本发明公开了一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统与方法，其通过对煤层气的浓度进行监测，决定是否值得回收利用。若不是，排空，若是，对其进行提纯，提纯后的气体输入到天然气输气管，供居民使用，或者压缩/液化，作为清洁汽车燃料。对于浓度高于10％的煤层气，通过控制提纯参数，使得提纯后的废气中煤层气浓度在5％-10％之间，作为燃气内燃机的原料进行发电，为气体提纯与压缩/液化提供动力，发电的尾气则为气体提纯提供热量；而对于浓度低于5％的气体，则通过调整提纯参数，使得提纯率达到最高，提纯后的气体首先进行发电，剩余气体进行压缩/液化，废气则排空。本发明实现了对低浓度煤层气高效的综合利用，以及节能减排。
1.一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，该方法基于一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，包括工控机、三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第一煤层气在线检测系统、第二煤层气在线检测系统，煤层气压缩/液化系统、压缩/液化气罐、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统；其中，低浓度煤层气指的是可燃气体浓度低于60％的煤层气，三通电磁阀上设有煤层气入口、煤层气出口以及用于煤层气燃烧排空的出口，三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口，第一增压泵的出口连接第一煤层气提纯系统的入口，第一煤层气提纯系统的出口分为两路，分别与第一煤层气在线检测系统和第二煤层气在线检测系统的入口相连，第一煤层气在线检测系统的出口连接燃气内燃机发电系统的入口，第二煤层气在线检测系统的出口分为两路，一路与煤层气压缩/液化系统的第一入口相连，一路与第一流量控制器的入口相连，煤层气压缩/液化系统的出口连接压缩/液化气罐的入口，第一流量控制器的出口连接稳压泵的煤层气入口；
第二增压泵上设有空气入口，第二增压泵的出口连接第二流量控制器的入口，第二流量控制器的出口连接稳压泵的空气入口，稳压泵的出口连接燃气内燃机发电系统的入口，燃气内燃机发电系统的废气余热用于为第一煤层气提纯系统提供热能；且内燃机发电系统与变电系统相连，变电系统与电能质量监测系统相连；
工控机用于对三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统进行控制；第一煤层气在线检测系统及第二煤层气在线检测系统用于在线监测煤层气的组分及其浓度；
1)煤层气流经三通电磁阀后经第一增压泵增压，再经第一煤层气提纯系统，形成可燃气体浓度为60％-95％的高浓度无尘煤层气和可燃气体浓度为5％-10％的废气，其中，废气通过第一煤层气在线检测系统后进入燃气内燃机发电系统，高浓度无尘煤层气进入第二煤层气在线检测系统分为两路，一路通过煤层气压缩/液化系统后进入压缩/液化气罐，另一路通过第一流量控制器后进入稳压泵；
2)空气经第二增压泵增压后，通过第二流量控制器进入稳压泵；
3)工控机分别对步骤1)和步骤2)中的三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器和稳压泵进行控制，使得高浓度无尘煤层气和空气在稳压泵中混合后，输出稳压可燃气；
4)稳压可燃气进入燃气内燃机发电系统进行发电，并经变电系统变压后进入电能质量监测系统，电能质量监测系统输出常规可用电能，同时，燃气内燃机发电系统用于为第一煤层气提纯系统和煤层气压缩/液化系统提供动力，燃气内燃机发电系统产生的废气余热为第一煤层气提纯系统提供热能，其中，工控机分别对内燃机发电系统、变电系统和电能质量监测系统进行控制。
2.如权利要求1所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，若压缩/液化气罐中的煤层气是液态，则液位警戒线不超过压缩/液化气罐深度的80％，若压缩/液化气罐中煤层气是气态，则压力警戒线不超过压缩/液化气罐压力容许值的80％，当压缩/液化气罐中的液化煤层气液位或压力超过警戒线设定值时，通过通信系统告知系统管理员以及监控中心，若提示已满，则通过三通电磁阀切断系统的供气，并将煤层气燃烧排空。
3.如权利要求2所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，提示压缩/液化气罐已满是指压缩/液化气罐中液位高于某一个用户设定的阈值，该阈值为压缩/液化气罐深度的80％-95％，或者是压缩/液化气罐内气压高于用户设定的某个压力阈值，该压力阈值在压缩/液化气罐压力容许值的85％-90％。
4.如权利要求1所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，该系统还包括流量测量仪和浓度测量仪，其分别设置在三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口的管道上，用于在线监测煤层气的流量和浓度，且流量测量仪及浓度测量仪的信号输出端与工控机相连。
