澳大利亞煤層氣發(fā)電項(xiàng)目

1、澳大利亞煤層氣發(fā)電項(xiàng)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(jīng)理) 收錄來源: 中國煤層氣 【摘要】煤層氣就地發(fā)電技術(shù)是煤層氣開發(fā)利用的一項(xiàng)新興技術(shù)，該技術(shù)對(duì)煤礦的安全高效生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、煤層氣能源有效利用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，澳大利亞在此領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位。本文就澳大利亞兩個(gè)正在實(shí)施的煤層氣就地發(fā)電項(xiàng)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(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益等方面進(jìn)行了詳細(xì)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。 引言在澳大利亞東南部新南威爾士州的兩項(xiàng)重點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目表明，在利用煤層氣就地發(fā)電方面，澳

2、大利亞居世界領(lǐng)先水平。這兩個(gè)項(xiàng)目不僅取得了經(jīng)濟(jì)上的成功，而且在煤礦安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)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(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有潛在威脅的有害氣體，在澳大利亞一項(xiàng)能源項(xiàng)目中，將被轉(zhuǎn)化成電能，該項(xiàng)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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，陶

3、爾礦設(shè)計(jì)安裝40臺(tái)，阿平礦設(shè)計(jì)安裝54臺(tái)，如果全部建成，電廠總輸出功率持達(dá)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(gè)項(xiàng)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(fēng)系統(tǒng)排放到大氣中，現(xiàn)在，這四家公司已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)了一種新技術(shù)，該技術(shù)不僅能收集抽放的甲烷，而且也能收集一部分通風(fēng)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(fēng)氣體中的甲烷含量大多在05左右。這兩座發(fā)電廠的建成、投入運(yùn)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(dāng)于澳大利亞溫室氣

4、體排放量每年減少300萬的二氣化碳排放。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(yùn)行，每座電廠有兩臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，其中，阿平發(fā)電廠利用一部分礦井通風(fēng)氣體。從這幾套發(fā)電機(jī)組獲得的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)加強(qiáng)了對(duì)更大規(guī)模燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電廠的投入。該項(xiàng)目為當(dāng)?shù)鼐用駧淼钠渌姘ǎ?1)增加就業(yè)機(jī)會(huì)；(2)提高了地方電力供應(yīng)的可靠性；(3)為地方商業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益；(4)阿平礦新電廠設(shè)備將取代現(xiàn)存14MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)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75m的伍倫貢()，該分公司經(jīng)營四座井工礦井，雇用1550名工人。這四座澳大利亞煤炭儲(chǔ)量最好的礦，利

5、用現(xiàn)代化長壁采煤技術(shù)，每年生產(chǎn)煉焦洗精煤600多萬和動(dòng)力煤100萬。埃盧拉煤礦開采3號(hào)煤層-旺加威利()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(hào)煤層-布里煤層(B)。布里煤層和旺加威利煤層都屬于伊勒瓦拉(LL)含煤巖系，開采深度在地表以下140之間，煤層厚度由布里層的22到旺加威利層的35不等。所產(chǎn)煉焦煤主要用于肯布拉港(K)、紐卡斯?fàn)?a)和懷阿拉()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(tái)灣、土爾其、南美洲和英國。EDL公司是一家集開發(fā)、擁有、經(jīng)營發(fā)電廠和電力輸送項(xiàng)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(chǔ)雄存，經(jīng)營業(yè)務(wù)廣泛，并有若干項(xiàng)目正在

6、開發(fā)。在垃圾場(chǎng)沼氣抽放及利用方面，該公司居澳大利亞領(lǐng)先地位。同時(shí)，在電力項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)、經(jīng)營、投資方面，總的綜合能力也處于領(lǐng)先位置。1996年1月，位于南澳大利亞州(S)、維多利亞州()、新南威爾士州(S)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(shí)，該公司還有一些其它開發(fā)工程，預(yù)計(jì)在以后的三年中，該公司的發(fā)電裝機(jī)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(cái)產(chǎn)、金融服務(wù)行業(yè)為一體的綜合性集團(tuán)公司，該公司的辦事處遍布全國各地，并在新西蘭、東

7、南亞、美國和英國等地也設(shè)有辦事處。LLDC公司主要從事基礎(chǔ)設(shè)施工程，該公司在世界電力生產(chǎn)的環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(jī)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(jīng)營的一座最老礦井。該礦井北與阿平鎮(zhèn)緊鄰，距伍論貢37。阿平礦開采布里煤層，開采深度達(dá)550。所產(chǎn)煤炭主要是高質(zhì)量煉焦煤，供肯布拉港、紐卡斯?fàn)柡蛻寻⒗鹊責(zé)掍撍谩?969年阿平礦引進(jìn)長壁采煤技術(shù)。目前，阿平礦典型的長壁采區(qū)工作面長度為200，采區(qū)長度大約為2。該礦采用一對(duì)通風(fēng)立井、兩條傾斜平硐或巷道的開拓方式。立井井筒深5

