[0001] 本发明涉及一种煤矿抽采瓦斯利用技术，特别涉及一种煤矿高低负压抽采瓦斯混配输送发电的装置及方法。

[0002] 当前我国煤矿瓦斯利用还处在起步阶段，利用率普遍偏低。近十年来，我国井下瓦斯抽采纯量100-130亿m3、利用率为35%左右。据不完全统计，甲烷浓度30%以上的高浓度抽采瓦斯约约占井下抽采瓦斯总量的44%，主要用于内燃机发电和民用燃料，少量用于制LNG、CNG等，利用率约60%；甲烷浓度10%-30%的低浓度抽采瓦斯约占29%，主要用于低浓度瓦斯内燃机发电，利用率约27%；甲烷浓度10%以下的约占27%，利用较少。可见，甲烷浓度低于30%、特别是低于10%的低浓度抽采瓦斯在抽采瓦斯总量中占比大，利用率低，导致整体利用率低下，每年大约排空瓦斯纯量75亿m3，相当于浪费922万吨标准煤和对空排放1.1亿吨CO2。

[0003] 通过调查分析，进入新世纪以来我国经济高速发展，对煤炭的需求量大增，高瓦斯矿区、煤与瓦斯突出矿区的开采力度加大。为了保证煤炭开采过程中安全，新建或扩建的煤矿瓦斯抽采一般采取高负压和低负压同时抽采的方式。高负压抽采是对本煤层进行瓦斯预抽，瓦斯浓度一般较高；低负压抽采是对采煤区的上隅角、临近层和采空区进行抽采，瓦斯浓度一般较低，通常在10%以下或更低。十多年来，我国建设的瓦斯内燃机发电站仅能利用高负压抽采的瓦斯，也就是说利用浓度在10%以的抽采瓦斯。在同一个瓦斯地面抽放站，低负压抽采的浓度低于10%或更低的瓦斯基本对空排放。有些瓦斯发电站尝试将高低负压抽采瓦斯汇合发电，但出现类瓦斯相互干扰造成抽采泵“憋泵”现象。并且，单就高负压抽采瓦斯发电来说，由于瓦斯供给总量波动与发电能力无法完全匹配，也会造成抽采泵“憋泵”现象。实际运行时瓦斯抽采泵原排放口部分开启，保持一部分瓦斯处理于常排状态，一部分瓦斯输送去发电。当发电设备能力较大时，瓦斯内燃机的增压器处于抽吸瓦斯状态，输送管道内部形成负压，瓦斯所含有的水分通过增压器进入内燃机气缸，产生三种危害：一是液态的水冲击高速运转的增压器叶片，二是液态水进入气缸汽化吸热，降低发电效率；三是内燃机调压阀入口负压，失去减压和稳压作用，当瓦斯浓度和压力出现较大波动时，容易出现内燃机“爆振”现象。

[0004] 现有技术和装备的不足是我国煤矿抽采瓦斯利用率常年徘徊在35%左右重要原因之一，同时也是瓦斯内燃发电机组可靠性和经济性不理想的重要原因之一。据了解目前国产瓦斯发电机组由于瓦斯含水量大，发电效率一般在25%-30%，距35%以上的效率相差较大。因此，寻找一种煤矿高低负压抽采瓦斯混配输送发电的装置及方法，在安全可靠、经济高效的前提下，尽可能多地利用抽采瓦斯，提高我国瓦斯利用率，促进煤炭行业节能减排事业是十分必要的。

