Когенерационные установки на базе шахтного метана



Предыдущая | Следующая

 

 

Когенерационные установки на базе шахтного метана – надежный источник обеспечения электрической энергией и теплом предприятий МПО «Кузбасс» «Обеспечение надежности энергоснабжения и оптимизация затрат на электроэнергию и тепло — важнейшая задача угольного предприятия» Анализ развития мирового рынка показывает, что в связи с истощением запасов нефти и природного газа в скором времени уголь и метан станут наиболее востребованы. Роль угля как надежного энергоносителя на долгосрочную перспективу утверждается СТАРИКОВ Александр Петрович Председатель Совета директоров МПО «Кузбасс» Канд. экон. наук СНИЖКО Валерий Дмитриевич ОАО «Шахта «Заречная» компетентными специалистами во всем мире. В России к 2010 г. мощности по добыче энергетического угля увеличатся на 30 млн т, а спрос на энергетический уголь вырастет на 24 млн т вследствие развития угольной генерации. Для России, как и для Украины, особо актуальны тенденции увеличения доли использования угольного топлива в тепловой энергетике. Важно наличие позитивного фактора: хозяйственные комплексы обеих стран располагают мощными угледобывающими отраслями, входящими в первую мировую десятку. В условиях постоянно растущих объемов добычи угля основными проблемами по-прежнему, остаются загрязнение атмосферного воздуха, засорение и истощение водных объектов, несовершенство системы обращения с отходами производства и потребления, истощение и деградация почвенно-земельных ресурсов, низкие темпы рекультивации нарушенных земель. До 2025 г. только на территории Кемеровской области предусматривается строительство и выведение на проектную мощность 24 шахт, 9 разрезов и 7 обогатительных фабрик, последующая эксплуатация которых может привести к усилению техногенной нагрузки и критическому росту негативного воздействия на окружающую среду. При этом наряду с вышеуказанными причинами серьезную проблему представляет большой объем газа-метана, выделяющегося в процессе промышленной эксплуатации шахт и нередко просто выбрасываемого в атмосферу. Прогнозные ресурсы метана угольных пластов в России по своим масштабам сопоставимы с традиционными месторождениями природного газа и оцениваются в 49 трлн куб. м. Наиболее подходящим для организации промышленной добычи метана из угольных пластов является Кузбасс, который характеризуется наличием развитой инфраструктуры и благоприятным размещением ресурсов по отношению к крупным промышленным центрам Кемеровской области. Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждаются опытом освоения метаноугольных месторождений в США, занимающих лидирующее положение в мире по уровню развития «новой газовой отрасли». В США добыча метана резко возросла до 5 млрд куб. м, что составило около 8 % от объема добычи природного газа, промышленная добыча метана угольных пластов ведется в Австралии, Канаде и Колумбии. В настоящее время в России метан из угольных пластов на полях действующих шахт извлекается только попутно системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 500 млн куб. м метана в год. Сегодня особо актуальна задача не только реализовать один из крупнейших инновационных проектов по организации экспериментальной добычи угольного метана, но и создать газовую подотрасль, которая станет важной составной частью добычного комплекса страны. Промышленное внедрение отечественных технологий добычи метана из угольных пластов поможет свести к минимуму аварийность на угольных шахтах, значительно улучшит экологическую обстановку. В 2003 г. «Газпром» приступил к реализации проекта на Талдинской площади в Ерунаковском районе Кузбасса, где пробурены четыре экспериментальные скважины и получены первые притоки газа. Подготовлены методики подсчета запасов метана угольных пластов, разработаны и апробированы технологии добычи метана, создана нормативная база. Скважины находятся в стадии опытной эксплуатации, первые результаты которой доказывают возможность промышленной добычи метана из угольных пластов Кузбасса. Для успешного решения этой важнейшей для угольных предприятий задачи Администрация Кемеровской области инициирует внесение ряда изменений и дополнений в законодательную базу недропользования для решения вопросов, связанных с обеспечением правовой основы масштабной добычи газа из угольных месторождений. Проект экспериментальной добычи метана из угольных пластов должен стать основой для организации промышленной добычи