Энергетическое использование шахтного каптированного метана

К 70-летию КАФЕДРЫ' «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»

і

^ В.И. Серов, В.П. Виноградов,

2000'

УДК 622.411.33:658.26

В.И. Серов, В.П. Виноградов ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАХТНОГО КАПТИРОВАННОГО МЕТАНА

В

ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского разработана система энергетического использования шахтного каптированного метана, решающая задачи энергосбережения, повышения безопасности и охраны природы, и создана газомоторная силовая установка в форме малой автоматической ТЭЦ с электрической мощностью 1000 кВт и тепловой мощностью 1,0 Гкал/ч. Установка использует в качестве топлива 5,3 м3 /мин шахтного каптированного метана при концентрации от 25 до 100% и поставляет шахте электроэнергию и техническое тепло. Физически установка может одинаково полноценно (с номинальной мощностью) работать при концентрации метана от 5 %. Установленный Правилами нижний предел 25 % имеет физический смысл только для сжигания метана в котельных, где использование метана при концентрации ниже 25 % физически невозможно.

На шахтах России в девяностые годы системы дегазации извлекали 900 м3 /мин метана, т.е. примерно 1520 % его дебита, что достаточно для генерирования 150-170 МВт электрической и 150-170 Гкал /ч тепловой мощности.

Средняя газообильность угольных шахт России составляет примерно 20 м3 метана на одну тонну добываемого угля. Для обеспечения взрывобезо-пасности рудничной атмосферы при высоких нагрузках на лаву коэффициент дегазации должен быть поднят, по крайней мере, до 50 %, т.е. будет извлекаться в среднем 10-14 м3 метана на тонну добываемого угля, что позволит, используя газомоторные

ТЭЦ, генерировать 30-40 кВт.ч/т электрической энергии и 0,04 Гкал/т тепла. Современный уровень расхода составляет 54-55 кВт.ч/т. Следовательно, угольные шахты России смогут удовлетворить более половины своей потребности в электроэнергии, используя ныне бросовое топливо -каптированный метан.

Создание газомоторной силовой установки (малой газовой ТЭЦ) 1000 кВт является частью программы по энергетическому использованию шахтного метана, которая первоначально включала в свой состав создание ряда газомоторных и газодизельных установок мощностью 200, 1000 и 2500 кВт.

Финансовые затруднения компании «Росуголь» не дали возможности завершить изготовление газодизельной установки 2500 кВт на заводе ОАО «Русский Дизель» и газомоторной установки мощностью 1000 кВт на заводе ОАО «Коломенский Завод».

Обе эти установки, спроектированные по схеме и техническим требованиям ННЦ ГП-ИГД им. А.А Ско-чинского, остались в незавершенном производстве. Поэтому проект автоматической газомоторной силовой установки мощностью 1000 кВт и 1,0 Гкал/ч был подан в 1996 г. ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского на конкурс Российско-Американской комиссии по импорту энергосберегающего и природоохранного оборудования и материалов, действовавшей в рамках Программы Черномырдин-Г ор, и выиграл стопроцентный грант в размере 4, 0 млн. долларов США, давший право заказать на одной из фирм США изготовление силовых установок, реализующих проект, выигравший конкурс.

Успех проекта ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского на конкурсе был обусловлен международной озабоченностью в рациональном использовании энергетических ресурсов планеты и в сдерживании глобального потепления климата в результате выбросов в атмосферу Земли тепличных газов, одним из которых является шахтный метан.

В настоящее время две газомоторные установки, разработанные ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского в форме малых ТЭЦ мощностью по 1000 кВт и 1,0 Гкал/ч общей стоимостью 2 млн. долларов США, изготовлены и поставлены в счет гранта фирмой «Катерпиллар» шахтам «Северная» ОАО «Воркутауголь» и «Чер-тинская» ОАО «Беловоуголь». Установки введены в эксплуатацию в режиме параллельной работы с энергосистемой, выдавая в нее по 1000 кВт мощности и снижая потребление шахт «Чертинская» и «Северная» из энерго-сисемы. Упомянутые шахты располагают газом, дебит которого может обеспечить генерирование 10000 кВт электрической мощности.

Таким образом, нам удалось преодолеть финансовые затруднения отрасли и решить задачу создания технических средств энергетического использования шахтного метана в форме автоматических ТЭЦ в северном блочно-контейнерном исполнении для открытой бесфундаментной установки.

