能源研宄与信息地下煤炭气化发电机组运行特性分析何光艳李传统2（1.中国矿业大学机电学院，江苏徐州221008；2.南京师范大学动力工程学院，江苏南京210042）化发电的工业性试验。运用分析方法对地下煤气化发电机组的运行参数和运行特性进行了研宄，得出了造成损的主要环节，进一步提出了采用先进燃气轮机的地下整体煤气化联合循环（UIGCC）发电技术有效提高地下气化煤气能量利用率，为地下煤气化发电技术的推广应用提供了技术依据。
中国是煤炭生产和消费大国，目前煤炭提供了我国一次能源的75%左右，虽然目前我们国家正在对能源结构进行调整，加煤炭以外其他能源的比例，但据预测，在未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源。在煤炭开发与利用过程中，由于传统煤炭生产利用方式的落后，我国煤炭资源的浪费和生态环境的破坏非常严重，既制约了国民经济的发展，也危及生态平衡与人类生存。我国所消耗的能源为世界总消耗量的8%~9%，而S2的排放量却占世界排放总量的15.1%，NOx占10.1%，C2占13.5%.我国污染物排放中S2的87%，C2的71%，NOx的67%和烟尘的80%都是由于煤燃烧引起的。
我国年产近14亿t煤中用于直接燃烧生产动力和热能的燃料煤（即动力用煤）约占4/5.火电用原煤消耗量占我国原煤产量的比例在1986年之前大致占20%，1997年加到30%，估计到2005年可能超过35%.随着我国国民经济的快速发展，我国的煤炭年产量不断提高，2002年我国的煤炭产量为13亿t，市场需求量超过14亿t.据中国煤炭工业协会预计，2004年我国煤炭的总需求将达到17亿t.以煤炭作为主要一次能源的能源结构使我国的大气环境遭到严重的污染，我国己有2/3以上的城市空气污染超标，并有1/3的国土遭到酸雨的侵害。为了缓解我国现有的能源结构对我国环境保护造成的压力，开发和利用不同形式的新能源和再生能源，提高新能源和再生能源在我国能源结构中所占的比例，对我国的国民经济可持续发展具有重要的战略意。
由于采煤工艺的需要和地质条件的限制，在煤炭的开采过程中会遗留大量的煤炭。为了充分回收遗留煤炭资源和利用遗留煤炭的能量，我国近年来对地下煤炭气化进行了广泛和深入的研究，并且获得了的成功，达到了煤炭地下气化工程实用的阶段。我国己经成功运行了10多个煤炭地下气化炉，所产生的地下煤炭气化产物用作民用燃料。因此，研究合理的煤炭地下气化产物的净化工艺和发电系统的优化运行措施，对促进煤炭地下气化产物发电技术产业化和改善我国的一次能源结构具有重要的价值。
1煤炭地下气化产物的成分和热值根据对新汶矿业集团所属的孙村矿和鄂庄矿煤炭地下气化炉的最终气体产物进行了现场采样和分析，其相应的煤炭地下产物的主要成分如表1所示。
表1孙村矿和鄂庄矿煤炭地下气化煤气主要成分地点孙村鄂庄采样数据表明地下气化煤气是一种清洁燃料，其主要可燃成分是氢、一氧化碳和甲烷。
孙村矿地下气化煤气主要成分是H2、CO2和N2，其中氢的含量较高，约20°%~52%，热值约氢的质量低而热值高，是汽油低位热值的2.73倍，但由于相对分子质量小，质量轻，其标态体积热值只有10.8M-m-3，与空气的理论混合气标态热值也只有3.184M-m-3，接近沼气而比天然气和一氧化碳的低。但是氢是一种清洁燃料，燃烧产物是水，没有碳和碳烟；氢的着火界限宽（在空气中燃烧为4.1%75%），比汽油和柴油的大很多，可以稀薄燃烧，对降低发动机的部分负荷时的能耗率有重要意义；而且它有很高的火焰传播速度，高达2.91m-s-1，是汽油的7.72倍，比乙炔还要高87%，在汽油机中燃烧时抗爆性比汽油好；氢的点火能量较低，最小可以低到0.013m0.020m，比汽油低得多。一氧化碳虽然体积热值较低，但其理论混合气热值却是常见可燃气体中最高的（见表2）。
表2几种气体燃料理论混合气热值的比较燃料种类理论空燃比/kg-kg-1标态体积热值/M-Nm-3理论混合气标态热值/M-Nm-3天然气沼气化工余气氢一氧化碳2地下煤炭气化气体发电机组在将煤炭地下气化产物作为燃料的发电系统中，通常采用燃气轮机或内燃机。由于我国目前尚没有成熟的适用煤炭地下气化气的燃气轮机，故新汶矿业集团采用400kW内燃机发电机组，共有12个气缸，排列方式为双列式，共用一根曲轴，V形布置。其燃烧过程有下列特点：（1）混合气在气缸外部形成，混合气均质、单相，且在燃烧前预先制备；⑵过量空气系数范围比较窄，一般为a=0.90~1.20，本机组为1.1.a值过大，则着火不稳定，部分负荷时容易失火（不着火），过小时，则不完全燃烧严重，耗气率高且排污严重；煤气中氢含量较高（最高达60%），为防止爆燃，通过自动调整煤气与空气比例，控制缸温始终低于煤气燃点，确保不出现爆燃；燃烧过程属于预混合燃烧，具有定容燃烧性质，燃烧最高温度较高；对地下煤气热值适应能力强，运行中最低热值可放宽到6.3M.Nm-3；压缩比比较低，一般汽油机为79，从而决定了燃烧过程的热效率较低，排气温度较高（因膨胀不充分）。本机组采用电控外混合进气系统，煤气进气压力降为500kPa，可直接使用气柜里贮存的带压煤气，节省压缩系统及电喷阀，投资降低，操作简便，管理容易。节省机组电耗，提高了机组效率。