газа-метана на угольных месторождениях бассейна, четко определяющей промышленные и социальные объекты на территории области для экспериментальных поставок метана угольных пластов, с учетом своевременной подготовки и переподготовки специалистов по добыче газа из нетрадиционных источников. Потребность в изменении топливной базы ТЭС накладывается на необходимость обновления имеющегося энергогенерирующего парка, повышения экологической приемлемости и экономической эффективности национальных энергетических секторов и угледобывающих отраслей. Современные технологии переработки угля в условиях комплекса, состоящего из угледобывающей и энергогенерирующей частей, позволяют обеспечить соединение трех «Э» — энергетики, экологии и экономики. Сжигание топлива на месте его добычи способствует улучшению экономических показателей предприятия. Утилизация отходов угледобычи, кроме улучшения экологической обстановки, положительно сказывается на работе электростанции: вдувание исходящей из шахты метановоздушной смеси с угольной пылью повышает эффективность работы котлов, шахтные воды используются в технологическом цикле электростанции, а золо-шлаковые остатки могут быть захоронены в недрах по технологии закладки выработанного пространства. Существуют различные варианты построения топливно-энергетических комплексов на базе угольных шахт как с подземным, так и с наземным базированием электростанций, как с традиционными котельными агрегатами, так и с инновационными технологиями. На начало 2008 г. только в Рурском бассейне Германии работало более 130 контейнерных теплоэлектростанций на шахтном газе с установленной мощностью 158 МВт электрической энергии. Важен комплексный подход при разработке угольных месторождений и генерации энергии. Особое внимание эксперты обращают на проблемы, связанные с использованием шахтного метана, так как эффективность ТЭС, работающих на шахтном газе, недостаточна для их массового внедрения. Крупнейшие компании мира заняты подготовкой нового поколения двигателей, которые создают предпосылки для весьма прибыльной выработки электроэнергии. Наиболее эффективными в плане инвестирования считаются когенерационные модули малой и средней мощности, приуроченные к объектам промышленности, они могут получить воплощение в виде энергоблоков на шахтном метане или теплоэлектроцентралей с котлами ЦКС. Особого внимания, учитывая шахтную специфику, заслуживают пневмоаккумулирующие газотурбинные электростанции (ПАГТЭ), стержневым элементом которых служат высокооборотные хранилища сжатого воздуха (природного газа) в подземных резервуарах. Для работы газотурбинных электростанций обычно необходимы метан и сжатый воздух, подаваемые под давлением порядка 1,2 МПа. Опыт эксплуатации крупных энергосистем показывает, что работа ПАГТЭ в форсированных режимах при покрытии пиковых нагрузок также важна для выравнивания нагрузки на электрогенерирующие мощности, как и ночное аккумулирование энергии, путем закачки газа в подземные резервуары. Для создания пиковых электростанций угольные шахты являются уникальными сооружениями, поскольку имеют большие выработанные пространства, мощные потоки шахтных вод и значительные потребности в сжатом воздухе, обеспечиваемые применением мощных турбокомпрессорных станций. Донецкая и Кемеровская области, идентичные по своей структуре и развитию угольной промышленности, сегодня сталкиваются с одинаковыми проблемами по вопросам дегазации угольных пластов и повышения уровня безопасности подземных работ. Сотрудничество в решении этой проблемы приобретает региональный статус и получает серьезную поддержку правительств. Актуально решение проблемы более масштабного использования угля в промышленности Украины, правительство которой намерено в 2008 г. вдвое увеличить финансирование угольной отрасли, доведя его до 2,4 млрд дол. США и отказаться от потребления природного газа на тепловых электростанциях, переводя их поэтапно на уголь, более масштабно использовать шахтный метан в качестве альтернативного источника. Предлагается предоставлять государственные гарантии на привлечение кредитов для модернизации и улучшения производственных мощностей государственных шахт на сумму 640 млн дол. США, полностью компенсировав из государственного бюджета проценты по кредитам, направляемым на эти цели. Правительство намерено активно привлекать в угольную отрасль частных инвесторов. На ряде шахт Украины есть опыт добычи и переработки метана из угольных пластов, который