Уверенность в правильности нашего решения проблемы энергетического использования шахтного метана дает не только работа на шахтах «Чертинская» и «Северная» силовых газомоторных установок, изготовленных по нашей схеме и спецификации фирмой «Катерпиллар» (США), но и то, что эта фирма одновременно с поставкой в Россию поставила в Австралию 96 таких же установок, которыми укомплектованы две уже действующие электростанции на шахтах «Аппин» и «Тауэр».

Их общая мощность составляет около 100 МВт, и они не только удовлетворяют потребность этих шахт в электроэнергии, но и отдают в энергосистему штата Новый Южный Уэльс ее избыток, питая 60 тысяч жилых построек. Проекты газомоторных электростанций шахт «Аппин» и «Тауэр» признаны энергетической и экологической новацией, а группа «Энерги Девелопмент», реализовав-

шая эти проекты, мировым лидером в использовании метана угольных шахт.

Газомоторными установками «ИГД-Катерпиллар» мощностью 1000 кВт и 1,0 Гкал/ч могут комплектоваться ТЭЦ газообильных шахт, ведущих дегазацию.

В России разработана и находится в незавершенном производстве силовая установка типа «ИГД-Коломенский завод», аналогичная установкам» ИГД-Катерпиллар», на базе серийного дизеля ОАО «Коломенский завод», конвертированного на шахтный каптированный метан. Установка может тиражироваться этим заводом в практически неограниченных количествах.

Газомоторные силовые установки в форме малых ТЭЦ отличаются следующими достоинствами:

1. Высоким КПД, не уступающим КПД крупных паросиловых установок, работающих на высоких параметрах пара, - 0,35-0,4 по электроэнергии и общим КПД, включающим теплоту, 0,85-0,9.

2. Низкой ценой одного киловатта установленной мощности.

3. Высоким общим ресурсом (200 000 часов по данным фирмы «Катерпиллар»).

4. Полным автоматизмом работы.

5. Простой организацией серийного производства на базе конвертированных на газ серийных судовых и транспортных дизелей российских заводов.

6. Простотой монтажа на шахте, не требующего строительных работ.

7. Экологической чистотой по выбросам в атмосферу и шумности.

8. Возможностью работы на шахтном каптированном метане -смеси метана с воздухом при концентрации от 5-6 % до 100 %, на природном газе, биогазе и генераторном газе, получаемом из угля и других твердых видов топлива.

В мировой инженерной практике сложилось убеждение, что газомоторные силовые установки более эффективны, чем газотурбинные в диапазоне мощностей до 5-10 МВт, и поэтому предпочтительны для комплектации силовых установок в этом диапазоне мощностей.

По результатам работы силовой газомоторной установки «ИГД-Катерпиллар» в условиях Кузбасса можно оценить ожидаемую эффективность работы таких установок в

условиях Воркуты и Кузбасса. При генерировании электроэнергии и тепла их стоимость в местных условиях составит: для Воркуты - 2 500 000 ру б/год, для Кузбасса - 1 500 000 руб/год (в ценах первой поло-вины 1998 г.) При цене одного киловатта установленной мощности автоматизированной газомоторной ТЭЦ 500-800 долларов США при серийном производстве на заводах России срок ее окупаемости без учета эксплуатационных расходов составит: в Воркуте — 1,3-2,1 года, в Кузбассе - 2,2-3,0 года.

Таким образом, угольная промышленность России располагает техническим средством использования каптированного метана для совместного генерирования электрической энергии и тепла, которое более экономически эффективно, чем получение только технического тепла.

При тарифах и ценах первой половины 1998 г. в Кузбассе 1,0 м3 метана, использованный для получения электроэнергии и тепла, дает совокупный продукт (электроэнергия и тепло), цена которого в 4-6 раз выше, чем просто технического тепла. Это дает основание принять в качестве основного направления технической политики отрасли в использовании каптированного метана, не сжигание в котельных, а совместное генерирование электрической энергии и тепла силовыми установками. Возможность генерировать, используя каптированный метан, ценный продукт - электроэнергию будет экономически стимулировать развитие дегазации и этим повысит безопасность работ на газообильных шахтах.

Газомоторные силовые установки, универсальные в отношении используемого газового топлива, представляют интерес и за пределами угольной промышленности. Установки, аналогичные поставленным фирмой «Катерпиллар» на шахты Австралии и России, нашли, например, применение на свалках мусора в Австралии и Англии, где из толщи захороненного мусора добывается биогаз, используемый для генерирования электроэнергии. При этом улучшается экология мусороперерабатывающих предприятий.

