澳大利亞煤層氣發(fā)電項目

澳大利亞煤層氣發(fā)電項目作者: P·埃迪(澳大利亞BHP煤礦分公司采礦與巖土工程部經理) 收錄來源: 中國煤層氣
【摘要】煤層氣就地發(fā)電技術是煤層氣開發(fā)利用的一項新興技術，該技術對煤礦的安全高效生產、環(huán)境保護、煤層氣能源有效利用有著重要的現(xiàn)實意義，澳大利亞在此領域居世界領先地位。本文就澳大利亞兩個正在實施的煤層氣就地發(fā)電項目，著重從投資廠商來源、煤層氣利用發(fā)展史、煤層氣抽放系統(tǒng)、煤層氣燃料特征、發(fā)電廠的配置、煤層氣就地發(fā)電的經濟效益及環(huán)境效益等方面進行了詳細的闡述，以期為中國煤層氣就地發(fā)電事業(yè)提供一些有益的參考。

１  引言    在澳大利亞東南部新南威爾士州的兩項重點試驗項目表明，在利用煤層氣就地發(fā)電方面，澳大利亞居世界領先水平。這兩個項目不僅取得了經濟上的成功，而且在煤礦安全生產及環(huán)境保護方面也取得了重大的效益。    煤層氣作為一種工業(yè)廢物和對煤礦安全生產具有潛在威脅的有害氣體，在澳大利亞一項能源項目中，將被轉化成電能，該項目涉及澳大利亞四家大公司，即澳大利亞能源開發(fā)有限公司(EDL)，資金平等租借交換開發(fā)公司(LLDC)、勘探電力公司(即現(xiàn)在的能源總公司)和BHP公司。其中，EDL公司和LLDC公司將利用BHP公司煤礦分公司所提供的、來自阿平煤礦和陶爾煤礦的煤層氣來發(fā)電，并供給能源總公司，能源總公司再將這些電輸送給其用戶。    1995年5月，澳大利亞開始建造兩座發(fā)電廠，每座電廠有一組1MW燃氣發(fā)動機，陶爾礦設計安裝40臺，阿平礦設計安裝54臺，如果全部建成，電廠總輸出功率持達94MW，這些電將被售予能源總公司，該公司宣稱，這些電能滿足60000戶家庭的能源需求。    這個項目最顯著的效益是減少了溫室氣體--甲烷向大氣中的排放。在此以前，大量的甲烷通過瓦斯抽放系統(tǒng)和礦井通風系統(tǒng)排放到大氣中，現(xiàn)在，這四家公司已經聯(lián)合開發(fā)了一種新技術，該技術不僅能收集抽放的甲烷，而且也能收集一部分通風氣體中的甲烷，這在世界上尚屬首次。井下抽放煤層氣中甲烷含量一般為50%左右，而通風氣體中的甲烷含量大多在0��5～１�保埃プ笥摇�    這兩座發(fā)電廠的建成、投入運行意味著BHP公司所屬煤礦分公司的甲烷排放量減少了50%以上，這相當于澳大利亞溫室氣體排放量每年減少300萬ｔ的二氣化碳排放。    自1994年2月和1995年5月，阿平礦和陶爾礦的兩座示范電廠先后投入運行，每座電廠有兩臺燃氣發(fā)動機，其中，阿平發(fā)電廠利用一部分礦井通風氣體。從這幾套發(fā)電機組獲得的生產經驗加強了對更大規(guī)模燃氣內燃機發(fā)電廠的投入。    該項目為當?shù)鼐用駧�來的其它利益包括�?   (1)增加就業(yè)機會；    (2)提高了地方電力供應的可靠性；    (3)為地方商業(yè)帶來了經濟效益；    (4)阿平礦新電廠設備將取代現(xiàn)存14MW燃氣輪機發(fā)電機組，從而降低噪聲水平。    2  投資廠商    BHP公司所屬煤礦分公司總部位于悉尼南75ｋm的伍倫貢(Ｗｏｌｌｏｎｇｏｎｇ)，該分公司經營四座井工礦井，雇用1550名工人。這四座澳大利亞煤炭儲量最好的礦，利用現(xiàn)代化長壁采煤技術，每年生產煉焦洗精煤600多萬ｔ和動力煤100萬ｔ。    