8、40，開拓斜巷長近18。大斷面副井(25)采用高度自動(dòng)化提升機(jī)，借助礦車運(yùn)人運(yùn)料。這種提升機(jī)利用礦車發(fā)射的無線電信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)控制。小斷面主井(23)采用膠帶輸送機(jī)將本礦生產(chǎn)的全部煤炭運(yùn)到地面。在早期，高瓦斯涌出嚴(yán)重地影響了阿平礦的煤炭生產(chǎn)，為了解決這一問題，阿平礦于1981年開始施實(shí)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(B)和旺加威利煤層的采后抽放。結(jié)果，在開采前，長壁采區(qū)布里煤層中和采準(zhǔn)盤區(qū)中的瓦斯?jié)舛扔沙榉徘暗?8降到抽放后的平均3。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(jīng)由管道輸送到地面甲烷抽放站的7臺(tái)真空泵而獲得的。在長壁采區(qū)布里煤層的

9、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(dòng)影響，裂隙形成，使得瓦斯產(chǎn)生流動(dòng)，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(dòng)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(jīng)破碎后，由膠帶輸送機(jī)運(yùn)到容量3000t的地面煤倉。阿平礦年產(chǎn)煤炭200萬以上，通過公路，用卡車將這些煤運(yùn)到奧布賴恩斯德里夫特(B)，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40，在效區(qū)威爾頓

10、和道格拉斯帕克()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(zhì)量、低灰分煉焦煤的重要儲(chǔ)地，所產(chǎn)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(jié)果，煤礦采取包工形式以掘通巖石層，在1979年610月間，煤礦生產(chǎn)被迫停止。1982年后期，主要受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)衰退的影響，陶爾礦被迫減產(chǎn)減員，直到80年代中期，陶爾礦因?yàn)閾碛芯薮髢?chǔ)量的高質(zhì)量煉焦煤，被公司改造成長壁采煤生產(chǎn)大礦。由于布里礦和卡里莫爾礦的關(guān)閉，自1985年底，這兩個(gè)礦的職工開始向陶爾礦調(diào)動(dòng)。陶爾礦經(jīng)營逐步好轉(zhuǎn)，并最終于1988年3月開始長壁采煤，所用長壁采煤設(shè)備是從BHP公司約翰達(dá)令()礦轉(zhuǎn)運(yùn)來的，由多

11、臺(tái)韋斯特法利亞()型雙柱支架和一臺(tái)?？朔?)型滾筒采煤機(jī)組成，在這套設(shè)備能應(yīng)用于陶爾礦之前，該礦進(jìn)行了大范圍的改造。最終，這套設(shè)備被成功地應(yīng)用于陶爾礦長為100的第1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(r)煤礦轉(zhuǎn)運(yùn)來了梅科(M)型四柱垛式掩護(hù)支架和一臺(tái)安德森()型滾筒采煤機(jī)，本采區(qū)工作面長度延長到150。陶爾煤礦是一座高瓦斯涌出礦井。有效的甲烷抽放對(duì)于該礦連續(xù)安全生產(chǎn)非常必要，陶爾礦甲烷抽放站有8臺(tái)真空泵，它們與井下抽放管道及抽放鉆孔網(wǎng)連成一體。在陶爾礦，無論是長壁開采還是采準(zhǔn)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(shí)踐表明，甲烷抽

12、放必然導(dǎo)致不同特性的燃料氣體產(chǎn)生，一般情況是，這些特性的變化與氣體成分和流量有關(guān)。考慮到甲烷可作為一種能源或化學(xué)資源的可能性，BHP公司對(duì)這種氣體的可能用途進(jìn)行了試驗(yàn)，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(jīng)濟(jì)可行的用法是將之轉(zhuǎn)化成電能，售給地方輸電機(jī)構(gòu)。1986年4月，在阿平礦，BHP公司安裝了一臺(tái)額定功率為14MW的單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組及與之相配套的氣體壓縮機(jī)、防回火器、氣體過流器等輔助裝置，這套發(fā)電機(jī)組利用從礦井中收集的部分甲烷生產(chǎn)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(jīng)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(zhì)量引起的，這套燃