используется как ценное энергетическое сырье. Традиционный способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации на электростанции и в котельной, при этом значительная часть энергии за счет сжигания первичного топлива не используется. Масштабно уменьшить общее потребление топлива позволяет применение когенерации — совместное производство электроэнергии и тепла. Опыт добычи и переработки метана из угольных пластов, используемого как ценное энергетическое сырье, наработан на шахте имени А. Ф. Засядько — самом крупном предприятии по утилизации метана в угольной отрасли Украины. Здесь в 1999 г. впервые был реализован крупнейший в мире инвестиционный проект по утилизации метана путем его когенерации, внедрение которого выполнила компания «Синапс», представляющая интересы американской корпорации «General Elektric». Благодаря этому существенному дополнению к стационарным электрическим и тепловым сетям шахта обеспечивает себя электроэнергией и теплом, а при необходимости делится мощностями с соседними донецкими микрорайонами. Кроме того, в рамках Киотского протокола шахта предложила Австрии и Японии квоты на выброс парникового газа, в счет которых зарубежные покупатели намерены поставить на предприятие дегазационное оборудование на сумму 2,5 млн евро. Рост объемов угледобычи требует значительного увеличения электрической и тепловой энергии для потребителей, однако возможности покрытия роста энергопотребления за счет существующей внешней энергетической системы крайне ограничены прежде всего из-за удаленности от территориальных генерирующих подстанций, дефицита мощности в энергетической системе и ограничений по пропускной способности сетей. Основное решение данной проблемы — это строительство когенерационных установок для энергоснабжения предприятий на базе шахтного метана, извлекаемого из отрабатываемых угольных пластов и выработанного пространства. Специалистами Управляющей компании ЗАО «Донецксталь — металлургический завод» и шахтоуправления «Покровское» (ранее угольной компании «Шахта «Красноармейская—Западная №1») совместно с представителями ЧНПП «Синапс» была разработана «Комплексная программа по обеспечению шахты тепловой и электрической энергией собственного производства за счет утилизации метановоздушной смеси», инициаторами разработки которой стали опытные организаторы угольного производства О. Д. Кожушок и В. В. Буждежан. Шахта отнесена к сверхкатегорийным по метану, опасным по взрывчатости угольной пыли, внезапным выбросам угля, породы и газа. В процессе развития горных работ и увеличения их глубины растет абсолютная газообильность шахты со 193 м3/мин в 1999 г. до 296 м3/мин в 2007 г. (см. таблицу) и прогнозируемая на конец 2010 г. до 350 м3/мин. Высокая газообильность разрабатываемого шахтой пласта d4 требовала надежной работы всей системы подземной дегазации, с помощью которой ранее каптировалось 106 м3/мин газовоздушной смеси с концентрацией метана 42 %, или в пересчете на «чистый» газ-метан (100 %) — 45 м3/мин. Были разработаны мероприятия по повышению эффективности работы всей системы дегазации, предусматривающие одновременную эксплуатацию двух вакуумнасосов ВВН-2-150, переход на бурение дегазационных скважин большого диаметра с изменением параметров дегазационных скважин, оснащение участка дегазации более совершенными буровыми станками БУГ-200 и GBH-1-89-12, замену трубопроводов дегазационной сети шахты на большой диаметр (425 мм), укомплектование штата участка «Дегазация» квалифицированными рабочими и ИТР. Выполнение данного комплекса мероприятий позволило увеличить количество каптируемого метана до 76,4 м3/мин в пересчете на 100 % газа. В связи с развитием горных работ и строительством комплекса воздухоподающего ствола на промышленной площадке № 2 шахты построена вакуумнасосная станция, оснащенная 12 насосами ВВК-2-150. С целью дальнейшего повышения эффективности дегазации в очистных забоях с возвратноточным проветриванием с поверхности были пробурены три дегазационные скважины для отвода метана из углепородного массива в процессе его подработки и вышележащей толщи пород, вовлеченных в зону разгрузки по мере отработки угольного пласта. Производственным объединением шахтной геологии и технического бурения «Укруглегеология» выполнены заключение и расчеты объемов метана, поступающих в очистные забои, отрабатывающие запасы угля в районе крупных горно-геологических нарушений. В расчетах объемов и притоков метана в горные выработки и