5.一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，其特征在于：包括工控机、三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统、第一煤层气在线检测系统、第二煤层气在线检测系统，煤层气压缩/液化系统、压缩/液化气罐、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统；其中，低浓度煤层气指的是可燃气体浓度低于60％的煤层气，三通电磁阀上设有煤层气入口、煤层气出口以及用于煤层气燃烧排空的出口，三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口，第一增压泵的出口连接第一煤层气提纯系统的入口，第一煤层气提纯系统的出口分为两路，分别与第一煤层气在线检测系统和第二煤层气提纯系统的入口相连，第一煤层气在线检测系统设有废气排空出口，第二煤层气在线检测系统设置在第一煤层气提纯系统的出口与第二煤层气提纯系统的入口相连的管路上，第二煤层气提纯系统的出口分为三路，一路与燃气内燃机发电系统的入口相连，一路与煤层气压缩/液化系统的第一入口相连，一路与第一流量控制器的入口相连，煤层气压缩/液化系统的出口连接压缩/液化气罐的入口，第一流量控制器的出口连接稳压泵的煤层气入口；
第二增压泵上设有空气入口，第二增压泵的出口连接第二流量控制器的入口，第二流量控制器的出口连接稳压泵的空气入口，稳压泵的出口连接燃气内燃机发电系统的入口，燃气内燃机发电系统的废气余热用于为第一煤层气提纯系统和第二煤层气提纯系统提供热能；且内燃机发电系统与变电系统相连，变电系统与电能质量监测系统相连；
工控机用于对三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统进行控制；第一煤层气在线检测系统及第二煤层气在线检测系统用于在线监测煤层气的组分及其浓度。
6.根据权利要求5所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，其特征在于：还包括流量测量仪和浓度测量仪，其分别设置在三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口的管道上，用于在线监测煤层气的流量和浓度，且流量测量仪及浓度测量仪的信号输出端与工控机相连。
7.一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，该方法基于权利要求6或7所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，包括以下步骤：
1)煤层气流经三通电磁阀后经第一增压泵增压，再经第一煤层气提纯系统，形成无尘煤层气和可燃气体浓度小于0.1％的一级提纯废气，其中，一级提纯废气通过第一煤层气在线检测系统后排空，无尘煤层气通过第二煤层气提纯系统后形成可燃气体浓度为60％-
95％的高浓度无尘煤层气和可燃气体浓度为5％-10％的二级提纯废气，二级提纯废气进入燃气内燃机发电系统，高浓度无尘煤层气分为两路，一路通过煤层气压缩/液化系统后进入压缩/液化气罐，另一路通过第一流量控制器后进入稳压泵；
2)空气经第二增压泵增压后，通过第二流量控制器进入稳压泵；
3)工控机分别对步骤1)和步骤2)中的三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器和稳压泵进行控制，使得高浓度无尘煤层气和空气在稳压泵中混合后，输出稳压可燃气；
4)稳压可燃气进入燃气内燃机发电系统进行发电，并经变电系统变压后进入电能质量监测系统，电能质量监测系统输出常规可用电能，同时，燃气内燃机发电系统用于为第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统和煤层气压缩/液化系统提供动力，燃气内燃机发电系统产生的废气余热为第一煤层气提纯系统和第二煤层气提纯系统提供热能，其中，工控机分别对内燃机发电系统、变电系统和电能质量监测系统进行控制。
8.如权利要求7所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，若压缩/液化气罐中的煤层气是液态，则液位警戒线不超过压缩/液化气罐深度的80％，若压缩/液化气罐中煤层气是气态，则压力警戒线不超过压缩/液化气罐压力容许值的80％，当压缩/液化气罐中的液化煤层气液位或压力超过警戒线设定值时，通过通信系统告知系统管理员以及监控中心，若提示已满，则通过三通电磁阀切断系统的供气，并将煤层气燃烧排空。
9.如权利要求8所述的一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，其特征在于，提示压缩/液化气罐已满是指压缩/液化气罐中液位高于某一个用户设定的阈值，该阈值为压缩/液化气罐深度的80％-95％，或者是压缩/液化气罐内气压高于用户设定的某个压力阈值，该压力阈值在压缩/液化气罐压力容许值的85％-90％。
一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤层气再利用、石化、电力领域，特别涉及一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统与方法。【背景技术】