13、氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)組用溜出油作為備用起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)燃料，以避免在礦井甲烷燃料暫時(shí)短缺時(shí)機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。6 甲烷抽放系統(tǒng)最初，實(shí)施煤層氣抽放是為了提高煤礦生產(chǎn)安全，保障阿平礦和陶爾礦這兩個(gè)高瓦斯礦井能持續(xù)生產(chǎn)。現(xiàn)在，雖然提高煤礦生產(chǎn)安全仍是煤層氣抽放的一個(gè)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(shè)備是一組水環(huán)式真空泵(阿平礦安裝7臺(tái)、陶爾礦安裝9臺(tái))，其最大實(shí)用抽放能力分別為6和75，在需要時(shí)，通過開動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)真空泵的增加，抽放能力不斷增加

14、。在每座礦井，四通八達(dá)的甲烷抽放管道網(wǎng)把井下甲烷抽放點(diǎn)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(zhǔn)工作區(qū)前部煤層中，對(duì)所有要采煤層的甲烷進(jìn)行預(yù)抽放，同時(shí)，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(duì)下部煤層實(shí)施采后抽放。兩礦還對(duì)已封閉的采空區(qū)殘余甲烷進(jìn)行抽放。由于受后退式長壁采煤工作面的影響，地層松馳，結(jié)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(chǎn)量明顯地受采煤工作面推進(jìn)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(chǎn)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(duì)這些氣體參數(shù)影響顯著。從甲烷排放站輸出的可燃?xì)怏w

15、含有來自于水環(huán)式真空泵密封水和煤層中的水分，可燃?xì)怏w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10。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?？扇?xì)怏w組分變化非常大。一般是，甲烷濃度為50，CO濃度為0，非甲烷烴類濃度不超過1%，其中空氣含量可達(dá)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(huì)引起可燃?xì)怏w的組分變化。一般情況下，甲烷含量的變化率很低，這是因?yàn)樵诰さV井抽放甲烷地段內(nèi)，與之相連的抽放孔很多(300個(gè))。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(dāng)真空泵起動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，抽氣壓

16、力改變，引起甲烷含量的變化，它能使甲烷含量在10分鐘內(nèi)增加或降低5。(2)井下鉆孔計(jì)劃正在繼續(xù)進(jìn)行，雖然此時(shí)新鉆孔的聯(lián)結(jié)(聯(lián)結(jié)到抽放網(wǎng)上)只能引起甲烷含量的微小變化，但管道分布區(qū)內(nèi)大塊段鉆孔的聯(lián)結(jié)或隔離，卻能造成甲烷含量的顯著變化。雖然大面積內(nèi)鉆孔的聯(lián)結(jié)或隔離對(duì)可燃?xì)怏w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(shí)間內(nèi)造成甲烷含量變化20%。也存在這種可能，即可燃?xì)怏w的供給可能在一較短時(shí)間內(nèi)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(shí)，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(tái)卡特皮勒()G3

17、516型火花點(diǎn)燃往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)額定功率為1000的單體發(fā)電機(jī)，有兩條氣流分別被引入到組件封殼內(nèi)，并以發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷確定的速度、成比例地輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)。兩股氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料進(jìn)氣總管內(nèi)混合，為卡特皮勒G3516型火花點(diǎn)燃往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料，而發(fā)動(dòng)機(jī)本身又驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電壓為415V、額定功率為1MW的發(fā)電機(jī)。每一套發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組均被安裝于根據(jù)組件本身設(shè)計(jì)的單個(gè)隔音封殼內(nèi)，這為發(fā)電機(jī)機(jī)組的移位裝配、改換位置的輕便性，和分段，擴(kuò)容的適應(yīng)性提供了方便。作為兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)電廠地，阿平礦和陶爾礦的設(shè)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(tái)站。阿平礦安裝54套發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電

18、機(jī)機(jī)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(shí)，阿平礦利用一部分礦井回風(fēng)空氣中的低濃度甲烷作為本礦發(fā)電機(jī)燃料的補(bǔ)充，所有這些供給交電機(jī)組的空氣都由阿平礦礦井回風(fēng)提供，回風(fēng)中一般含有05%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80的電能。對(duì)于煤礦來說，這是第一次把利用礦井回風(fēng)發(fā)電這種想法應(yīng)用于實(shí)踐。不幸的是，這種方法在陶爾礦卻不適用，因?yàn)榈V井回風(fēng)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(gè)發(fā)電廠也準(zhǔn)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(bǔ)充礦井甲烷抽放量的不足。通過改變兩個(gè)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(diào)節(jié)。9 新增