澳大利亚煤层气发电项目

澳大利亚煤层气发电项目作者：P 埃迪（澳大利亚BHP煤矿分公司采矿与岩土工程部 经理）收录来源:中国煤层气 【摘要】煤层气就地发电技术是煤 层气开发利用的一项新兴技术，该技术对煤矿的安全高效生产、 环境保护、煤层气能源有效利用有着重要的现实意义，澳大利亚 在此领域居世界领先地位。本文就澳大利亚两个正在实施的煤层 气就地发电项目，着重从投资厂商来源、煤层气利用发展史、煤 层气抽放系统、煤层气燃料特征、发电厂的配置、煤层气就地发 电的经济效益及环境效益等方面进行了详细的阐述，以期为中国 煤层气就地发电事业提供一些有益的参考。1引言在澳大利亚东南部新南威尔士州的两项重点试验项目表明， 在利用煤层气就地发电方面，澳大利亚居世界领先水平。这两个项目不仅取 得了经济上的成功，而且在煤矿安全生产及环境保护方面也取得了重大的效益。煤层气作为一种工业废物和对煤矿安全生产具有潜在威胁的 有害气体，在澳大利亚一项能源项目中，将被转化成电能，该项目涉及澳大 利亚四家大公司，即澳大利亚能源开发有限公司（EDL），资金平等租借交换开发公 司（LLDC）、勘探电力公司（即现在的能源总公司）和BHP公司。其中，EDL公司和 LLDC公司将利用BHP公司煤矿分公司所提供的、来自阿平煤矿和陶尔煤矿的煤层 气来发电，并供给能源总公司，能源总公司再将这些电输送给其用户。1995 年 5月，澳大利亚开始建造两座发电厂，每座电厂有一 组 1MW 燃气发动机，陶尔矿设计安装 40台，阿平矿设计安装 54台，如果全部 建成，电厂总输出功率持达94MW，这些电将被售予能源总公司，该公司宣称，这些 电能满足 60000 户家庭的能源需求。 这个项目最显著的效益是减少了温室气体-甲烷向大气中的 排放。在此以前，大量的甲烷通过瓦斯抽放系统和矿井通风系统排放到大 气中，现在，这四家公司已经联合开发了一种新技术，该技术不仅能收集抽放的 甲烷，而且也能收集一部分通风气体中的甲烷，这在世界上尚属首次。井下抽放 煤层气中甲烷含量一般为50%左右，而通风气体中的甲烷含量大多在0?51? 0%左右。这两座发电厂的建成、投入运行意味着BHP公司所属煤矿分 公司的甲烷排放量减少了 50%以上，这相当于澳大利亚温室气体排放量每年减 少300万t的二气化碳排放。自 1994 年 2 月和 1995 年 5 月，阿平矿和陶尔矿的两座示范 电厂先后投入运行，每座电厂有两台燃气发动机，其中，阿平发电厂利用一部分 矿井通风气体。从这几套发电机组获得的生产经验加强了对更大规模燃气内燃机 发电厂的投入。该项目为当地居民带来的其它利益包括：(1) 增加就业机会；(2) 提高了地方电力供应的可靠性；(3) 为地方商业带来了经济效益；(4) 阿平矿新电厂设备将取代现存14MW燃气轮机发电机组， 从而降低噪声水平。2 投资厂商BHP公司所属煤矿分公司总部位于悉尼南75 km的伍伦贡(W ollongong),该分公司经营四座井工矿井，雇用1550名工人。这 四座澳大利亚煤炭储量最好的矿，利用现代化长壁采煤技术，每年生产炼焦洗精 煤600多万t和动力煤100万t。埃卢拉煤矿开采3号煤层-旺加威利(Wongawilli) 煤层，而科尔代澳科斯煤矿、陶尔煤矿和阿平煤矿全部开采 1 号煤层- 布里煤层(Bulli )。布里煤层和旺加威利煤层都属于伊勒瓦拉(lLLawa rra)含煤岩系，开采深度在地表以下1405 5 0m之间，煤层厚度由布里层 的2?2m到旺加威利层的3?5m不等。所产炼焦煤主要用于肯布拉港(PorbKembla)、纽卡斯尔(Newcastle)和怀阿拉(Whyalla)地 区BHP公司钢铁分公司的炼钢厂，多余煤炭出口到日本、中国、台湾、土尔其、 南美洲和英国。EDL 公司是一家集开发、拥有、经营发电厂和电力输送项目于 一体的综合性能源公司。在电力行业方面，该公司基础雄存，经营业务广 泛，并有若干项目正在开发。