[0002] 煤层气的综合开采与利用有三个目的，首先是为了保证煤炭开采的安全，因为矿井中的煤层气是矿井安全的最大威胁；其次是环境保护，因为煤层气的主要成分是甲烷，甲烷的温室效应是二氧化碳的20余倍；第三是能源利用，因为煤层气中烃类气体蕴藏着大量能量。目前，煤层气的开采有两种，一种是在煤的开采之前在每层上方打孔抽气，这种煤层气浓度在90％以上的，这种高浓度煤层气目前已得到开发，大多通过天然气管道输送给居民使用，或者发电使用；第二种方法是从煤矿的采空区钻孔抽气，这种煤层气浓度变化范围大，刚开始抽取时，其气体浓度能达30％以上，但随着抽取时间的推移，其浓度逐步下降，甚至在5％以下。第二种方法抽取的煤层气中，30％浓度以上的煤层气主要用于发电，且已得到良好的开发利用；而5％-30％范围内的煤层气则部分用于发电，相当一部由于有爆炸的危险，利用情况不太乐观；5％以下的气体的煤层气因为浓度较高，却又不能直接燃烧发电，只能作为助燃气体，有的煤矿甚至直接排空，造成严重空气污染，若能提纯，这部分气体具有较大的利用空间。从煤矿排出的第三种煤层气是通风排放出来的1％左右，甚至更低的超低浓度煤层气，这种气基本直接排空，或者作为助燃气体，或者对其进行高温加热，通过低浓度瓦斯在高温下的氧化进行余热的综合利用。实质上，对于30％以上的煤层气，采发电并非是一种高效的利用方式，一方面，一次性投入很大，由于气量无法保证恒定，大多数情况下，装机容量无法得到充分运行；另一方面，气体发电本身的利用价值不如将其用作汽车燃料，或者居民用气。因此，若能将其提纯，作为汽车燃料，或者居民用气，其利用价值更高。而对于超低浓度的煤层气，由于这种方式排出的煤层气达到煤炭矿井中排出的煤层气的80％，直接排空，其环境污染依然十分严重；采用高温分解法利用法，一次性投入很大，这在我国存在的很多中、小煤矿难于实现；作为助燃气体，则对于边缘煤矿难于实现。
[0003] 目前，煤层气的提纯主要有深冷法、膜分离法和变压吸附法。深冷法能量消耗较大，一般只用于需要对每种组分气体进行分离，且规模较大的场合，在煤层气的综合利用中采用较少；膜分离法研究较多，但目前由于选择性差、速度慢、维护费用高，没有得到成熟的应用；变压法利用活性炭等材料对气体的强吸附性，以及低压高温时的低吸附性对煤层气进行提纯，这种方法是目前主要采用的方法，但由于加热过程中容易引发爆炸等安全问题，而且其提纯率也不够高，一般只能从20％提高到30％左右，若要提高更多，则需要通过多次提纯。此外，这种方法还需要专门的过滤装置来过滤煤层气中的尘埃，除氮、除氧还需要分两步来进行，因此，效率相对较低，成本依然比较高。【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供了一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统与方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，包括工控机、三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第一煤层气在线检测系统、第二煤层气在线检测系统，煤层气压缩/液化系统、压缩/液化气罐、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统；其中，低浓度煤层气指的是可燃气体浓度低于60％的煤层气，三通电磁阀上设有煤层气入口、煤层气出口以及用于煤层气燃烧排空的出口，三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口，第一增压泵的出口连接第一煤层气提纯系统的入口，第一煤层气提纯系统的出口分为两路，分别与第一煤层气在线检测系统和第二煤层气在线检测系统的入口相连，第一煤层气在线检测系统的出口连接燃气内燃机发电系统的入口，第二煤层气在线检测系统的出口分为两路，一路与煤层气压缩/液化系统的第一入口相连，一路与第一流量控制器的入口相连，煤层气压缩/液化系统的出口连接压缩/液化气罐的入口，第一流量控制器的出口连接稳压泵的煤层气入口；
[0007] 第二增压泵上设有空气入口，第二增压泵的出口连接第二流量控制器的入口，第二流量控制器的出口连接稳压泵的空气入口，稳压泵的出口连接燃气内燃机发电系统的入口，燃气内燃机发电系统的废气余热用于为第一煤层气提纯系统提供热能；且内燃机发电系统与变电系统相连，变电系统与电能质量监测系统相连；
[0008] 工控机用于对三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统进行控制；第一煤层气在线检测系统及第二煤层气在线检测系统用于在线监测煤层气的组分及其浓度。
[0009] 本发明进一步改进在于：还包括流量测量仪和浓度测量仪，其分别设置在三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口的管道上，用于在线监测煤层气的流量和浓度，且流量测量仪及浓度测量仪的信号输出端与工控机相连。
[0010] 一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，该方法基于上述一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，包括以下步骤：
