太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）
1.2 国内外研究现状
1.2.1 煤层气开发利用的现状
目前,美国、加拿大、德国和法国等国家的煤层气产业发展迅速,各国的煤层气资源条件、政策等有所差别,其发展状况也有所不同。
美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位,是世界上率先取得煤层气商业化开发最成功的国家。20世纪初美国就开始在井下开采煤层气,从70年代末至80年代初,美国通过采煤前预抽和采空区井抽放回收煤层气，并开始进行地面开采煤层气试验， 1997年其产量达320亿立方米，基本形成产业化规模。2004年美国煤层气年产量达500亿立方米，成为重要的能源。美国的煤层气主要采用地面井的办法开采，浓度较高，因此主要输入天然气管道，与天然气联合使用。在矿井煤层气的使用方面，美国的西北燃料公司在俄亥俄州的Nelms矿的1号井建立煤层气发电设备，利用中等质量的煤层气发电，装机容量为9×675kW，每天可消耗煤层气6370m3。
加拿大煤层气开发比较晚，但多年来其政府一直支持煤层气的发展，一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点，开展了一系列技术研究工作，例如在多分支水平羽状井、连续油管压裂等技术方面取得了进展，降低了煤层气开采成本，煤层气的发展进入了一个新阶段。2004年，加拿大煤层气生产井已达2900多口，年产量达到15.5亿立方米。
德国近些年来，在一系列政策法规的推动下，煤层气开发及相关设备的研制均取得了很大进展。20世纪末，德国对煤层气的利用还大多局限于在煤矿现场使用，如在锅炉中将煤层气和煤混合燃烧，用来取暖和发电。2000年4月生效的《可再生能源法》对德国的煤层气开发是个里程碑。2000年10月，德国政府出台了“国家气候保护计划”，制定了到2005年二氧化碳排放比1990年减少25%的目标。在国家政策法规的推动下，地方也积极行动起来。2001年9月，北莱茵-威斯特法伦州政府决定，实施“北莱茵-威斯特法伦州气候保护行动”，计划通过制造和运营总共大约70兆千万瓦发电能力的供电-供热耦合机组BHKW设备，加大对当地矿区煤层气的利用。
以法国为代表，对于煤矿企业而言，抽取煤层气发电在技术上并非难事，关键在资金，或者说融资方式。早在二三十年前，欧洲国家煤炭企业就已开始抽取煤层气。抽取煤层气发电在技术上没有任何难度，只需气体抽取系统和天然气发电设备就可以。这种做法过去没能在世界各地普及的一大原因是它需要较大的投入。随着抽取煤层气的环保意义不断提升，人们想出了普及这种做法的融资方式。正是在这种运作方式下，煤矿企业获得了资金，可以继续推广抽取煤层气的做法，不但发了电，还解决了安全问题和减少温室气体排放问题，因此它对煤矿企业是很有益的。
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俄罗斯最大的煤田—库兹巴斯煤田每年排出的煤层气中有1亿到2亿立方米是通过抽气管道排出矿井的，这部分煤层气便于回收。库兹巴斯煤田范围内的别洛沃煤矿是俄罗斯煤层气含量最高的煤矿，煤层气排放量高达每分钟50-70m3。目前该煤矿每分钟可以压缩5-6m3从矿井中抽出的煤层气，并利用其发电。
澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气，主要在昆士兰的鲍恩盆地。但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。
我国煤层气资源非常的丰富，根据中国煤田地质总局(1998)的煤层气资源评价结果，全国煤层甲烷含量大于4m3∕t、埋藏深度2000m以浅的煤层气资源总量为
143369.44x108m3，其中含气量大于8m3∕t的富甲烷煤层的煤层气资源量占86.8％，埋深1500m以浅的煤层气资源量占64.56％，含气量较高且埋深浅，对煤层气的开发利用相当有利。