埃盧拉煤礦開采3號煤層--旺加威利(Ｗｏｎｇａｗｉｌｌｉ)煤層，而科爾代澳科斯煤礦、陶爾煤礦和阿平煤礦全部開采1號煤層--布里煤層(Bｕｌｌｉ)。布里煤層和旺加威利煤層都屬于伊勒瓦拉(ｌLLａｗａｒｒａ)含煤巖系，開采深度在地表以下140～５５０ｍ之間，煤層厚度由布里層的2��2ｍ到旺加威利層的3��5ｍ不等。所產煉焦煤主要用于肯布拉港(Ｐｏｒｂ　Kｅｍｂｌａ)、紐卡斯爾(Ｎｅｗｃaｓｔｌｅ)和懷阿拉(Ｗｈｙａｌｌａ)地區(qū)BHP公司鋼鐵分公司的煉鋼廠，多余煤炭出口到日本、中國、臺灣、土爾其、南美洲和英國。    EDL公司是一家集開發(fā)、擁有、經營發(fā)電廠和電力輸送項目于一體的綜合性能源公司。在電力行業(yè)方面，該公司基礎雄存，經營業(yè)務廣泛，并有若干項目正在開發(fā)。在垃圾場沼氣抽放及利用方面，該公司居澳大利亞領先地位。同時，在電力項目的設計、建設、經營、投資方面，總的綜合能力也處于領先位置。    1996年1月，位于南澳大利亞州(Sｏｕｔｈ　Ａｕｓｔｒａｌｉａ)、維多利亞州(Ｖｉｃｔｏｒｉａ)、新南威爾士州(Ｎｅｗ　Sｏｕｔｈ�。祝幔欤澹�)及澳大利亞北部地區(qū)的所有隸屬于EDL公司的電廠總發(fā)電能力超過100MW。這些電廠分別以天然氣、垃圾廠沼氣、溜出液和煤層氣為燃料，同時，該公司還有一些其它開發(fā)工程，預計在以后的三年中，該公司的發(fā)電裝機容量將超過220MW。    LLDC公司是由澳大利亞平等租借交換公司(LLC)全部擁有的附屬公司。LLC公司是一家集財產、金融服務行業(yè)為一體的綜合性集團公司，該公司的辦事處遍布全國各地，并在新西蘭、東南亞、美國和英國等地也設有辦事處。LLDC公司主要從事基礎設施工程，該公司在世界電力生產的環(huán)境保護領域扮演著重要角色，目前，該公司通過參與開發(fā)和占有兩種形式涉足6座發(fā)電廠，總裝機容量約175MW，其中包括4座水力發(fā)電廠。    3  阿平礦    阿平礦建于1962年，是BHP公司煤礦分公司經營的一座最老礦井。該礦井北與阿平鎮(zhèn)緊鄰，距伍論貢37ｋｍ。阿平礦開采布里煤層，開采深度達550ｍ。所產煤炭主要是高質量煉焦煤，供肯布拉港、紐卡斯爾和懷阿拉等地煉鋼所用。    1969年阿平礦引進長壁采煤技術。目前，阿平礦典型的長壁采區(qū)工作面長度為200ｍ，采區(qū)長度大約為2ｋｍ。該礦采用一對通風立井、兩條傾斜平硐或巷道的開拓方式。立井井筒深540ｍ，開拓斜巷長近1��8ｋｍ。大斷面副井(2��5ｍ×３�保担�)采用高度自動化提升機，借助礦車運人運料。這種提升機利用礦車發(fā)射的無線電信號進行自動控制。小斷面主井(2��3ｍ×２�保叮�)采用膠帶輸送機將本礦生產的全部煤炭運到地面。    在早期，高瓦斯涌出嚴重地影響了阿平礦的煤炭生產，為了解決這一問題，阿平礦于1981年開始施實瓦斯抽放。瓦斯抽放包括布里煤層的采前予抽放和現(xiàn)采長壁采區(qū)下伏煤層--巴爾戈尼(Bａｌｇｏｗｎｉｅ)和旺加威利煤層的采后抽放。結果，在開采前，長壁采區(qū)布里煤層中和采準盤區(qū)中的瓦斯?jié)舛扔沙榉徘暗?8ｍ��３／ｔ降到抽放后的平均3ｍ��３／ｔ。這種效果是通過在煤層中打瓦斯抽放鉆孔并把抽放的瓦斯經由管道輸送到地面甲烷抽放站的7臺真空泵而獲得的。    