[0011] 1)煤层气流经三通电磁阀后经第一增压泵增压，再经第一煤层气提纯系统，形成可燃气体浓度为60％-95％的高浓度无尘煤层气和可燃气体浓度为5％-10％的废气，其中，废气通过第一煤层气在线检测系统后进入燃气内燃机发电系统，高浓度无尘煤层气进入第二煤层气在线检测系统分为两路，一路通过煤层气压缩/液化系统后进入压缩/液化气罐，另一路通过第一流量控制器后进入稳压泵；
[0012] 2)空气经第二增压泵增压后，通过第二流量控制器进入稳压泵；
[0013] 3)工控机分别对步骤1)和步骤2)中的三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器和稳压泵进行控制，使得高浓度无尘煤层气和空气在稳压泵中混合后，输出稳压可燃气；
[0014] 4)稳压可燃气进入燃气内燃机发电系统进行发电，并经变电系统变压后进入电能质量监测系统，电能质量监测系统输出常规可用电能，同时，燃气内燃机发电系统用于为第一煤层气提纯系统和煤层气压缩/液化系统提供动力，燃气内燃机发电系统产生的废气余热为第一煤层气提纯系统提供热能，其中，工控机分别对内燃机发电系统、变电系统和电能质量监测系统进行控制。
[0015] 本发明进一步改进在于：若压缩/液化气罐中的煤层气是液态，则液位警戒线不超过压缩/液化气罐深度的80％，若压缩/液化气罐中煤层气是气态，则压力警戒线不超过压缩/液化气罐压力容许值的80％，当压缩/液化气罐中的液化煤层气液位或压力超过警戒线设定值时，通过通信系统告知系统管理员以及监控中心，若提示已满，则通过三通电磁阀切断系统的供气，并将煤层气燃烧排空。
[0016] 本发明进一步改进在于：提示压缩/液化气罐已满是指压缩/液化气罐中液位高于某一个用户设定的阈值，该阈值为压缩/液化气罐深度的80％-95％，或者是压缩/液化气罐内气压高于用户设定的某个压力阈值，该压力阈值在压缩/液化气罐压力容许值的85％-90％。
[0017] 一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，包括工控机、三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统、第一煤层气在线检测系统、第二煤层气在线检测系统，煤层气压缩/液化系统、压缩/液化气罐、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统；其中，低浓度煤层气指的是可燃气体浓度低于60％的煤层气，三通电磁阀上设有煤层气入口、煤层气出口以及用于煤层气燃烧排空的出口，三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口，第一增压泵的出口连接第一煤层气提纯系统的入口，第一煤层气提纯系统的出口分为两路，分别与第一煤层气在线检测系统和第二煤层气提纯系统的入口相连，第一煤层气在线检测系统设有废气排空出口，第二煤层气在线检测系统设置在第一煤层气提纯系统的出口与第二煤层气提纯系统的入口相连的管路上，第二煤层气提纯系统的出口分为三路，一路与燃气内燃机发电系统的入口相连，一路与煤层气压缩/液化系统的第一入口相连，一路与第一流量控制器的入口相连，煤层气压缩/液化系统的出口连接压缩/液化气罐的入口，第一流量控制器的出口连接稳压泵的煤层气入口；
[0018] 第二增压泵上设有空气入口，第二增压泵的出口连接第二流量控制器的入口，第二流量控制器的出口连接稳压泵的空气入口，稳压泵的出口连接燃气内燃机发电系统的入口，燃气内燃机发电系统的废气余热用于为第一煤层气提纯系统和第二煤层气提纯系统提供热能；且内燃机发电系统与变电系统相连，变电系统与电能质量监测系统相连；
[0019] 工控机用于对三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器、稳压泵、燃气内燃机发电系统、变电系统、电能质量监测系统和通信系统进行控制；第一煤层气在线检测系统及第二煤层气在线检测系统用于在线监测煤层气的组分及其浓度。
[0020] 本发明进一步改进在于：还包括流量测量仪和浓度测量仪，其分别设置在三通电磁阀的煤层气出口连接第一增压泵的入口的管道上，用于在线监测煤层气的流量和浓度，且流量测量仪及浓度测量仪的信号输出端与工控机相连。
[0021] 一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的方法，该方法基于上述一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统，包括以下步骤：
[0022] 1)煤层气流经三通电磁阀后经第一增压泵增压，再经第一煤层气提纯系统，形成无尘煤层气和可燃气体浓度小于0.1％的一级提纯废气，其中，一级提纯废气通过第一煤层气在线检测系统后排空，无尘煤层气通过第二煤层气提纯系统后形成可燃气体浓度为60％-95％的高浓度无尘煤层气和可燃气体浓度为5％-10％的二级提纯废气，二级提纯废气进入燃气内燃机发电系统，高浓度无尘煤层气分为两路，一路通过煤层气压缩/液化系统后进入压缩/液化气罐，另一路通过第一流量控制器后进入稳压泵；
[0023] 2)空气经第二增压泵增压后，通过第二流量控制器进入稳压泵；
[0024] 3)工控机分别对步骤1)和步骤2)中的三通电磁阀、第一增压泵、第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统、第二煤层气在线检测系统、第一流量控制器、第二增压泵、第二流量控制器和稳压泵进行控制，使得高浓度无尘煤层气和空气在稳压泵中混合后，输出稳压可燃气；