[0018] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0019] 参照附图1，本发明提到的一种煤矿高低负压抽采瓦斯混配输送发电的装置，其技术方案是：包括低负压瓦斯放散阀1、低负压瓦斯输送阀2、低负压瓦斯压力传感器3、低负压瓦斯阻火泄爆器4、低负压瓦斯干式阻火器5、A转换阀6、B转换阀7、引射混配器8、混配瓦斯浓度传感器9、瓦斯抑爆装置10、混配瓦斯阻火泄爆器11、混配瓦斯干式阻火器12、瓦斯分流调节阀13、在线瓦斯放散器14、过滤脱水器15、混配瓦斯压力传感器16、内燃机调压阀17、回流水封18、内燃机增压器19、中冷器20、内燃机进气总管21、浮子式疏水阀22、内燃发电机组23、C转换阀24、D转换阀25、E转换阀26、高负压瓦斯干式阻火器27、高负压瓦斯阻火泄爆器
28、高负压瓦斯压力传感器29、高负压瓦斯输送阀30、高负压瓦斯放散阀31，高负压瓦斯抽采泵通过高负压瓦斯阻火泄爆器28、高负压瓦斯干式阻火器27E转换阀26、C转换阀24连通到引射混配器8，低负压瓦斯抽采泵通过低负压瓦斯阻火泄爆器4、低负压瓦斯干式阻火器
5、A转换阀6连通到引射混配器8，所述引射混配器8后端依次连接多组瓦斯抑爆装置10，经过混配瓦斯阻火泄爆器11、混配瓦斯干式阻火器12、瓦斯分流调节阀13、在线瓦斯放散器
14，再连接到过滤脱水器15、回流水封18、内燃机增压器19、中冷器20、内燃机进气总管21、浮子式疏水阀22、一组或多组内燃发电机组23。

[0020] 其中，低负压瓦斯阻火泄爆器4、低负压瓦斯干式阻火器5、高负压瓦斯干式阻火器27、高负压瓦斯阻火泄爆器28、混配瓦斯阻火泄爆器11、混配瓦斯干式阻火器12通过各自相关的管道连接构成瓦斯阻火泄爆系统；低负压瓦斯放散阀1、A转换阀6、B转换阀7、引射混配器8、混配瓦斯浓度传感器9、C转换阀24、D转换阀25、E转换阀26通过各自相关的管道连接构成瓦斯混配系统；瓦斯分流调节阀13、在线瓦斯放散器14、混配瓦斯压力传感器16、内燃机调压阀17、内燃发电机组23通过各自相关的管道连接构成瓦斯管道压力控制系统；混配瓦斯阻火泄爆器11、混配瓦斯干式阻火器12、过滤脱水器15、回流水封18、内燃机增压器19、中冷器20、内燃机进气总管21、浮子式疏水阀22通过各自相关的管道连接构成瓦斯过滤脱水系统；
在高负压瓦斯抽采泵作用下，较高浓度的抽采瓦斯经由高负压瓦斯输送阀30、高负压瓦斯阻火泄爆器28、高负压瓦斯干式阻火器27、E转换阀26、C转换阀24进入引射混配器8，在引射混配器8形成高速瓦斯气流，负压引射经由低负压瓦斯输送阀2、压瓦斯阻火泄爆器4、低负压瓦斯干式阻火器5、A转换阀6过来的浓度较低的低负压抽采瓦斯，避免两路瓦斯交汇时相互干扰造成瓦斯抽采泵“憋泵”现象，并且高低负压抽采瓦斯在引射混配器8内实现均匀混合；如果高低负压抽采瓦斯混配后瓦斯浓度达不到内燃发电机23的要求一般不低于
10%，则通过调整A转换阀6、B转换阀7、C转换阀24、D转换阀25、E转换阀26的开或关状态改换高低负压抽采瓦斯进入引射混配器8的进口，以低负压抽采瓦斯引射全部高压抽采瓦斯，使混配后的瓦斯达到内燃发电机组23的要求，部分低负压抽采瓦斯通过低负压瓦斯放散阀1排空。其中，过滤脱水器（15）、混配瓦斯压力传感器（16）、内燃机调压阀（17）、内燃机增压器（19）、中冷器（20）、内燃机进气总管（21）、浮子式疏水阀（22）、内燃发电机组（23）组成一套发电设备主体，附图1示例了两套发电设备主体，实际应用可增加发电设备主体数量。