在長壁采區(qū)布里煤層的采掘過程中，下伏鄰近的巴爾戈尼和旺加威利煤層受到采動影響，裂隙形成，使得瓦斯產生流動，以巴爾戈尼層和旺加威利層涌入到長壁開采工作面。為了解決這一問題，向這些下伏煤層打入向下傾斜的穿層鉆孔，截獲由于受采動影響而釋放的甲烷，阿平礦利用這種方法阻止甲烷涌入布里煤層。這些鉆孔為現(xiàn)采區(qū)下伏煤層提供了有效的采后瓦斯抽放。    井下輸送系統(tǒng)將采落煤輸送到容量350t的井底煤倉，這些煤經破碎后，由膠帶輸送機運到容量3000t的地面煤倉。阿平礦年產煤炭200萬ｔ以上，通過公路，用卡車將這些煤運到奧布賴恩斯德里夫特(Ｏ′Bｒｉｅｎ′ｓ�。校颍椋欤�)，再通過公司專用鐵路，將煤炭輸送到肯布拉港的煉鋼廠。    4  陶爾煤礦    陶爾礦位于伍倫貢西南40ｋｍ，在效區(qū)威爾頓和道格拉斯帕克(Ｄｏｕｇｌａｓ�。校幔颍�)之間。該礦開采始于1978年11月，開采布里煤層。陶爾井田是高質量、低灰分煉焦煤的重要儲地，所產煉焦煤主要用于煉鋼。    1979年初，陶爾煤礦在井底深部區(qū)遇到大斷層帶，結果，煤礦采取包工形式以掘通巖石層，在1979年6～10月間，煤礦生產被迫停止。1982年后期，主要受當時經濟衰退的影響，陶爾礦被迫減產減員，直到80年代中期，陶爾礦因為擁有巨大儲量的高質量煉焦煤，被公司改造成長壁采煤生產大礦。由于布里礦和卡里莫爾礦的關閉，自1985年底，這兩個礦的職工開始向陶爾礦調動。    陶爾礦經營逐步好轉，并最終于1988年3月開始長壁采煤，所用長壁采煤設備是從BHP公司約翰達令(Ｊｏｈｎ　Ｄａｒｌｉｎｇ)礦轉運來的，由多臺韋斯特法利亞(Ｗｅｓｔｆａｌｉａ)型雙柱支架和一臺�？朔�(Ｅｉｃｈｏｆｆ)型滾筒采煤機組成，在這套設備能應用于陶爾礦之前，該礦進行了大范圍的改造。最終，這套設備被成功地應用于陶爾礦長為100ｍ的第1～５長壁采區(qū)回采工作面中，第6采區(qū)開始于1992年1月，由于從凱米拉(Ｋｅｍｉrａ)煤礦轉運來了梅科(Mｅｃｏ)型四柱垛式掩護支架和一臺安德森(Ａｎｄｅｒｓｏｎ)型滾筒采煤機，本采區(qū)工作面長度延長到150ｍ。    陶爾煤礦是一座高瓦斯涌出礦井。有效的甲烷抽放對于該礦連續(xù)安全生產非常必要，陶爾礦甲烷抽放站有8臺真空泵，它們與井下抽放管道及抽放鉆孔網連成一體。在陶爾礦，無論是長壁開采還是采準盤區(qū)開采都從該礦大范圍甲烷抽放中得到好處。    5  甲烷利用回顧    阿平礦和陶爾礦實踐表明，甲烷抽放必然導致不同特性的燃料氣體產生，一般情況是，這些特性的變化與氣體成分和流量有關�？紤]到甲烷可作為一種能源或化學資源的可能性，BHP公司對這種氣體的可能用途進行了試驗，根據(jù)瓦斯所處位置和組成特征，BHP公司斷定瓦斯氣體最經濟可行的用法是將之轉化成電能，售給地方輸電機構。    1986年4月，在阿平礦，BHP公司安裝了一臺額定功率為14MW的單循環(huán)燃氣輪機發(fā)電機組及與之相配套的氣體壓縮機、防回火器、氣體過流器等輔助裝置，這套發(fā)電機組利用從礦井中收集的部分甲烷生產電能，售給勘探電力公司(即現(xiàn)在的能源總公司)。    不幸的是，該電站經歷了許多重要故障，并最終被永久地放棄，所有的故障均不是由燃料質量引起的，這套燃氣輪機發(fā)電機組用溜出油作為備用起動運轉燃料，以避免在礦井甲烷燃料暫時短缺時機器停止運轉。    6  甲烷抽放系統(tǒng)    最初，實施煤層氣抽放是為了提高煤礦生產安全，保障阿平礦和陶爾礦這兩個高瓦斯礦井能持續(xù)生產。