дегазационные скважины были учтены попутно извлекаемые запасы метана, рассчитанные по методике института геотехнической механики (ИГТМ), на основании которых было принято решение о бурении с шахтной поверхности трех специальных скважин в зоны их последующей подработки очистными забоями: 2-й лавой южной панели блока № 8 (длина столба по простиранию 690 м), 4-й северной лавой бремберга блока № 5 (длина столба 490 м), 1-й лавой южной панели блока № 8 (длина столба 704 м). Все скважины были обсажены металлическими трубами с конечным диаметром 146 мм и перфорацией их нижних частей на длину 150 м. На момент подработки скважин дебит в свободном истечении составлял от 5,6 до 9,9 м3/мин смеси с концентрацией метана 90-97 %. Период эффективной эксплуатации скважин с максимальной отдачей метана в среднем составил 200 дней. В общей сложности из данных скважин было отведено 3,3 млн м3 газа в пересчете на 100 %-ный метан. На конец периода работы скважин дебет составлял от 0,4 до 0,8 м3/мин с концентрацией 90-94 %. На основании проведенных исследований намечен комплекс мероприятий по достижению высоких нагрузок на очистные забои шахты. Так, для обеспечения устойчивой работы 4-й южной лавы центральной панели блока № 8 предусматривается бурение с шахтной поверхности десяти дегазационных скважин через 150 м по простиранию отрабатываемого очистного забоя. С ростом темпов бурения данных скважин и снижения эксплуатационных затрат дегазация угленосной толщи специальными скважинами с шахтной поверхности в общем комплексе работ по дегазации в высоконагруженных очистных забоях в блоках № 10 и 11 шахты повысит безопасность труда по фактору «вентиляция». В настоящий момент из первой пробуренной и подработанной очистным забоем скважины Э6 дебит газа в свободном истечении составил 8 м3/мин метановоздушной смеси с концентрацией метана 97 %. Анализ эксплуатации экспериментальных скважин с учетом корректировки рабочего проекта позволил четко определить, что скважины, пробуренные с шахтной поверхности в зоны подработки очистных забоев, обеспечивают наряду с масштабной добычей газа метана снижение ограничений нагрузки по газовому фактору и повышают безопасность при производстве горных работ. С учетом наращивания объемов добычи угля потребность в таких дегазационных скважинах до полной отработки промышленных запасов шахты составляет 120-150 скважин в год. Для оперативного решения данной задачи необходимо создание собственного специализированного участка по бурению и обслуживанию дегазационных скважин, оснащенного современной техникой и передовой технологией, оказывающего шахте необходимый комплекс производственных услуг. В процессе проведенных наблюдений за газовыделением из скважин, пробуренных с поверхности, установлено следующее: дебит метана зависит от скорости подвигания очистного забоя, подрабатывающего скважину, и за короткий промежуток времени (2-3 мес.) изменяется с колебаниями от 0,8 до 9,0 м3/мин. Для получения устойчивого дебита газа целесообразно скважины, пробуренные с шахтной поверхности на площадь одного выемочного столба, соединить сетью (шлейфом) трубопроводов с контейнерной газоутилизационной установкой КГУУ-5/8, оборудованной встроенным ротационным вакуум-насосом производительностью 30(50) м3/мин с последующей подачей газа на когенерационные станции I-й и II-й очереди. При соединении этого газа с газовоздушной смесью от подземной дегазации возрастает до технически необходимого процент концентрации метана в общем объеме сжигаемой смеси. При наличии большого количества газа-метана из специальных дегазационных скважин, пробуренных с шахтной поверхности, целесообразно строительство и монтаж оборудования автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС) блочного (модульного) исполнения для последующей заправки технологического и легкового автотранспорта. Данный способ утилизации метана требует дополнительных исследований, так как для использования в АГНКС требуется высокая концентрация метана (более 95 %), достичь которой можно за счет регулировки запорной арматурой дебита газа по скважинам, что чревато снижением надежности проветривания шахты и негативно отразится на состоянии вентиляционной сети. ПО «Укруглегеология» разработаны проект и смета на строительство десяти поисково-разведочных скважин на свободное скопление газов в структурных ловушек в пределах поля шахтоуправления «Покровское», что должно при постепенном наращивании фонда скважин обеспечить за 11 лет эксплуатации добычу 1,1 млрд м3 чистого метана или 27,4 % запасов газа в пределах шахтного поля. На промышленной площадке шахты начата реализация проекта по «Обеспечению электрической и тепловой энергией собственного производства» с возможностью использования действий механизма Киотского протокола. Шахта в среднем потребляет 24 МВт?