[0021] 混配瓦斯经由瓦斯抑爆装置10、混配瓦斯阻火泄爆器11、混配瓦斯干式阻火器12、进入在线瓦斯放散器14，在线瓦斯放散器14前设置起旁通放散瓦斯作用的瓦斯分流调节阀13，根据内燃发电机组23的发电需求，调节其开度，保持内燃机调压阀17前的混配瓦斯压力传感器16不低于3kPa，即维持瓦斯输送管道内压力基本稳定。

[0022] 优选的，含较多水分的高低负压抽采瓦斯分别经过高负压瓦斯干式阻火器27、低负压瓦斯干式阻火器5后将大部分水脱除并回流到高负压瓦斯阻火泄爆器28、低负压瓦斯阻火泄爆器4；来自瓦斯抑爆装置10的混配瓦斯经混配瓦斯阻火泄爆器11后大部分水分积聚于此，混配瓦斯再经过混配瓦斯干式阻火器12，进一步脱除混配瓦斯中的水分，并回流到混配瓦斯阻火泄爆器11，这些液态水从此溢流进入回流水封18；混配瓦斯经过滤脱水器15进一步脱除水分，并回流到回流水封18。汇集的液态水由回流水封18排出。混配瓦斯经内燃机调压阀17减压稳压后，由内燃机增压器19吸入并增压，之后经中冷器20冷却降温，进入内燃机进气总管21，析出的液态水进入浮子式疏水阀22后排出。

[0023] 优选的，上述的瓦斯抑爆装置10有二种方式，一种是湿法，即在混配瓦斯输送管道内喷细水雾，细水雾与瓦斯全程连续混合输送；二是干法，即在混配瓦斯管道内监测到火焰时喷二氧化碳；可从两方式中选用其中一种构成瓦斯抑爆系统。

[0024] 参照附图2，本发明提到的低负压瓦斯阻火泄爆器4和高负压瓦斯阻火泄爆器28的结构相同，分别由液位计4.1、下多孔板4.2、不锈钢丝绒阻火芯4.3、上多孔板4.4、进气弯管4.5、金属结构体4.6、泄爆片4.7、出气弯管4.8、自动补水开关4.9、补水阀4.10、放水阀4.11和水构成，金属结构体4.6内腔设有进气弯管4.5和出气弯管4.8，下侧设有不锈钢丝绒阻火芯4.3和上多孔板4.4，顶部设有泄爆片4.7，所述进气弯管4.5的内口穿过不锈钢丝绒阻火芯4.3和上多孔板4.4伸到金属结构体4.6内腔的水中，所述出气弯管4.8的入口端位于金属结构体4.6的上侧，顶部设有泄爆片4.7；抽采瓦斯从进气弯管4.5进入水内后再通过不锈钢丝绒阻火芯4.3进入金属结构体4.6内腔，从出气弯管4.8的上端进入出气弯管后流出干湿阻火泄爆器。

[0025] 下多孔板4.2和上多孔板4.4将不锈钢丝绒阻火芯约束在它们之间的空间内，压制瓦斯气流引起的水面波峰，防止瓦斯进气口与出气口直接连通，保证水封阻火功能，并且抽采瓦斯从此通过所带出的水大部分分离回流下去。瓦斯携带的水经过不锈钢丝绒阻火芯4.3时，还增强了不锈钢丝绒的“冷壁淬熄”阻火功能。自动补水开关4.9根据设定的水位自动补水，维持水面恒定，液位计4.1显示干湿复合阻火泄爆器内水位高度，冬季长期不使用时，内部的水由放水阀4.11排净，当瓦斯管道内出现爆炸事故时，爆炸的冲击波由出气弯管
4.8引导向上，冲开泄爆片4.7进行泄爆，保护干湿复合阻火泄爆器本体。

[0026] 参照附图3，本发明提到的引射混配器8由喷嘴8.1、负压室8.2、瓦斯混合段8.3、瓦斯扩散段8.4构成，以抽采瓦斯泵为动力，其中一路瓦斯进入喷嘴8.1，产生高速气流，在负压室8.2内形成负压，通过吸气嘴8.5抽吸另一路抽采瓦斯，两路抽采瓦斯在瓦斯混合段8.3内混配均匀，进入瓦斯扩散段8.4，混合后的抽采瓦斯压力得到一定的恢复，以此克服两路瓦斯相互干扰，造成瓦斯抽采泵“憋泵”现象。

