沼氣發(fā)電并網(wǎng)工程技術(shù)集成與推廣應(yīng)用

朱榮

摘要：

沼氣發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是目前畜禽場沼氣工程利用沼氣較為先進(jìn)、高效、成熟的工程技術(shù)。本文在分析國內(nèi)外沼氣利用現(xiàn)狀和國內(nèi)政策導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，對沼氣儲存、脫水、脫硫、穩(wěn)壓、發(fā)電、并網(wǎng)等環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)介紹和系統(tǒng)闡述，科學(xué)分析應(yīng)用實(shí)例綜合效益，提出推廣沼氣發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)建議。

關(guān)鍵詞：

沼氣;發(fā)電;并網(wǎng);技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號：S23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630016

引言

近10a來，國家加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖糞污治理，全國建成各類型沼氣工程達(dá)到11萬余處，沼氣工程總池容達(dá)到2100萬m3，年產(chǎn)沼氣2468億m3[1]，在養(yǎng)殖糞污無害化、肥料化處理方面取得較好成效。沼氣工程通過對沼氣收集利用，減少大氣中甲烷排放量，在溫室氣體減排方面也有較大貢獻(xiàn)。沼氣發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)作為先進(jìn)成熟技術(shù)，既能有效利用沼氣，又能通過發(fā)電并網(wǎng)增加經(jīng)濟(jì)效益，具有較好推廣應(yīng)用前景。

1技術(shù)研究應(yīng)用背景

11國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

畜禽場沼氣發(fā)電并網(wǎng)工程技術(shù)主要將沼氣發(fā)電自用，余電并網(wǎng)，余熱進(jìn)行綜合利用，小而靈活，安全系數(shù)高，建設(shè)性價(jià)比高。但目前沼氣發(fā)電并網(wǎng)工程占所建工程比例明顯偏低，沿海發(fā)達(dá)地區(qū)沼氣發(fā)電并網(wǎng)推廣率在同類別沼氣工程中占比15%～35%，中西部地區(qū)仍有空白。而國外利用沼氣生物質(zhì)發(fā)電并網(wǎng)發(fā)展迅猛，美國能源農(nóng)場、日本陽光工程、荷蘭綠色能源相繼出現(xiàn)，德國是目前世界上沼氣工程高度發(fā)展國家之一，沼氣工程發(fā)電并網(wǎng)率達(dá)到98%[2]。

12國內(nèi)政策導(dǎo)向

目前畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域第一大甲烷排放源，人類活動(dòng)產(chǎn)生溫室氣體中，有15%左右來自畜牧業(yè)[3]。數(shù)據(jù)表明，同體積甲烷溫室效應(yīng)約為二氧化碳7倍。我國畜禽糞便管理溫室氣體排放量占農(nóng)業(yè)源溫室排放總量的比例逐年提高，2014年占比達(dá)到177%。為了提升畜禽糞便管理溫室氣體排放比例，我國相繼出臺《中華人民共和國可再生能源法》、《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》[4]等文件，鼓勵(lì)以沼氣發(fā)電并網(wǎng)為主要利用方向，為推廣沼氣發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)提供廣闊空間。

2沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)集成

沼氣發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)主要利用畜禽場養(yǎng)殖有機(jī)廢棄物，經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生沼氣，驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電自用，余電作為商品并入國家電網(wǎng)，其技術(shù)集成了沼氣凈化儲存、發(fā)電以及并網(wǎng)控制技術(shù)等。沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要由沼氣儲氣裝置、脫水脫硫設(shè)備[5]、穩(wěn)壓阻火裝置、沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、余熱回收裝置、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。

21沼氣凈化儲存系統(tǒng)

211沼氣儲氣裝置

沼氣儲氣裝置分為干式和濕式2種。中小型沼氣工程選用濕式儲氣裝置，采用浮罩式儲氣柜，工作壓力25～4kPa，利用水封密封沼氣，分為內(nèi)外2部分，外部為儲水池，內(nèi)部為鐘罩，結(jié)構(gòu)簡單加工方便，造價(jià)相對便宜。大型沼氣工程一般選用雙膜氣柜，主體由特殊加工PVC/PVDF聚酯材質(zhì)制成，柜體由外膜、內(nèi)膜、底膜及附屬設(shè)備組成，外膜起保護(hù)作用，內(nèi)膜用于儲氣，底膜用于隔開基礎(chǔ)和內(nèi)外膜，運(yùn)行壓力05～5kPa，具有儲氣量大、維護(hù)費(fèi)用低、安裝快捷，使用壽命長等特點(diǎn)。

212沼氣脫水裝置

沼氣中水分能降低沼氣熱值和沼氣發(fā)電效率，對發(fā)電機(jī)組也有負(fù)面影響，嚴(yán)重時(shí)能引發(fā)爆缸爆震，縮短發(fā)電機(jī)使用壽命，沼氣發(fā)電之前需對沼氣進(jìn)行脫水。由于采用干式脫硫凈化沼氣，應(yīng)將脫水設(shè)置在脫硫工藝之前。脫水是利用旋風(fēng)分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣水罐內(nèi)分離，類似于滾筒洗衣機(jī)脫水原理，將沼氣在優(yōu)化結(jié)構(gòu)圓筒內(nèi)形成多種旋轉(zhuǎn)流態(tài)，讓沼氣中含水霧沫在擴(kuò)散和重力基礎(chǔ)上逐漸形成較大水滴，逐漸從氣體中分離出來，冷凝水采用虹吸自動(dòng)排除，脫水率達(dá)到95%以上。