在垃圾场沼气抽放及利用方面，该公司居澳大利亚 领先地位。同时，在电力项目的设计、建设、经营、投资方面，总的综合能力也 处于领先位置。1996年1月，位于南澳大利亚州(South Austra lia)、维多利亚州(Victoria)、新南威尔士州(New South Wales)及澳大利亚北部地区的所有隶属于 EDL 公司的电厂总发电能力 超过100MW。这些电厂分别以天然气、垃圾厂沼气、溜出液和煤层气为燃料，同 时，该公司还有一些其它开发工程，预计在以后的三年中，该公司的发电装机容量 将超过 220MW。LLDC公司是由澳大利亚平等租借交换公司(LLC)全部拥有的附 属公司。LLC公司是一家集财产、金融服务行业为一体的综合性集团公司， 该公司的办事处遍布全国各地，并在新西兰、东南亚、美国和英国等地也设有办 事处。LLDC公司主要从事基础设施工程，该公司在世界电力生产的环境保护领域 扮演着重要角色，目前，该公司通过参与开发和占有两种形式涉足6座发电厂， 总装机容量约 175MW，其中包括 4 座水力发电厂。3 阿平矿阿平矿建于1962年，是BHP公司煤矿分公司经营的一座最老 矿井。该矿井北与阿平镇紧邻，距伍论贡37 km。阿平矿开采布里煤层，开 采深度达550m。所产煤炭主要是高质量炼焦煤，供肯布拉港、纽卡斯尔和怀阿 拉等地炼钢所用。1969年阿平矿引进长壁采煤技术。目前，阿平矿典型的长壁 采区工作面长度为200m，采区长度大约为2km。该矿采用一对通风立井、 两条倾斜平硐或巷道的开拓方式。立井井筒深540m，开拓斜巷长近1 ?8km。大 断面副井(2?5mX3?5m )采用髙度自动化提升机，借助矿车运人运料。这种 提升机利用矿车发射的无线电信号进行自动控制。小断面主井(2?3mX2?6m) 采用胶带输送机将本矿生产的全部煤炭运到地面。 在早期，高瓦斯涌出严重地影响了阿平矿的煤炭生产，为了 解决这一问题，阿平矿于 1981年开始施实瓦斯抽放。瓦斯抽放包括布里煤层 的采前予抽放和现采长壁采区下伏煤层-巴尔戈尼(Balgownie)和旺加威 利煤层的采后抽放。结果，在开采前，长壁采区布里煤层中和采准盘区中的 瓦斯浓度由抽放前的18m? 3/t降到抽放后的平均3m? 3/t。这种效果是通过 在煤层中打瓦斯抽放钻孔并把抽放的瓦斯经由管道输送到地面甲烷抽放站的 7 台真空泵而获得的。在长壁采区布里煤层的采掘过程中，下伏邻近的巴尔戈尼和 旺加威利煤层受到采动影响，裂隙形成，使得瓦斯产生流动， 以巴尔戈尼层和旺加威利层涌入到 长壁开采工作面。为了解决这一问题，向这些下伏煤层打入 向下倾斜的穿层钻孔，截获由于受采动影响而释放的甲烷，阿平矿利用这种方法 阻止甲烷涌入布里煤层。这些钻孔为现采区下伏煤层提供了有效的采后瓦斯抽 放。井下输送系统将采落煤输送到容量3501的井底煤仓，这些煤 经破碎后，由胶带输送机运到容量30001的地面煤仓。阿平矿年产煤炭200 万t以上，通过公路，用卡车将这些煤运到奥布赖恩斯德里夫特(OBriens Prilt),再通过公司专用铁路，将煤炭输送到肯布拉港的炼钢厂。4 陶尔煤矿陶尔矿位于伍伦贡西南40 km，在效区威尔顿和道格拉斯帕 克(Douglas Park )之间。该矿开采始于1978年11月，开采布 里煤层。陶尔井田是高质量、低灰分炼焦煤的重要储地，所产炼焦煤主要用于炼 钢。1979年初，陶尔煤矿在井底深部区遇到大断层带，结果，煤 矿采取包工形式以掘通岩石层，在1979年610月间，煤矿生产被迫停止。1982年后期，主要受当时经济衰退的影响，陶尔矿被迫减产减员，直到 80 年代中 期，陶尔矿因为拥有巨大储量的高质量炼焦煤，被公司改造成长壁采煤生产大 矿。由于布里矿和卡里莫尔矿的关闭，自 1985年底，这两个矿的职工开始向陶尔矿 调动。