[0027] 参照附图4，本发明提到的瓦斯抑爆装置10包括由雾化喷头10.1、A连接法兰座10.2、B连接法兰座10.3、过滤器10.4、阀门10.5、高压连接水管10.6、高压水输送总管10.7、混配瓦斯输送管道10.8构成，高压水输送总管10.7内的高压水依次经过高压连接水管
10.6、阀门10.5、过滤器10.4、B连接法兰座10.3、A连接法兰座10.2进入雾化喷头10.1成雾后，与混配瓦斯输送管道10.8内的瓦斯顺流混配。

[0028] 相比之前的水雾发生器，有两方面优点：一是成雾间距变短，瓦斯与水雾混合均匀性得到进一步保障，抑制火焰和熄灭火焰的可靠性更好。二是水雾发生器体积小、重量轻，安装和维护更方便。

[0029] 参照附图5，本发明提到的在线瓦斯放散器14由温度监测仪14.1、瓦斯限压管14.2、液位计14.3、放散器本体14.4、瓦斯旁通接管14.5、干式阻火器14.6、补水阀14.7、水
14.8、加热器14.9、放水阀14.10构成，所述放散器本体14.4的中部穿过瓦斯限压管14.2，且瓦斯限压管14.2为三通管，下侧伸入水14.8内，所述放散器本体14.4的顶部设有瓦斯旁通接管14.5和干式阻火器14.6；瓦斯由瓦斯限压管14.2进出，在瓦斯母管内形成的瓦斯正压，将瓦斯限压管内的部分的水14.8向下压入外围的放散器本体14.4内使其水面上升，内外水面高度差就是瓦斯母管内的瓦斯压力；当瓦斯压力超设定限值时，即瓦斯限压管14.2内的水面下移出最下端，一次混配瓦斯从此流出，通过水封进入放散器本体14.4内，再通过干式阻火器14.6外排大气，如抽采瓦斯富余，则进入瓦斯旁通接管14.5、通过干式阻火器14.6外排大气，以实现瓦斯输送管道系统压力维持在设定范围内。

[0030] 优选的，在放散器本体14.4上还设有补水阀14.7、放水阀14.10、温度监测仪14.1和加热器14.9，补水阀14.7和放水阀14.10用来调节保证水位，设定瓦斯输送管道系统压力；温度监测仪14.1和加热器14.9是保证冬季寒冷地区使用时，防止干湿复合放散器内部结冰。

[0031] 参照附图6，本发明提到的回流水封18由进水弯管18.1、瓦斯余气排出阀18.2、水封本体18.3、出水管18.4、水封用水18.5、排水阀18.6构成，所述的水封本体18.3的一侧设有出水管18.4，另一侧设有进水弯管18.1，内腔设有水封用水18.5，底部设有排水阀18.6，顶部设有瓦斯余气排出阀18.2，所述进水弯管18.1的内端向下伸入到水封用水18.5内。

[0032] 瓦斯输送管道系统游离出来的水分经过进水弯管18.1进入水封本体18.3，其中所含的瓦斯在水封本体18.3的上部逸出积聚，通过瓦斯余气排出阀18.2排出。不含瓦斯或少含瓦斯的水通过出水管18.4回流集水池过滤循环使用。不使用或维护回流水封时，通过排水阀放净其中的水封用水18.5。相比之前的瓦斯输送管道系统，能排出回水中所含瓦斯，防止产生“气堵”，使回水不畅，造成脱水系统积水严重，瓦斯携带较多水分进入发电机组降低发电功率等不利影响。