現(xiàn)在，雖然提高煤礦生產安全仍是煤層氣抽放的一個重要因素，但甲烷作為一種能源來利用所獲得的環(huán)境效益卻變得越來越重要。阿平礦和陶爾礦分別于1981年和1989年開始甲烷抽放工作。    在阿平礦和陶爾礦，甲烷抽放站的核心設備是一組水環(huán)式真空泵(阿平礦安裝7臺、陶爾礦安裝9臺)，其最大實用抽放能力分別為6ｍ��３／ｓ和7��5ｍ��３／ｓ，在需要時，通過開動指定數(shù)目的真空泵，抽放能力可以滿足不同的抽放要求，隨著運轉真空泵的增加，抽放能力不斷增加。    在每座礦井，四通八達的甲烷抽放管道網把井下甲烷抽放點和地面抽放站聯(lián)接在一起。在開采前，通過將抽氣鉆孔打到采準工作區(qū)前部煤層中，對所有要采煤層的甲烷進行預抽放，同時，在現(xiàn)采長壁工作面附近，通過利用不同排布的穿層鉆孔，對下部煤層實施采后抽放。兩礦還對已封閉的采空區(qū)殘余甲烷進行抽放。    由于受后退式長壁采煤工作面的影響，地層松馳，結果穿層鉆孔從下伏煤層中抽排出大量的甲烷。從長壁工作面附近穿層鉆孔獲得的甲烷產量明顯地受采煤工作面推進速度的影響。    7  燃料氣體的特征    來自甲烷抽放站的氣體燃料的流速和純度受開采生產的影響。尤其是在連續(xù)長壁采區(qū)之間，回采順序的變化對這些氣體參數(shù)影響顯著。從甲烷排放站輸出的可燃氣體含有來自于水環(huán)式真空泵密封水和煤層中的水分，可燃氣體的溫度一般高出周圍大氣溫度15℃，從泵站輸出的氣體壓力大約是10ｋＰａ。從礦井中抽出的氣體含有粉塵顆粒，其中大部分在密封水系統(tǒng)中被收集清除。    可燃氣體組分變化非常大。一般是，甲烷濃度為50～８５％，CO��２濃度為0～５％，非甲烷烴類濃度不超過1%，其中空氣含量可達50%。煤層氣成分的變化以及甲烷收集和抽放參數(shù)的改變都會引起可燃氣體的組分變化。    一般情況下，甲烷含量的變化率很低，這是因為在井工礦井抽放甲烷地段內，與之相連的抽放孔很多(300～４００個)。但有些情況能加大甲烷含量的變化速率，它們包括：    (1)甲烷抽放真空條件的改變，包括改變工作真空泵的數(shù)目。當真空泵起動或關閉時，抽氣壓力改變，引起甲烷含量的變化，它能使甲烷含量在10分鐘內增加或降低5～１５％。    (2)井下鉆孔計劃正在繼續(xù)進行，雖然此時新鉆孔的聯(lián)結(聯(lián)結到抽放網上)只能引起甲烷含量的微小變化，但管道分布區(qū)內大塊段鉆孔的聯(lián)結或隔離，卻能造成甲烷含量的顯著變化。雖然大面積內鉆孔的聯(lián)結或隔離對可燃氣體組分的影響可以通過有序的引入而減少到最小程度，但一般仍能在極短時間內造成甲烷含量變化20%。    也存在這種可能，即可燃氣體的供給可能在一較短時間內完全中止，例如，由于供電中斷。在這種情況下，甲烷排放管道受到高純度甲烷的迅速加壓，這時，必須在地面將這些甲烷通過緊急排放管道排放到大氣中。    8  發(fā)電廠    煤層氣發(fā)電廠使用的是多臺卡特皮勒(Ｃａｔｏｒｐｉｌｌａ)G3516型火花點燃往復式燃氣發(fā)動機。每臺發(fā)動機直接驅動一臺額定功率為1000ｋＷ的單體發(fā)電機，有兩條氣流分別被引入到組件封殼內，并以發(fā)動機負荷確定的速度、成比例地輸送給發(fā)動機。