[0025] 4)稳压可燃气进入燃气内燃机发电系统进行发电，并经变电系统变压后进入电能质量监测系统，电能质量监测系统输出常规可用电能，同时，燃气内燃机发电系统用于为第一煤层气提纯系统、第二煤层气提纯系统和煤层气压缩/液化系统提供动力，燃气内燃机发电系统产生的废气余热为第一煤层气提纯系统和第二煤层气提纯系统提供热能，其中，工控机分别对内燃机发电系统、变电系统和电能质量监测系统进行控制。
[0026] 本发明进一步改进在于：若压缩/液化气罐中的煤层气是液态，则液位警戒线不超过压缩/液化气罐深度的80％，若压缩/液化气罐中煤层气是气态，则压力警戒线不超过压缩/液化气罐压力容许值的80％，当压缩/液化气罐中的液化煤层气液位或压力超过警戒线设定值时，通过通信系统告知系统管理员以及监控中心，若提示已满，则通过三通电磁阀切断系统的供气，并将煤层气燃烧排空。
[0027] 本发明进一步改进在于：提示压缩/液化气罐已满是指压缩/液化气罐中液位高于某一个用户设定的阈值，该阈值为压缩/液化气罐深度的80％-95％，或者是压缩/液化气罐内气压高于用户设定的某个压力阈值，该压力阈值在压缩/液化气罐压力容许值的85％-90％。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
[0029] 本发明首先对煤层气的浓度进行监测，若浓度过低，没有价值，则停机，将煤层气直接排空，若浓度值表明其值得开发利用，则利用矿物质油，或植物油，或地沟油对烃类气体的高溶解度，以及不同气压与温度情况下的溶解度差异性，实现煤层气的变压与变温提纯与过滤，或者采用布袋法与变压吸附法对煤层气进行除尘与提纯。将提纯后的气体输入到天然气输气管，或者局域专用管道，供居民使用，或者对提纯后的气体进行压缩/液化，作为汽车清洁燃料。对于浓度高于10％的煤层气，通过控制提纯参数，使得提纯后的废气中煤层气浓度在5％-10％之间，作为燃气内燃机的原料进行发电，为气体提纯与压缩液化提供动力，内燃机的尾气及冷却水则为气体提纯提供热量，提纯后的气体压缩/液化，供居民使用，或用作清洁汽车燃料。如果一次提纯后，浓度不够，则进行二次提纯，直到提纯后的气体浓度满足要求为止。如果提纯后的废气量不足以满足燃气内燃气需要，则通过流量控制器将部分提纯后的气体供给内燃机用；而对于浓度低于5％的超低浓度气体，若低于0.1％，则直接排空，不进行提纯，若高于0.1％，则通过调整提纯参数，使得提纯率达到最高，废气直接排空，提纯后的气体进行二次提纯，二次提纯的废气用于发电，提纯后的气体进行压缩/液化。若二次提纯后的气体浓度仍然低于10％，且气量足，则二次提纯的提纯率调制最高，废气依然直接排空，提纯后的气体进行三次提纯，三次提纯后的气体，若无法满足要求，则进行第四次提纯，直到提纯后的气体浓度满足要求为止，若提纯后的废气量不足以满足燃气内燃气需要，则通过流量控制器将部分提纯后的气体供给内燃机用。
[0030] 综上所述，本发明把低浓度煤层气转换成便于使用、便于传输的电能，以及压缩气或液化气，供居民使用，或用作汽车燃料，最终实现高效的中、低浓度煤层气综合利用，以及节能减排。【附图说明】
[0031] 图1(a)是10％以上煤层气提纯、发电与压缩液化系统结构图；
[0032] 图1(b)是10％以下煤层气提纯、发电与压缩液化系统结构图；
[0033] 图2(a)是煤层气利用油溶剂的变压变温提纯装置结构图；
[0034] 图2(b)是煤层气利用布袋法、变压吸附法进行提纯的装置结构图；
[0035] 图3(a)煤层气提纯与压缩的主程序框图；
[0036] 图3(b)10％浓度以上煤层气的提纯控制流程图；
[0037] 图3(c)10％浓度以下0.1％浓度以上煤层气的提纯流程图。【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0039] 本发明利用矿物质油，或植物油，或地沟油对烃类气体的高溶解度，以及不同气压与温度情况下的溶解度差异性，实现煤层气中瓦斯的提纯与过滤，或者采用布袋法和变压吸附法对煤层气进行除尘与提纯，对提纯后的气体进行压缩/液化，作为清洁汽车燃料，或者将提纯后的气体输入到天然气输气管，供居民使用，或者输入局域管道，供当地居民使用，或者直接供内燃机使用为系统提供动力，对于浓度高于10％的煤层气，通过控制提纯参数，使得提纯后的废气中煤层气浓度在5％-10％之间，作为燃气内燃机的原料进行发电，为气体提纯与压缩液化提供动力，发电的尾气余热、发动机缸套冷却水余热、以及气体压缩散出的热则为气体提纯提供热量；而对于浓度低于5％的气体，则通过调整提纯参数，使得提纯率达到最高，提纯后的气体进行二次提纯，废气则排空，二次提纯过程中的废气进行发电，提纯后的气体进行压缩/液化。
[0040] 其中，煤层气采用矿物质油，或植物油，或地沟油进行提纯时，是利用矿物质油或植物油在低温、高压情况下对烃类气体溶解度高，而在低压、高温情况下，溶解度降低的特性进行过滤与提纯的。煤层气进行单次提纯时，可以采用矿物质油，或植物油，或地沟油进行除尘与提纯，也可以采用布袋法和变压吸附法进行除尘与提纯；若进行多次提纯，可以只采用矿物质油，或植物油，或地沟油进行多次除尘与提纯，也可以只采用布袋法和变压吸附法进行除尘与提纯，还可以采用两种方法进行混合除尘与提纯。