所采用的测试仪表有：TT4G热电阻温度变送器，EL4C电参数综合测试仪，LZB-10转子流测试参数有：油冷却器进出口水温、冷却水流量、发动机进出口水温、水流量、气缸壁温（12个测点）、发电机电流、电压、功率。
此外，还取样测量了燃烧产物的温度、成分及煤气成分。
4实验数据分析孙村矿、鄂庄矿的发电机组相同，故选择孙村矿发电机组进行实验研究。将煤气发电机组划分为混合器、燃烧室、活塞气缸装置三个子系统分别进行分析。
以2002年5月23日孙村矿发电机组全天运行工况为基础进行分析。当天7：00暖机，7：15到实验结果表明，机组发电热耗率为11机组净发电热耗率为12478k.kWh-1，净发电热效率28.9%，净单耗1.32m3.kWh-1.由此可得系统烟和能分析结果（见表3、表4）。从中可见，机组效率为28.3%，能量利用率较低，尚未实现有效利用。损失主要集中在燃烧过程中能量转换、发动机冷却散热过程中大温差传热及排气温度过高三个方面。
表3W分析结果汇总名称损/k传递效率/%烟损系数混合器输入输出燃烧室输入输出活塞气缸输入输出总效率总损系数表4能分析结果汇总名称能量/k热损失/%总能量燃烧室排气显热散热作功活塞气缸排气显热散热总热损失/%总热效率/%按分析的观点，煤气和空气预混合过程的损失很小，可近似忽略不计。预混合气燃烧过程是一个不可逆程度较大的过程，损系数高达0.585，是系统中损失最大的环节。损失主要集中在化学能转换为烟气热能及部分能量被冷却水带走两个方面。燃烧生成烟气在活塞气缸装置内作功过程中烟损系数为0.132，主要是热量转换为功、排放烟气中能量未再加以有效利用及冷却水套散热三方面造成。
按能分析的观点，由于燃烧比较充分，机械不完全燃烧热损失和化学不完全燃烧热损失都可忽略不计。热损失主要是散热损失，高达49.8%，其中40.5%在燃烧室（含活塞顶），剩余的9.3%在活塞气缸装置。散热损失主要是由发动机水冷夹层和油冷却器造成。由于机组尚未能充分利用烟气余热，排烟温度高达470C，所以排烟热损失较大，为19.4%.要注意的是，虽然分析和能分析都指出燃烧室中预混合气燃烧过程损失最大，但是它们的分析是有区别的。分析指明其损失主要由两部分组成，一是燃烧反应的不可逆性所导致的烟损；一是发动机的水冷夹层的大温差传热引起的烟损。而夹层出水平均温度在62C左右，散热量虽然较大但其中所含值较低，且热量最终全部释放到环境中而没有利用，所以引起较大损失。但烟损失主要在于换热温差，热损失在于散热数量。
实验过程中，机组运行工况稳定，燃烧工况基本良好，各项参数均在正常工作范围内。这表明地下气化煤气发电技术上是可行的，不仅拓宽了利用途径，同时具有良好的环保性和安全性。
孙村煤气发电机组项目投资200万元，其中土建30万元，设备133万元，材料安装37万元。根据电价情况，仅安排在电价的峰平段运行，年发电能力140万kWh，以0.55元。kWh-1的电价计算，产值77万元，发电成本0.25元。kWh-1，年利润42万元，总投资在6年内可望全部收回。
5展望现有地下气化煤气发电机组的能量转换效率较低，需加以改进，而采用先进燃气轮机的地下整体煤气化联合循环（UIGCC）发电技术可以有效提高地下气化煤气能量利用率，是未来地下气化煤气发电的主要发展方向之一。孙村矿地下气化煤气中氢含量高，因此整体煤气化燃料电池联合循环（IGFC-CC）也是提高地下气化煤气能量利用率的另一个重要发展方向。
现有煤气发电机组可从几个方面着手改造以提高机组运行效率：设置高效废热锅炉供应生活热水及冬季供暖，必要时适当补燃，以充分利用机组排放烟气所含热量；将机组水冷夹层和油冷却器的出水和废热锅炉连接起来，将其热量也加以利用，进一步提高能量利用率。
现有机组监测控制自动化水平有待提高，对机组经济性造成一定影响。由于煤气热值和成分尤其是氢含量有较大波动，因此针对煤气发电机组开发专用自动监控系统，提高机组的监控水平，及时调节热力参数，对有效组织燃烧，提高能量利用程度，改善现有机组的热经济性有直接而明显的好处。