陶尔矿经营逐步好转，并最终于 1988 年 3月开始长壁采煤， 所用长壁采煤设备是从BHP公司约翰达令(John Darling)矿转 运来的，由多台韦斯特法利亚(Westfalia)型双柱支架和一台埃克夫(E ichoff)型滚筒采煤机组成，在这套设备能应用于陶尔矿之前，该矿进行 了大范围的改造。最终，这套设备被成功地应用于陶尔矿长为100m的第15长 壁采区回采工作面中，第6采区开始于1992年1月，由于从凯米拉(Kemira) 煤矿转运来了梅科(Meco)型四柱垛式掩护支架和一台安德森(Anderson)型滚筒采煤机，本采区工作面长度延长到 150m。陶尔煤矿是一座高瓦斯涌出矿井。有效的甲烷抽放对于该矿 连续安全生产非常必要，陶尔矿甲烷抽放站有 8台真空泵，它们与井下抽放 管道及抽放钻孔网连成一体。在陶尔矿，无论是长壁开采还是采准盘区开采都从 该矿大范围甲烷抽放中得到好处。5 甲烷利用回顾 阿平矿和陶尔矿实践表明，甲烷抽放必然导致不同特性的燃 料气体产生，一般情况是，这些特性的变化与气体成分和流量有关。考虑到 甲烷可作为一种能源或化学资源的可能性，BHP公司对这种气体的可能用途进行了 试验，根据瓦斯所处位置和组成特征，BHP公司断定瓦斯气体最经济可行的用法 是将之转化成电能，售给地方输电机构。1986年4月，在阿平矿，BHP公司安装了一台额定功率为 14MW 的单循环燃气轮机发电机组及与之相配套的气体压缩机、防回火器、气体过 流器等辅助装置，这套发电机组利用从矿井中收集的部分甲烷生产电能，售给勘 探电力公司（即现在的能源总公司）。 不幸的是，该电站经历了许多重要故障，并最终被永久地放 弃，所有的故障均不是由燃料质量引起的，这套燃气轮机发电机组用溜出油 作为备用起动运转燃料，以避免在矿井甲烷燃料暂时短缺时机器停止运转。6 甲烷抽放系统 最初，实施煤层气抽放是为了提高煤矿生产安全，保障阿平 矿和陶尔矿这两个高瓦斯矿井能持续生产。现在，虽然提高煤矿生产安全仍 是煤层气抽放的一个重要因素，但甲烷作为一种能源来利用所获得的环境效益却 变得越来越重要。阿平矿和陶尔矿分别于 1981年和 1989年开始甲烷抽放工作。 在阿平矿和陶尔矿，甲烷抽放站的核心设备是一组水环式真 空泵（阿平矿安装7台、陶尔矿安装9台），其最大实用抽放能力分别为6m? 3/s 和 7?5m? 3/s,在需要时，通过开动指定数目的真空泵，抽放能力可 以满足不同的抽放要求，随着运转真空泵的增加，抽放能力不断增加。 在每座矿井，四通八达的甲烷抽放管道网把井下甲烷抽放点 和地面抽放站联接在一起。在开采前，通过将抽气钻孔打到采准工作区前部 煤层中，对所有要采煤层的甲烷进行预抽放，同时，在现采长壁工作面附近，通 过利用不同排布的穿层钻孔，对下部煤层实施采后抽放。两矿还对已封闭的采空 区残余甲烷进行抽放。由于受后退式长壁采煤工作面的影响，地层松驰，结果穿层 钻孔从下伏煤层中抽排出大量的甲烷。从长壁工作面附近穿层钻孔获得的甲 烷产量明显地受采煤工作面推进速度的影响。7 燃料气体的特征 来自甲烷抽放站的气体燃料的流速和纯度受开采生产的影 响。尤其是在连续长壁采区之间，回采顺序的变化对这些气体参数影响显著。 从甲烷排放站输出的可燃气体含有来自于水环式真空泵密封水和煤层中的水分， 可燃气体的温度一般髙出周围大气温度151，从泵站输出的气体压力大约是10k Pa。从矿井中抽出的气体含有粉尘颗粒，其中大部分在密封水系统中被收集清 除。可燃气体组分变化非常大。一般是，甲烷浓度为5085%, CO? 2浓度为05%,非甲烷烃类浓度不超过1%，其中空气含量可达 50%。煤层气成分的变化以及甲烷收集和抽放参数的改变都会引起可燃气体的组分变 化。一般情况下，甲烷含量的变化率很低，这是因为在井工矿井 抽放甲烷地段内，与之相连的抽放孔很多(3004 0 0个)。但有些情况能加 大甲烷含量的变化速率，它们包括：(1) 甲烷抽放真空条件的改变，包括改变工作真空泵的数目。当真空泵起动 或关闭时，抽气压力改变，引起甲烷含量的变化，它能使甲 烷含量在10分钟内增加或降低515%。