[0041] 燃气内燃机是用10％浓度以上煤层气提纯后的废气，或10％浓度以下煤层气提纯后的煤层气作为原料进行发电的，气体提纯装置所需动力来源于燃气内燃机，所需热量来源于燃气内燃气的尾气余热、发动机缸套冷却水余热、以及气体压缩/液化散出的热，气体的压缩/液化装置所需动力也是来源于燃气内燃机的。
[0042] 提纯前和提纯后的煤层气均采用甲烷传感器进行监测，对于初始浓度高于10％的煤层气，通过控制提纯参数，使得提纯后的废气中煤层气浓度在5％-10％之间，作为燃气内燃机的原料进行发电，为气体提纯与压缩液化提供动力，发电的尾气则为气体提纯提供热量，提纯后的煤层气则通过根据其浓度和提纯要求决定是否需要进行二次提纯；而对于浓度低于5％的气体，则通过调整提纯参数，使得提纯率达到最高，废气排空，其中的煤层气浓度在0.1％以下，提纯后的气体进行二次提纯，若二次提纯依然达不到10％以上，则按照第一次提纯的方式设置参数，并进行三次提纯，以此类推，直到提纯后的气体浓度达到10％以上，然后按10％浓度以上的煤层气进行提纯。
[0043] 系统出现异常是指空气中的煤层气浓度上升过快，浓度过高，这表明有煤层气泄露；压缩煤层气气罐的气压，液位煤层气的液位已达到用户设定的警戒线，液化气罐即将充满；煤层气气罐温度过高；发电机组温度过高，有异常，需要检修，报警是指系统在显示屏上显示上述异常的标示信号，发出提示声音，并向系统管理员发送报警信息短信，如果是有煤层气泄露，或者燃气内燃机发电机组温度过高，则通过三通电磁阀关闭煤层气发电与压缩/液化回收系统的供气，并将煤层气燃烧排空。
[0044] 其中，压缩气气罐内的压力警戒线、液化煤层气罐中的液位警戒线可由用户设定，但压力警戒线不能超过气罐容限的80％，液位警戒线不能超过气罐深度的80％，压力达到警戒线，或液位只是达到警戒线，但还未充满，此时只短信告知系统管理员，以及监控中心，系统继续运行；压缩煤层气气罐已满，表示罐内的压力达到容许值得85％-90％，该值由用户设定，如果液化煤层气罐中的液位测试结果提示气罐已满，其阈值可由用户设定在气罐深度的80％到95％范围内；煤层气发电系统温度过高是指其温度高于某个阈值，该阈值一般不超过所采用的发电机组正常温度的15％；压缩煤层气罐的温度过高，是指该温度高于45℃；系统环境大气中的瓦斯浓度过高，是指大气中瓦斯浓度高于某阈值，该阈值可由用户确定，但体积百分比浓度不超过4.5％；瓦斯浓度上升速度的判定阈值也可由用户设定，但体积百分比浓度上升速度不能低于0.1％/分钟，不能高于1％/分钟。
[0045] 提纯参数是指提调节煤层气提纯装置中气体溶解缸中油的液位与脱气缸中油的液位，以及脱气缸中的气压来实现的，需要提高提纯率，则通过增大油泵的功率，将煤层气提纯装置中脱气缸中的一部分油抽入溶解缸中，提升溶解缸中液位，降低脱气缸中液位，并通过增大真空泵的功率，降低脱气缸中的气压，反之，减小油泵的功率，降低溶解缸中液位，增高脱气缸中液位，降低真空泵功率，增高脱气缸中的气压。若要求提纯后气体浓度注入通用天然气管道，或压缩/液化，则需要进行多级提纯，直到煤层气浓度达到90％以上的；若提纯后的气体通过管道输送给当地居民使用，则提纯到30％以上即可，每一级的提纯方法，同10％以上浓度煤层气的一级提纯相同。
[0046] 煤层气提纯装置中的脱气缸底部有玻璃管，玻璃管竖直放置与脱气缸相连，其底部有盖子，水由于比重比油大，在脱气缸中将残留在玻璃管中，而煤层气中的灰尘也因比重比油大，当浓度积累到一定程度后，残留在玻璃罐中，用户可通过观测玻璃管中的水位，并通过打开盖子来排出脱气缸中的水和灰尘与水、油形成的残渣；脱气缸上部是热交换装置，溶解缸中的油滴在该热交换装置的内壁上，而内燃机尾气吹在该散热装置的外壁上，从而对油进行加热，使得油中的气体容易从油中脱离，由真空泵抽出。
[0047] 热交换装置可以是单级的，也可以是多级的，单级的热交换装置只用燃气内燃机尾气，或者煤层气压缩机散热装置排出的气体，或者燃气内燃机的冷却水加热脱气缸中的油，而多级热交换装置则可首先用已经加热、且已脱气的油预热待脱气的从溶解缸中往脱气缸中流的油，然后用燃气内燃机的冷却水加热，再用煤层气压缩机散热装置排出的气体加热，最后用燃气内燃机尾气加热。
[0048] 系统对10％浓度以上煤层气提纯的废气进行监测，如果煤层气流量足够大，维持系统工作还有剩余，则将多余的气体当做原料气进行再次提纯，如果不够，则通过流量控制器，将一部分提纯后的煤层气作为原料，供燃气内燃机用。
[0049] 具体来说，本发明一种低浓度煤层气提纯、发电与压缩/液化的系统与方法，其由硬件和软件两部分组成。
[0050] 1.硬件部分
[0051] 系统由煤层气提纯装置、燃气内燃机、压力测量仪、甲烷传感器、液位测试仪、温度测试仪、气体增压泵、流量控制器、工控机、变电系统、电能质量监测系统、电磁阀、气体压缩/液化机和手机信号收发系统组成，如附图1(a)和(b)所示；
[0052] 煤层气是利用矿物质油，或植物油，或者地沟油在低温高压情况下对烃类气体溶解度高，而在低压与高温情况下溶解度降低的特性进行过滤与提纯的，或者布袋法和变压吸附法进行除尘与提纯的。