在矿井煤层气抽放方面，出于安全因素考虑，我国从50年代开始即抽放煤层气，至90年代以后有了较大发展。1992年矿井煤层气抽放量为5.34亿m3，至2002年及增长至11.46亿m3。随着煤层气应用技术的发展，开展煤层气抽放的矿井将会越来越多，煤层气抽放量也会进一步增加。煤层气可以分为以下几种：未开采煤矿地区的煤层气被称为VCBM，其甲烷浓度高达90％以上，可以通过由地面向煤层钻孔，直接从原生煤层中采得，输入天然气管道使用。由于煤矿的开采而释放出的煤层气称为CMM，即矿井煤层气，由于采用井下抽放，受到抽取的影响，甲烷浓度一般在20％-40％。在煤矿开采过程中，为了保证安全生产而使用通风系统排出的煤层气，其甲烷浓度小于1％，被成为VAM，即矿井乏风。对于已经关闭的煤矿，仍能释放出甲烷气体，被称为AMM，其甲烷浓度在20％左右。目前，世界各国主要利用矿井抽取的煤层气和地面开采的煤层气来发电。
我国煤层气勘探开发尚处于起步阶段，截止2004年底我国煤层气可采储量470亿立方米，全国已正式登记煤层气区块56个，面积6577万平方公里，共施工地面煤层气井287口，试验井组6个;全国共有133个矿井采用井下抽放技术抽取煤层气，年抽放量达15亿立方米，已建成煤层气利用工程60多个。我国煤层气开发利用主要集中在山西、辽宁、内蒙古、安徽、云南、河南和贵州等省(区)。在地面钻井回收煤层气方面，我国自20世纪70年代开始在抚顺和焦作等矿区进行地面煤层气预抽试验，并从90年代初开始引进国外煤层气开发技术，目前已进入全面勘探开发阶段，煤层气的井下抽放始于50年代，目前山西阳泉、安徽淮南、辽宁抚顺等高煤层气矿区抽放煤层气量均超过1亿立方米/年。我国煤层气利用始于20世纪70年代末。1982年，国家将矿井煤层气利用工程正式纳入国家节能基本建设投资计划。到目前为止，已建成煤层气利用工程60多个。2000年，煤层气利用量5亿立方米左右。晋城无烟煤集团公司是最早利用煤层气发电的企业之一，其投入运营的煤层气电站总装机容量已达5840kW，目前该公司正计划建一座120MW的煤
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层气电厂。目前，我国煤层气产量主要来自井下抽放系统，地面井回收的煤层气尚未形成规模。井下抽放系统回收的煤层气主要用作民用燃料和工业锅炉燃料，少量用于发电和生产化工产品。我国有3个矿区已建立了煤层气发电项目，另有3个矿区用煤层气生产炭黑产品，而用煤层气作民用燃料的矿区已超过20个[6]。
1.2.2 煤层气发电的研究现状
煤层气发电是其利用的直接途径，可利用发电，制冷、制热三联供技术，最大限度地提高资源利用率。由于煤层气主要成分为甲烷，燃烧后产生水蒸汽和温室气体二氧化碳，其二氧化碳排放量大为减少被核实后，将由专门的国际基金收购。在这种运作方式使煤矿企业不但发了电，还解决了安全问题和减少温气体排放问题。
（1）国内煤层气发电研究现状
目前煤层气发电最主要应用的是内燃机、燃气轮机和发电站的混燃锅炉2005年底淮南集团10座煤层气发电站装机总规模将达到24 232 kW。与德国鲁尔集团合作利用煤层气发电机组排出的高温尾气制冷，解决井下工作面降温并改善工作环境。项目计划在2006年投入使用，先期2台×1360 kW的发电机组12月份发电运行。
目前我国煤层气抽放的主要目的是保证煤矿的安全生产，主要使用井下抽放技术，开采技术落后，得到的煤层气浓度约为30％-60％，浓度不高且随着开采环境的变化而发生波动。用于发电效率较低．我国虽然井下煤层气抽放量较大，但抽放率较低，在108个进行煤层气抽放的重点煤矿中，平均抽放率仅为24％，且抽放出来的煤层气大部分都排入大气，造成了很大的浪费．若能采用地面钻井技术从未开采煤层中开采煤层气，可得到高浓度的煤层气，即避免了资源的浪费和环境的污染，高浓度的煤层气也便于利用。我国对此技术的利用正处于试验阶段，据统计全国共有试验井组12个，主要分布在华北地区。其中产量最高的井组为山西沁水盆地的高阶煤试验井组，日产量可达6000m3以上，但其他大部分井组都由于产量过小而关停。
（2）国外煤层气发电研究现状
现在，在美国只有少量的CMM发电项目，主要原因是美国相对较低的电力成本。美国的煤层气主要采用地面井的办法开采，浓度较高，因此主要输入天然气管道，与天然气联合使用。在矿井煤层气的使用方面，美国的西北燃料公司在俄亥俄州的Nelms矿的1号井建立煤层气发电设备，利用中等质量的煤层气发电，装机容量为9×675kW，每天可消耗煤层气6370m3。
澳大利亚拥有目前世界规模最大的煤层气发电项目，装机容量为94MW，采用Caterpillar公司生产的G3516型IMW内燃机组发电，94台发电机组中有54台位于Appin矿，另外40台位于Tower矿。发电所用的煤层气甲烷浓度为50％-80％，二氧化碳浓度为0.5％。燃烧所需的空气由浓度为0.5％-1.0％的矿井乏风提供，每天可回收矿井乏风