В Германии газомоторные силовые установки, использующие сетевой природный газ,

поставляемый Россией, обеспечи-

вают автономное тепло и электроснабжение некоторых предприятий, значительно снижая затраты на него. При этом цена одного кВт.ч электроэнергии «собственного» производства составляет

0,12 ОМ, а поставляемого региональным энергосистемам - 0,28 ОМ.

Таким образом, силовые газомоторные установки (малые ТЭЦ) могут быть использованы как при решении задач, поставленных Приказом Минтопэнерго № 128 от 19.04.99 г., так и при решении программы «Энергосбережение России (Приказ Минтопэнерго № 236 от 20. 07.1998 г.) путем:

а) вовлечения в энергетический оборот бросовых попутных газов угольной и нефтяной промышленности, биогаза и генераторного газа из отходов сельского, городского и лесного хозяйств;

б) использования природного газа для совместного производства электроэнергии и отопительного тепла непосредственно в местах спроса на тепло с максимальным сокращением длинны теплотрасс - источника значительных потерь энергии.

Для решения задачи использования шахтного метана необходимо выработать единую техническую политику и сконцентрировать средства на наиболее эффективных технологиях, готовых к реализации.

Таковыми являются:

• совместное генерирование электрической энергии и тепла с использованием газомоторных силовых установок;

• заправка газомоторного и газодизельного автотранспорта сжатым каптированным метаном при концентрации свыше 90 %.

При формировании технической политики следует исходить из того, что результат использования газомоторных силовых установок должен служить экономической мотивацией развития шахтами систем дегазации.

Электроэнергия и моторное топливо - ценные продукты, просто и надежно реализуемые в любом объеме вне зависимости от сезона в самой сфере угольного производства и дающие прибыль в форме экономии затрат на приобретение на стороне электроэнергии и моторного топлива. Газовое топливо обеспечивает производство электроэнергии с наименьшими по сравнению с другими видами топлива капитальными и эксплуатационными затратами, т.е. по низкой

себестоимости при ее высокой цене на энергетическом рынке. Поэтому, например, в условиях Кузбасса один кубометр метана принесет при совместном производстве электроэнергии и тепла в 5 раз больший доход, чем при производстве только тепла.

Появление на рынке средств совместного генерирования электрической энергии и тепла - автоматических газомоторных силовых установок сделает бессмысленным использование шахтного каптированного метана для получения только тепла в котельных - сезонных потребителях топлива. Более высокие капитальные затраты на силовые установки окупятся за 2-3 года.

Все приведенное выше дает основание предлагать организацию в России производства универсальных силовых газомоторных установок (газовых ТЭЦ), позволяет сформировать в угольной промышленности эффективную систему энергетического ис-

пользования шахтного каптированного метана. Газомоторные силовые установки найдут применение во многих отраслях народного хозяйства страны.

Для оснащения шахт и других предприятий, располагающих газовым топливом, нужно, видимо, создать на акционерных началах лизинговую компанию с отделениями в Кузбассе и Воркуте.

Для продолжения работ по созданию газомоторных ТЭЦ, вошедших в программу «Метан России», необходимо в 1999 г.:5.

Завершить изготовление на ОАО «Коломенский завод» автоматической газомоторной ТЭЦ типа «ИГД-Коломенский завод» и подготовить выпуск серии.

1. Разработать и изготовить мобильную газомоторную установку мощностью 400-500 кВт для системы дегазации угольных пластов в условиях Кузбасса скважинами с поверхно-

сти и с передачей генерируемой электроэнергии в энергосистему шахты.

2. Оказать поддержку целевыми инвестициями ОАО «Беловоуголь», и ОАО «Воркута-уголь», успешно занимающимися дегазацией и располагающими дебетом метана, свободного для использования.

3. Разработать реальный перспективный план формирования в отрасли системы использования шахтного каптированного метана, свободный от прожектерских предложений не имеющих под собой реальных инженерных основ, и сосредотачивающий финансовые возможности на ключевых технологиях, дающих капитальное решение технических проблем, вытекающих из условий реструктуризации угольной промышленности и обеспеченных возможностями отечественного машино- и приборостроения.

Серов В.И. — профессор, доктор технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.

Виноградов В.П. — кандидат технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.

......................................................................