(2) 井下钻孔计划正在继续进行，虽然此时新钻孔的联结(联 结到抽放网上)只能引起甲烷含量的微小变化，但管道分布区内大块段钻孔 的联结或隔离，却能造成甲烷含量的显著变化。虽然大面积内钻孔的联结或隔离 对可燃气体组分的影响可以通过有序的引入而减少到最小程度，但一般仍能在极 短时间内造成甲烷含量变化 20%。也存在这种可能，即可燃气体的供给可能在一较短时间内完 全中止，例如，由于供电中断。在这种情况下，甲烷排放管道受到高纯度甲 烷的迅速加压，这时，必须在地面将这些甲烷通过紧急排放管道排放到大气中。 8 发电厂煤层气发电厂使用的是多台卡特皮勒(Catorpill a)G3516型火花点燃往复式燃气发动机。每台发动机直接驱动一台额定功率 为1000 kW的单体发电机，有两条气流分别被引入到组件封壳内，并以发动机负 荷确定的速度、成比例地输送给发动机。两股气流在发动机的燃料进气总管内混 合，为卡特皮勒G3516 型火花点燃往复式燃气发动机提供燃料，而发动机本身又驱 动一台电压为 415V、额定功率为 1MW 的发电机。每一套发动机发电机机组均 被安装于根据组件本身设计的单个隔音封壳内，这为发电机机组的移位装配、改 换位置的轻便性，和分段，扩容的适应性提供了方便。 作为两个独立的发电厂地，阿平矿和陶尔矿的设备功能组件 都有自己本身的发电组件、变压器、变电所和同步配台站。阿平矿安装 54套 发动机发电机机组，而陶尔矿安装 40 套。 阿平矿和陶尔矿的甲烷抽放站分别为各矿的煤层气发电厂提 供了主要的燃料来源。同时，阿平矿利用一部分矿井回风空气中的低浓度甲 烷作为本矿发电机燃料的补充，所有这些供给交电机组的空气都由阿平矿矿井回 风提供，回风中一般含有0?51?0%的甲烷，这种低浓度甲烷的利用为该矿发电 厂电力输出额提供了大约8?0MW的电能。对于煤矿来说，这是第一次把利用 矿井回风发电这种想法应用于实践。不幸的是，这种方法在陶尔矿却不适用， 因为矿井回风在陶尔矿不能长期供发电厂使用。除了利用矿井提供的甲烷外，这两个发电厂也准备购买天然 气发电。AGL公司供给的天然气可以用作一种替代能源，以补充矿井甲烷抽 放量的不足。通过改变两个发电厂之间的、地下输送连接管道中的矿井甲烷流 向，阿平矿和陶尔矿两地的矿井甲烷供给和需求之间的不平衡可以得到调节。9 新增电能发电机所产电能被输送进2?5MVA单元变压器，变压器将电压 升至22kVo两台发电机为一台变压器输电。从变压器输出的电被输送给 变电所22kV/66kV升压变压器，变电所升压变压器的功率为25MVA，它把从 单元变压器输送来的电压升髙，以和能源总公司的系统电压相匹配。阿平煤矿发电厂将安装 3台配电变压器，每台配备 18套发电 机机组，总装机容量54MW；陶尔煤矿发电厂将安装2台配电变压器，每台配 备 20 套发电机机组，总装机容量40MW。各矿的同步配电站为各矿的变电所、发电 厂和能源总公司系统之间提供了一个共用连接点，这使各矿井和发电厂从能源总 公司输电系统中独立出来，这样，一旦供电输入中断，矿井及电厂能继续运转。 10 环境问题甲烷是一种具有比CO?2温室效应更强烈的气体，通过将废弃 甲烷在电力生产中转化成CO?2，产生了两个主要的环境效益：(1) 通过最大程度地减少大气中的甲烷排放量，降低了温室气 体的排放；(2) 总体上，减少了生产同样多的电所需燃燃的煤炭。 阿平矿和陶尔矿的两个发电厂满负荷运转时，其发电量将相当于一个常规燃煤发电厂每年燃烧 37万吨煤炭所生产的电量。11 结论EDL公司、LLDC公司、能源总公司、AGL天然气公司和BHP公 司联合开发了一项利用井下煤炭开采所产甲烷的新项目，这项经济可行的工 程通过把矿井废气转化成电能而具有减少甲烷排放量的附带效益。BHP公司下属煤 矿分公司的甲烷排放量有可能减少 50%以上。（Coalbed Melhane Review，N0.8,徐会军译，王万兴校对）