[0053] 如附图2(a)所示，煤层气利用油溶剂进行提纯的装置包括气体溶解缸1、喷气嘴2、布料3、脱气缸、真空泵、油泵、第一液位传感器4、第二液位传感器5、压力传感器、散热器和热交换器6。煤层气提纯装置中的脱气缸底部有玻璃管，玻璃管与脱气缸相连，排水底部有盖子7，水由于比重比油大，在脱气缸中将残留在玻璃管中，而煤层气中的灰尘也因比重比油大，当浓度积累到一定程度后，残留在玻璃罐中，用户可通过观测玻璃管中的水位，并通过打开盖子来排出脱气缸中的水和灰尘与水、油形成的残渣；脱气缸中部是热交换装置，溶解缸中的油滴在该热交换装置的内壁上，而内燃机尾气吹在该热交换装置的外壁上，从而对油进行加热，使得油中的气体容易从油中脱离，由真空泵抽出给燃气内燃机、气体压缩/液化装置，输气管路；散热装置用来对脱气后的油进行降温，使其便于溶解煤层气；液位传感器对提纯装置中的脱气缸和溶解缸中油的液位进行监测；压力传感器用来对脱气缸中气压进行监测。
[0054] 如附图2(b)所示，煤层气的布袋法除尘、变压吸附法提纯装置包括原料气压缩机、吸附缸、真空泵和一个布袋。原料气经过压缩机压缩后经过一个布袋进入吸附缸，布袋起到除尘的作用。吸附缸中放置了氧气、氮气和二氧化碳吸附剂，原料气经过吸附缸吸附后，排出去的气体中瓦斯的浓度因氧气、氮气和二氧化碳的含量降低而浓度提高，从而实现了提纯的作用。在经过一次吸附以后，真空泵用来降低吸附缸中的压力，以排除被吸附的氧气、氮气和二氧化碳，以进入下一次吸附提纯。真空泵和原料气压缩机的动力来源于燃气内燃机发电系统。
[0055] 提纯前和提纯后的煤层气，以及煤层气提纯、发电与压缩/液化系统周边环境中的大气均采用甲烷传感器进行监测；
[0056] 液位测试仪用来测试高浓度煤层气压缩/液化罐中的液位；
[0057] 温度用来测试高浓度煤层气压缩/液化罐中的温度、气体压缩机温度，燃气内燃机温度；
[0058] 流量控制器用来控制用于燃气内燃机的煤层气的流量；
[0059] 电磁阀用来控制煤层气的流行；
[0060] 气体压缩/液化机用来压缩/液化高浓度的煤层气，以便于其运输；
[0061] 手机信号收发系统用于向煤层气提纯、发电与压缩/液化系统的管理人员汇报系统的运行状况；
[0062] 工控机用于监测气体浓度、油的液位、液化煤层气液位、内燃机温度、压缩机温度、气体提纯系统压力、压缩气体压力信号，执行参数监测与控制的算法，并发送控制信号；
[0063] 提纯装置中的热交换装置可以是单级的，也可以是多级的，单级的热交换装置只用燃气内燃机尾气，或者煤层气压缩机散热装置排出的气体，或者燃气内燃机的冷却水加热脱气缸中的油，而多级热交换装置则可首先用已经加热、且已脱气的油预热待脱气的从溶解缸中往脱气缸中流的油，然后用燃气内燃机的冷却水加热，再用煤层气压缩机散热装置排出的气体加热，最后用燃气内燃机尾气加热。
[0064] 1.软件部分
[0065] 软件在工控机中运行，其功能主要包括煤层气浓度的监测、压力测量，流量的测量与控制，油泵、真空泵、增压泵与稳压泵的控制，燃气发电机的控制，电能质量的控制，煤层气压缩控制，以及信号的传输。
[0066] 首先，采用流量计和甲烷传感器对煤层气原料气进行监测，获取相关信息。如果煤层气原料气中甲烷浓度在10％以上，则通过增压泵将其压入煤层气提纯系统，煤层气提纯系统在工控机的监控下工作，将提纯后的气体提供给煤层气压缩液化系统，该系统将高浓度煤层气压缩到液化罐中。煤层气提纯系统提纯的废气提供给燃气内燃机发电系统，该系统为提纯系统和压缩液化气系统提供动力，所发出的电通过变电系统变换成常规可用电能。工控机对变电系统实施电能质量监测，并对变电系统进行调控。如果煤层气原料气中甲烷浓度低于10％，则将煤层气提纯系统的提纯率调至最高，提纯后的气体若浓度高于5％，则直接供给燃气内燃机发电系统做燃料，若
[0067] 1)煤层气的压力与流量的测量，煤层气发电机温度的测量，液位测量，煤层气浓度以及外部空气中的瓦斯浓度测量。
[0068] 压力与流量的测量是为了获取煤层气的压力与流量信息，其方法是工控机读取压力测量仪与流量测量仪的信号，并根据一定转换规则，将该信号转换成压力与流量信号。这需要视所读取的信号的形式来转换。如果是压力和流量测量仪输出的信号本身就是数字式压力值与流量值，则无需转换，直接读取即可。读取的方式包括串行通讯、网口通讯、无线通讯、以及调制脉冲等；如果输出的是某种电信号，则还需进行信号的采集与转换。煤层气燃气内燃机发电系统温度的测量，压缩气罐中的压力、液化气罐中的液位测量，煤层气浓度以及外部空气中的瓦斯浓度测量，提纯系统中的压力、液位测量，其方法与压力与流量的测量的方法是一样的。这里以压力为例来予以说明：
[0069] (1)信号采集。如果压力测量系统输出某种电压、或者电流信号，则工控机通过设置采集卡的采样频率、采样分辨率，并启动采样，获取信号的数值。采样频率、采样分辨率视实际应用情况而定。如果压力传感器具有良好的信噪比，则可以选择较高的分辨率，以获得较准确的测量结果。否则，分别率可以设置得低一些，以获得较快的采集速度；如果矿井瓦斯、煤层气的气流速度较快，压力变化较快，则信号采集的频率也适当设置高一些，以获得好的动态特性，否则可以设置低一些，以减小工控机在信号采集中所消耗的资源；
[0070] (2)信号的转换。工控机采集到的压力测量系统的信号的数值，往往并非是压力值，它与压力值具有某种对应关系，因此需要进行转化。有的压力测量仪上给出了转换公式，那么在工控机中直接执行这种转换。如果没有给出这种转换关系，则需要进行标定，获取标定数据，然后进行转换关系的拟合，最后才采用获得的转换关系式进行转换。这种转换关系的确定采用如下最小二乘多项式法来实现：
[0071] B＝(H×H')-1×H'×Y (1)