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37000m3。在煤层气供应不足时采用天然气作为补充燃料。热效率可达30％-35％。
位于波兰上西里西死盆地的Wesola煤矿，利用中等质量的煤层气发电。煤层气中甲烷含量为60％，空气含量40％。燃烧所需的空气是由矿井乏风提供，其中甲烷含量在 0.2％，每秒可提供甲烷0.025m3．每天提供甲烷2160m3，相当于给燃气轮机供应了2％的燃料。采用ABB的GT-5型燃气轮机，输出功率达2.7MW，额定工况下效率为27.4％，若配套余热锅炉回收捧气中的能量，总功率可达3.96MW．Zofiowka煤矿采用煤与煤层气联合燃烧的方法发电，装机容量达64MW+320MW。装置所需能量的10％由煤层气提供，在1994年前半年，消耗浓度为46.5％的煤层气2080万m3。
俄罗斯的煤层气主要用于供应燃煤锅炉作为燃料，在库兹巴斯地区有2000多套煤锅炉，其中的15％已经改为燃煤和煤层气的混合燃烧锅炉，每年可减少67.5万t的甲烷、378万t的二氧化碳、2.88万t的二氧化硫、0.14万t的NOx，和12.3万t飞灰的排放．
英国是较早开发矿井煤层气发电技术并较大规模应用的国家．规模最大的是Harworth煤矿发电厂，装机容量为15MW，采用联合循环发电系统，包括两台拉斯TB5000燃气轮机和一台由余热锅炉蒸汽驱动的7MW蒸汽轮机。近年来，英国的一些公司如Alkane energy，Octagon Energy以及StateGas，都积极地寻求从报废矿井开发煤层气的方法。Octagon Energy在南约可郡安装了一台5MW的发电机，用的是从废矿以浅的工作面排放的甲烷。Alkane energy公司正在开发一系列的绿色能源区，主要是从废弃矿井工作面抽取煤层气，该公司有5个能源区开始运行，其中，Shirebrook区供应一座9MW井口发电站，Steetley区供应一座6MW的发电站；Wheldale区供应一座10MW的发电站。
现在德国大力兴建利用报废煤矿排出的气体发电的电厂。法国煤矿公司回收煤层气，将其用于发电。由该项目产生的温室气体减排量被核实后，由专门的国际基金收购。
1.3 监控组态软件
随着工业控制系统由集中型控制系统发展到计算机技术的引入，到目前分散型工业控制系统的大规模应用与发展，市场上对工业控制系统的应用规模日益扩大，要求也日渐多样化。现代工业监控系统不仅要能实时采集现场数据，直接对生产设备进行现场控制，而且还要在远离现场的中央控制室逼真地反映工业现场的真实运行状态，对系统的各种状态进行检测和进行相应的控制操作。
人们对工业自动化的要求越来越高，使得工业控制软件在工业控制领域中变得日益重要。然而种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得软件编程量大、开发周期长、开发成本高的传统工业控制软件己经无法满足用户的各种需求。在这种背景之下，工业监控组态软件作为一种崭新的工业控制软件孕育而生，并以其灵活的组态工具、开放式的结构、良好的人机交互界面、高度的可靠性广泛地应用于现代工业监控系统之中。
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在一个自动化监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备(如PLC、智能仪表、DCS等洪同构成快速响应／控制中心。控制方案和算法一般在设备上组态并执行，也可以在PC上组态，然后下装到设备中执行，根据设备的具体要求而定，如图1.1所示。
MIS工作站 Laptop 办公网络 Laptop Laptop Laptop 监控组态软件
监控组态软件 操作站 Computer 中控室 二次仪表 PLC或DCS 过程信工业现场 号输出 过程信号输入 过程信号输入 过程信号输出 图1.1 监控组态软件在监控系统中的位置
监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成下面6项任务。 (1)查看生产现场的实时数据及流程画面； (2)自动打印各种实时／历史生产报表；
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