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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?０％左右。
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)鼐用駧淼钠渌姘ǎ?
(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(Ｗｏｌｌｏｎｇｏ
ｎｇ)，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(Bｕｌｌ
ｉ)。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�。粒酰螅簦颍幔欤椋�)、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?５ｍ)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?６ｍ)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?
18ｍ?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(Ｄｏｕｇｌ
ａｓ Ｐａｒｋ)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�。模幔颍欤椋睿�)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(M
ｅｃｏ)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(wǎng)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�，F(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(wǎng)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(wǎng)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G351
6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?０%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／６６
ｋＶ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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