ч электроэнергии, и для производства такого количества электроэнергии необходимо шесть газопоршневых когерационных установок производительностью 4 МВт?ч каждая. В шахтной вакуумнасосной станции каптируется 196 м3/мин газовоздушной смеси с концентрацией метана 32-45 % или в перерасчете на 100 % СН4 — 76,4 м3/мин., часть которого используется в котельной (27 м3/мин), а остальной газ выбрасывается в атмосферу. Газовый котел КЕ-25/14 производит 15 т пара в час. В зимний период времени при температуре — 5°С в работу дополнительно включается газовый котел КЕ-25/14. Газовая установка ТCG-2032V16 вырабатывает 4 МВт?ч электрической энергии и 2226 кг/ч пара с температурой 195°С. При существующих показателях дегазации можно обеспечить работу трех когенерационных установок общей мощностью по 16 МВт, которые будут производить 8,8 т пара в час и работу газового котла в зимний период. Шахтный метан может быть использован на другие цели: — для заправки автотранспорта, что потребует значительных затрат на приобретение оборудования, строительство сети заправочных станций, персонала для работы вне промплощадки шахты; — после очистки, компрессии и ввода в систему трубопроводов «Трансгаз» газ-метан можно будет продавать по внутренним ценам для промышленных предприятий Украины»: — для производства метанола с учетом строительства комплекса специальных химических установок непосредственно на промплощадке шахты. В пределах шахты «Покровская» на площади дегазируемого массива 25 км2, ресурсы газа метана оценены в 1,36 млрд м3. Глубина предполагаемых скважин 430-510 м. Пластовое давление газа в обрушаемом массиве — порядка 15-17 атм., начальный дебит скважин — 7-10 тыс. м3 сут. При проведении комплекса работ для освоения существующих залежей необходимо будет пробурить 15 эксплуатационных скважин глубиной до 500 м каждая, общим объемом 7500 м, проложить шлейфы, связывающие их, построить пункт сбора и подготовки газа (УКПГ), в дальнейшем — компрессорную, которая понадобится на позднем этапе эксплуатации залежей, а также газопровод для подачи потребителю. Всего за шесть лет эксплуатации предполагается отобрать 157,7 млн м3 газа или 11,6 % запасов. Капитальные вложения для освоения этих запасов метана в техногенных залежах составят 1,5 млн дол. США Только за первый год эксплуатации при добыче 49,3 млн м3 газа выручка от продажи газа составит 1,8 млн дол. США, а за шесть лет эксплуатации прибыль ожидается порядка 4,3 млн дол. США. В последующем, с увеличением объема эксплуатационных скважин, возможно строительство компрессорной станции. Дальнейшая перспектива добычи газа угольных месторождений зависит от правильного, рационального подхода к организации работ. Учитывая положительный опыт формирования мощной когенерационной системы по выработке тепловой и электрической энергии за счет эффективной утилизации шахтного метана на шахте им. Засядько в Донецке, специалистами управляющей компании МПО «Кузбасс» в тесном сотрудничестве в представителями ОАО «Донецк-Энерго» подготовлено технико-коммерческое предложение по строительству в сибирском городе Полысаево тепловой электростанции мощностью 100 МВт и когенерационной газовой установки КГУ мощностью 8 МВт для дополнительного обеспечения необходимым теплом и электрической энергией входящих в состав объединения шахт «Заречная», «Алексиевская» и шахтоуправления «Карагайлинское». В последующий период при включении в состав МПО «Кузбасс» намечаемой к строительству шахты «Серафимовская» часть объектов этого угольного предприятия будет запитана от действующих ТЭС мощностью 100 МВт и когенерационной газовой установки КГУ мощностью 8 МВт, ориентировочные затраты на сооружение и опытную эксплуатацию которых в соответствии с проектом составят 153 млн дол. США. В настоящее время прорабатываются вопросы минимизации протяженности строительства линии электропередач с учетом использования действующих ЛЭП «Кузбассэнерго» и реконструкции ТЭЦ Юргинского машиностроительного завода для увеличения ее мощности с целью покрытия потребности электроэнергии в городе Юрга, что позволит снизить замыкающие затраты на 128-130 млн дол. США.