[0033] 本发明提到的一种煤矿高低负压抽采瓦斯混配输送发电方法，包括以下步骤：一、准备工作：给低负压瓦斯阻火泄爆器4、高负压瓦斯阻火泄爆器28和在线瓦斯放散器14加注水，达到设定液面高度；开启瓦斯抑爆装置10；
二、抽采瓦斯输送：首先将瓦斯分流调节阀13、C转换阀24、D转换阀25、和A转换阀6置全开状态，B转换阀7和D转换阀25置全闭状态；再全开高负压瓦斯输送阀30，逐渐关闭高负压瓦斯放散阀31；最后依次全开低负压瓦斯输送阀2、关闭低负压瓦斯放散阀1。当混配瓦斯浓度传感器9监测值小于内燃发电机组23最低要求，应适当部分开启低负压瓦斯放散阀1，直到混配瓦斯浓度达标；如低负压瓦斯浓度相对较高，高负压瓦斯浓度更高并有其它用途时，应通过调整A转换阀6、B转换阀7、C转换阀24、D转换阀25、E转换阀26的开关状态，改变高负压瓦斯和低负压瓦斯进入引射混配器8的入口，用低负压瓦斯引射高负压瓦斯；
三、混配瓦斯发电：启动内燃发电机组23，逐步关小瓦斯分流调节阀13的开度，并逐步提升发电功率；经过调整，将内燃发电机组23的功率提升至额定功率或要求的合适功率，始终维持混配瓦斯压力传感器16监测值不低于3kPa，并维持稳定在一定范围内；
四、瓦斯脱水净化：低负压抽采瓦斯经低负压瓦斯阻火泄爆器4带走的水经低负压瓦斯干式阻火器5后大部分脱除并回流到低负压瓦斯阻火泄爆器4；高负压抽采瓦斯经高负压瓦斯阻火泄爆器28带走的水经高负压瓦斯干式阻火器27后大部分回流到高负压瓦斯阻火泄爆器28；混配后的瓦斯经细水雾抑爆装置，凝结的水在混配瓦斯阻火泄爆器11集聚，混配瓦斯再经过混配瓦斯干式阻火器12脱除部分水分并回流到混配瓦斯阻火泄爆器11，混配瓦斯阻火泄爆器11的液位达到一定高度后溢流进入回流水封18再回流到雾化水池循环利用。混配瓦斯继续流动通过过滤脱水器15，过滤混配瓦斯中的颗粒物，并脱除部分水，一并回流到回流水封18；混配瓦斯由内燃机增压器19吸入增压，并经中冷器20冷却，在内燃机进气总管
21析出液态水，这些水通过浮子式疏水阀22排出；
五、瓦斯输送压力控制：设定的低负压瓦斯压力传感器3和高负压瓦斯压力传感器29监测压力不高于15kPa，混配瓦斯压力传感器16监测压力不低于3kPa，在线瓦斯放散器14内设定的水封放散压力不高于6kPa，回流水封18内设定的水封放散压力不小于15kPa；正常运行时，各种阻火过滤设备阻力逐渐增大，当低负压瓦斯压力传感器3、高负压瓦斯压力传感器
29接近设定上限值、混配瓦斯压力传感器16仍低于3kPa时，应清理各阻火过滤设备的芯子，内燃发电机组23突然停机，混配瓦斯通过在线瓦斯放散器14内水封自动放散排空，避免抽采瓦斯泵“憋泵”；
六、输送管道阻火泄爆：如内燃发电机组23回火引起瓦斯输送管道内爆燃，首先由混配瓦斯干式阻火器12阻止火焰回传，并在混配瓦斯阻火泄爆器11内导流泄爆；混配瓦斯干式阻火器12没有完全熄灭火焰，则在混配瓦斯阻火泄爆器11继续阻火；如此时还没完全阻火，则由抑爆装置10继续抑制火焰，并分别由低负压瓦斯干式阻火器5、低负压瓦斯阻火泄爆器
4和高负压瓦斯干式阻火器27、高负压瓦斯阻火泄爆器28继续阻火泄爆，保护高低负压抽采瓦斯泵安全；如火焰发生在输送管道的抑爆装置段，则由瓦斯抑爆装置10、低负压瓦斯干式阻火器5、低负压瓦斯阻火泄爆器4和高负压瓦斯干式阻火器27、高负压瓦斯阻火泄爆器28保护高低负压抽采瓦斯泵安全。

[0034] 以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。