兩股氣流在發(fā)動機的燃料進氣總管內混合，為卡特皮勒G3516型火花點燃往復式燃氣發(fā)動機提供燃料，而發(fā)動機本身又驅動一臺電壓為415V、額定功率為1MW的發(fā)電機。每一套發(fā)動機／發(fā)電機機組均被安裝于根據(jù)組件本身設計的單個隔音封殼內，這為發(fā)電機機組的移位裝配、改換位置的輕便性，和分段，擴容的適應性提供了方便。    作為兩個獨立的發(fā)電廠地，阿平礦和陶爾礦的設備功能組件都有自己本身的發(fā)電組件、變壓器、變電所和同步配臺站。阿平礦安裝54套發(fā)動機／發(fā)電機機組，而陶爾礦安裝40套。    阿平礦和陶爾礦的甲烷抽放站分別為各礦的煤層氣發(fā)電廠提供了主要的燃料來源。同時，阿平礦利用一部分礦井回風空氣中的低濃度甲烷作為本礦發(fā)電機燃料的補充，所有這些供給交電機組的空氣都由阿平礦礦井回風提供，回風中一般含有0��5～１�保�%的甲烷，這種低濃度甲烷的利用為該礦發(fā)電廠電力輸出額提供了大約8��0ＭＷ的電能。對于煤礦來說，這是第一次把利用礦井回風發(fā)電這種想法應用于實踐。不幸的是，這種方法在陶爾礦卻不適用，因為礦井回風在陶爾礦不能長期供發(fā)電廠使用。    除了利用礦井提供的甲烷外，這兩個發(fā)電廠也準備購買天然氣發(fā)電。AGL公司供給的天然氣可以用作一種替代能源，以補充礦井甲烷抽放量的不足。通過改變兩個發(fā)電廠之間的、地下輸送連接管道中的礦井甲烷流向，阿平礦和陶爾礦兩地的礦井甲烷供給和需求之間的不平衡可以得到調節(jié)。    9  新增電能    發(fā)電機所產電能被輸送進2��5MVA單元變壓器，變壓器將電壓升至22ｋＶ。兩臺發(fā)電機為一臺變壓器輸電。從變壓器輸出的電被輸送給變電所22ｋＶ／６６ｋＶ升壓變壓器，變電所升壓變壓器的功率為25MVA，它把從單元變壓器輸送來的電壓升高，以和能源總公司的系統(tǒng)電壓相匹配。    阿平煤礦發(fā)電廠將安裝3臺配電變壓器，每臺配備18套發(fā)電機機組，總裝機容量54MW；陶爾煤礦發(fā)電廠將安裝2臺配電變壓器，每臺配備20套發(fā)電機機組，總裝機容量40MW。各礦的同步配電站為各礦的變電所、發(fā)電廠和能源總公司系統(tǒng)之間提供了一個共用連接點，這使各礦井和發(fā)電廠從能源總公司輸電系統(tǒng)中獨立出來，這樣，一旦供電輸入中斷，礦井及電廠能繼續(xù)運轉。    10  環(huán)境問題    甲烷是一種具有比CO��２溫室效應更強烈的氣體，通過將廢棄甲烷在電力生產中轉化成CO��２，產生了兩個主要的環(huán)境效益：    (1)通過最大程度地減少大氣中的甲烷排放量，降低了溫室氣體的排放；    (2)總體上，減少了生產同樣多的電所需燃燃的煤炭。    阿平礦和陶爾礦的兩個發(fā)電廠滿負荷運轉時，其發(fā)電量將相當于一個常規(guī)燃煤發(fā)電廠每年燃燒37萬噸煤炭所生產的電量。    11  結論    EDL公司、LLDC公司、能源總公司、AGL天然氣公司和BHP公司聯(lián)合開發(fā)了一項利用井下煤炭開采所產甲烷的新項目，這項經濟可行的工程通過把礦井廢氣轉化成電能而具有減少甲烷排放量的附帶效益。BHP公司下屬煤礦分公司的甲烷排放量有可能減少50%以上。(《Ｃｏａｌｂｅｄ�。停澹欤瑁幔睿濉。遥澹觯椋澹鳌�，Ｎｏ．８，徐會軍譯，王萬興校對)

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