[0072] 式中Y＝[y1,y2,…,yN]'表示标定的N个样本中的压力向量；B＝[b0,b1,…,bM]'表示M阶多项式中的M+1个系数向量，M
[0073]
[0074] 2)流量控制器的控制
[0075] 流量控制器用于燃气内燃机的气源不够，不足以维持整个系统运转，需要添加提纯后的煤层气作为燃料时控制提纯后煤层气流量所用。
[0076] 提纯后的煤层气的流量是用实际所需功率作为反馈信号来控制的，目标是维持煤层气提纯、发电、压缩/液化系统的正常工作，实际输出功率能满足功率需求，关闭该流量控制器，如果不足以维持系统运行，则增大流量控制器流量。该所需功率根据一台提纯装置所需功率，煤层气气体压缩/液化机所需功率，控制系统实际所需功率，以及外部用电所需功率来确定。控制算法可采用PID控制算法：
[0077] Δ＝WS-W (3a)
[0078]
[0079] 式中C(n)为当前控制量；W为当前输出功率；WS为维持系统运转所需功率；Δ(n)、Δ(n-1)分别为当前的需求功率值与输出功率差值、以及前一时刻的差值；Δ(i)表示i时刻需求功率值与输出功率差值；pp、pI和pD分别为PID控制中比例环节、积分环节和微分环节系数，它们可以通过PID控制参数调节方法来获得。
[0080] 3)增压泵与稳压泵的控制
[0081] 增压泵与稳压泵的控制方法，同式(3)的流量控制器控制算法完全一样。
[0082] 4)煤层气提纯控制
[0083] 煤层气提纯的主控制流程图如附图3(a)所示。如果煤层气原料浓度达到90％以上，则直接除尘，然后压缩/液化、或注入天然气管道；如果在10％浓度以上，则根据需要是否提纯，如果需要提纯到90％以上，则启用10％浓度以上的提纯控制方案；如果浓度在30％以上，不需要压缩/液化，只需发电，或者注入局域管道，共当地居民使用，则除尘后，发电、或注入局域管道，若煤层气浓度在10％只30％之间，只需发电，则除尘后发电，若除了发电外、需要将多余的电力注入局域管道，则将其提出至30％以上，注入管道。
[0084] 10％浓度以上煤层气的提出控制策略如附图3(b)所示。如果要求提纯至90％，则依次提纯，直到煤层气浓度达到90％以上，则根据需要，对高浓度煤层气进行压缩/液化，或者注入天然气管道，而每次提纯的废气则用于发电。提纯的参数控制通过控制提纯装置油泵和真空泵的功率来实现。首先调节的是油泵，当油泵无法达到要求时，再调节真空泵。调节的方法同流量控制器的调节相同。如果煤层气不需要提高至90％后进行压缩/液化，或注入天然气管道，只需提高至30％即可，则将参数修改为30％，然后将提纯至30％以上的气体用于其他燃气发电机发电，或注入局域管道，供当地居民使用。
[0085] 10％以下的煤层气的提出控制策略如附图3(c)所示。这种气体的提纯过程中，第一级提纯将提纯率调至最高，即溶解缸中液位最高，脱气缸中真空度最高。然后判断提纯后的煤层气的浓度，如果已提高至10％以上，则后续提纯按10％浓度以上气体进行，如果依然没到10％，则增加提纯级数，直至提纯气体浓度达到10％以上。
[0086] 系统同时还对10％浓度以上煤层气提纯的废气进行监测，如果流量足够维持系统工作，则将多余的气体当做原料气进行再次提纯，如果不够，则通过流量控制器，将一部分提纯后的煤层气作为原料，供燃气内燃机用。
[0087] 6)变电系统
[0088] 在软件部分，变电系统主要根据电能质量监测系统提供的结果，发出调节电压、相位的指令，以满足输出电能的指标要求。
[0089] 7)电能质量监测系统
[0090] 电能质量的监测系统主要监测输出电压及其相位、纹波等，监测结果除了对电能质量进行评估外，用来作为调节变电系统的反馈信号，还可监测发电系统、变电系统的故障。在软件部分，本发明主要是读取监测系统的数据，为调节变电系统、诊断变电系统和发电系统的故障做准备。
[0091] 8)煤层气压缩/液化回收与发电调度
[0092] 工控机根据煤层气的流量与系统所需功率的需求来决定是否需要进行煤层气压缩/液化回收，如果煤层气除了供给系统及当地其他用户所需还有剩余，系统需要将多余气体压缩/液化，则整套煤层气提纯、发电与压缩/液化回收系统运行状态正常，否则，只提纯、发电，关闭煤层气压缩/液化回收。若多余提纯气用于注入天然气管道，或局域气路管道，则在提纯、发电的同，将其注入管道。
[0093] 9)报警决策
[0094] 压缩气气罐内的压力警戒线、液化煤层气罐中的液位警戒线可由用户设定，但压力警戒线不能超过气罐容限的80％，液位警戒线不能超过气罐深度的80％，压力达到警戒线，或液位只是达到警戒线，但还未充满，此时只短信告知系统管理员，以及监控中心，系统继续运行；压缩煤层气气罐已满，表示罐内的压力达到容许值得85％-90％，该值由用户设定，如果液化煤层气罐中的液位测试结果提示气罐已满，其阈值可由用户设定在气罐深度的80％到95％范围内；煤层气发电系统温度过高是指其温度高于某个阈值，该阈值一般不超过所采用的发电机组正常温度的15％；压缩煤层气罐的温度过高，是指该温度高于45℃；系统环境大气中的瓦斯浓度过高，是指大气中瓦斯浓度高于某阈值，该阈值可由用户确定，但体积百分比浓度不超过4.5％；瓦斯浓度上升速度的判定阈值也可由用户设定，但体积百分比浓度上升速度不能低于0.1％/分钟，不能高于1％/分钟。
[0095] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
