года, то потребление тепловой энергии крайне неравномерно. Поэтому необходимы специальные схемы. Избыточное тепло в летнее время может быть использовано для кондиционирования шахтной атмосферы и для дополнительной выработки электроэнергии.

Для целей кондиционирования целесообразно взамен обычных пароконденсационных холодильных машин использовать абсорбционные, которые в качестве приводной энергии используют не механическую работу, а тепло. К.п.д. таких установок по выработке электроэнергии достигает 58%.

Ниже рассматривается когенерационная установка на шахте им. А.Ф. Засядько, которая использует в качестве топлива шахтный газ. Ее проектная мощность 36,4 МВт электрической и 35 МВт тепловой энергии. В качестве энергогенерирующего оборудования на первом этапе использованы двенадцать газопоршневых когенерационных модуля типа JMS 620 производства фирмы GE JED. Используемые агрегаты выгодно отличаются от своих аналогов более продолжительным сроком службы и возможностью стабильной работы при использовании в качестве топлива шахтного метана с большой частотой колебания концентрации метана в смеси. Рабочие цилиндры газопоршневого двигателя снабжены форкамерой, наличие которой позволяет агрегату работать на относительно бедных топливных смесях.

Тепловая схема когенерационной установки – трехступенчатая. Схема предусматривает отпуск теплоносителя в виде горячей воды с параметрами 110/70°С. На первом этапе происходит утилизация тепла смазочного масла, газовоздушной смеси и рубашки двигателя. При этом вода подогревается с 70 до 86°С. Дальнейший подогрев теплоносителя с 86 до 110°С осуществляется за счет утилизации тепла выхлопных газов. Принципиальная схема утилизации тепловой энергии когенерационной установки и ее основные количественные показатели приведены на рис.6.4.

 

Рисунок 6.4 – Принципиальная схема утилизации тепловой энергии когенерационного модуля JMS 620,

использованного на шахте им. А.Ф. Засядько

 

При недостаточной присоединенной тепловой нагрузке потребителей излишняя теплота удаляется с помощью системы аварийного охлаждения, при этом поток выхлопных газов перенаправляется в обход теплообменника при активировании цепи байпаса выхлопного газа.

Для более компактного расположения установки и уменьшения длин инженерных коммуникаций была принята двухэтажная компоновка производственных помещений станции. Когенерационные модули расположены в четырех машинных залах, там же расположены: маслохозяйство, насосная, помещение распредустройства, диспетчерская, другие вспомогательные и бытовые помещения. Общий внешний вид когенерационной установки показан на рис.6.5.

Газ из поверхностных скважин после стабилизация давления поступает на сепаратор. В сепараторе из газа удаляется капельная влага и твердые примеси размером более 5 мкм. Для того чтобы обеспечить относительную влажность газа не более 80%, как этого требует когенерационный модуль, при исходной влажности, достигающей 100%, шахтный газ проходит узел охлаждения. В указанном узле температура газа понижается с 40-46 до 35°С, а сконденсировавшаяся влага вместе с твердыми примесями удаляется в фильтрах-сепараторах с фторопластовыми пакетами. После этого газ поступает на блоки нагрева, где его температура повышается с 35 до 40°С, а относительная влажность понижается до 80%. Отсепарированная влага подается в бак дегазации для отделения остатков растворенного газа.

 

 

В качестве теплоносителя используется горячая вода, подготавливаемая на когенерационной станции, а холодоноситель подготавливается на холодильной станции, состоящей из двух холодильных машин общей холодопроизводительностью 420 кВт и расположенной возле площадки газоподготовки. Для запальной дозы (форкамеры), а также для поддержания концентрации метана в топливном газе не ниже заданного уровня используется природный газ или газ с поверхностных скважин с содержанием метана до 95%. Следует обратить внимание на то, что для обеспечения нормальной и стабильной работы когенерационного модуля требуется форка мерный газ с концентрацией метана не ниже 25% и в незначительных объемах, а именно 25 Нм3/ч при расходе топливного газа в 2830 Нм3/ч. Подмешивание природного газа или газа с поверхностных скважин предусмотрено только в случае понижения концентрации метана в шахтном газе ниже 25%. За время эксплуатации (с января по сентябрь 2006 г.) фактических случаев использования природного газа для повышения концентрации шахтного газа не было.

Когенарционная установка, работающая на шахтном метане, является не только единственной в Украине, но и крупнейшей в мире. Её проектная мощность почти в полтора раза превышает мощность соответствующей установки, эксплуатируемой в Германии, считавшейся до этого наиболее крупной установкой в мире.

 

Контрольные вопросы к теме 6

1 Способы образования метана в природе и его распространение в атмосфере, на поверхности и в глубинах Земли.

2 Что такое шахтный метан, каковы его свойства, особенности извлечения?

3 Использование шахтного метана в качестве топлива.

4 Что такое когенерационная установка с использованием шахтного метана?

5 Какие перспективы дальнейшего использования шахтного метана?

6 Какие известны технологии по утилизации шахтного метана?

 

Список литературы

Микитенко В.В. Пріоритети та напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу України/ В.В.Микитенко//Уголь Украины. – 2005.– № 8.– С. 29 – 34.

Звягильский Е. Л. Перспективы развития дегазации на шахте им. Засядько/ Е.Л. Звягильский, Б.В. Бокий, О.И.Касимов// Уголь Украины. – 2003. – №12. – С. 35-39.

Звягильский Е.Л. Утилизация шахтного метана – путь решения проблемы выбросов метана в атмосферу/Е.Л. Звягильский, Б.В. Бокий// Сборник научных докладов. Ч.1 УкрНИМИ. – 2005. – С. 220-228.

Булат А. Ф. Научно-технические основы создания шахтных когенерационых энергетических комплексов/А.Ф.Булат, И.Ф. Чимерис. – Киев: Наукова думка, 2006. – 176 с.