213沼氣脫硫裝置

沼氣主要化學(xué)成分為甲烷和二氧化碳，還含有氮?dú)?、氫氣、氨氣和硫化氫氣體。其中硫化氫對發(fā)動(dòng)機(jī)有強(qiáng)腐蝕作用，燃燒會產(chǎn)生二氧化硫，腐蝕性更強(qiáng)，特別是對銅質(zhì)及鋁質(zhì)部件腐蝕更為嚴(yán)重，會使發(fā)電機(jī)組壽命縮短，需要進(jìn)行脫硫處理[6]?；旧喜捎醚趸F法干式脫硫工藝，主要包括不銹鋼外殼、裝有氧化鐵的反應(yīng)器和空氣供應(yīng)單元。干式氧化鐵法工藝簡單，脫硫劑來源廣泛，脫硫效果和經(jīng)濟(jì)性均較好，脫硫效率達(dá)到90%以上，比較適用于低含硫量沼氣，使用較為普遍。

22沼氣發(fā)電系統(tǒng)

221沼氣穩(wěn)壓裝置

沼氣內(nèi)燃機(jī)對壓力要求為一般不小于02MPa，而沼氣管路壓力不大于5kPa，為滿足內(nèi)燃機(jī)工作壓力需要，需設(shè)置羅茨風(fēng)機(jī)對管路沼氣進(jìn)行增壓穩(wěn)壓。根據(jù)緩沖罐內(nèi)沼氣壓力的大小自動(dòng)啟動(dòng)或停止，低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，高于設(shè)定值時(shí)風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，確保儲氣穩(wěn)壓分離罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，滿足沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行要求。

222沼氣阻火裝置

沼氣阻火技術(shù)主要是防止在非正常情況下火焰于管道內(nèi)逆向傳播，以避免回火引起沼氣管路發(fā)生爆炸，從而保證系統(tǒng)安全。在沼氣供應(yīng)管路上安置防回火與防爆裝置，工作壓力在1～4MPa，利用金屬波紋盤之間狹縫間隙，通過擴(kuò)大細(xì)小火焰和通道壁接觸面積，發(fā)揮傳熱作用和器壁效應(yīng)，使火焰溫度降至著火點(diǎn)以下，使管道中傳播的亞音速或超音速火焰淬熄，從而阻止火焰蔓延。

23沼氣發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

沼氣發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由沼氣內(nèi)燃機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、余熱回收裝置等組成。沼氣內(nèi)燃機(jī)選用單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，加強(qiáng)進(jìn)氣系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)控制[7]，調(diào)節(jié)空燃比和混合氣體進(jìn)氣量，同時(shí)在沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝轉(zhuǎn)速控制器、轉(zhuǎn)速傳感器、電磁執(zhí)行器等調(diào)速系統(tǒng)，確保交流發(fā)電機(jī)正常發(fā)電，實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電與并網(wǎng)同步控制。余熱回收裝置對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和排氣中熱量進(jìn)行利用，一般選用余熱利用鍋爐，提升沼氣熱電綜合利用效率。

24沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電滿足養(yǎng)殖場日常用電的同時(shí)，余電自動(dòng)并入低壓或高壓電網(wǎng)，高壓一般由低壓經(jīng)變壓器升壓完成。電氣控系統(tǒng)一般分為手、自動(dòng)2種，以自動(dòng)控制為主，手動(dòng)只在應(yīng)急情況下使用。電氣系統(tǒng)自動(dòng)控制步驟先確認(rèn)母排電壓，后完成機(jī)組電壓、頻率、相位角與并網(wǎng)同步運(yùn)行[8]。母排電壓是利用控制器自動(dòng)識別確認(rèn)，若母排沒有電壓，機(jī)組立即合閘對負(fù)載供電;若母排有電壓，將會自動(dòng)找到同步后合閘。同步主要通過增減勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組輸出電壓、改變內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻率、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組瞬時(shí)速率滿足相位差來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，對先進(jìn)技術(shù)依賴性較強(qiáng)。

3沼氣發(fā)電并網(wǎng)改造工程實(shí)例

以常年存欄生豬2500頭養(yǎng)殖場沼氣工程為例，已建有600m3沼氣發(fā)酵工程，配備沼氣發(fā)電機(jī)組50kW，附屬建有150m3儲氣柜，3000m3上下覆膜式沼液儲存池。在對該場進(jìn)行技術(shù)改造后，共計(jì)花費(fèi)32萬元，主要用于將沼氣發(fā)電機(jī)組增容至120kW，配套沼氣脫水、脫硫、增壓穩(wěn)壓以及余熱利用設(shè)備，新建200kVA變壓器及高壓線路;配套建設(shè)出線柜、總柜、電容柜、計(jì)量柜、并網(wǎng)柜及附屬用房。沼氣發(fā)電通過038kV低壓電力輸出，余電經(jīng)變壓器升壓至10kVA市政電網(wǎng)，電力輸出頻率、周期、相位、相序等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)與市政電網(wǎng)完全同期一致，偏差值在規(guī)定范圍內(nèi)，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，無需投入額外人力成本。改造后，養(yǎng)殖場年平均每天發(fā)電8h，考慮折損，每年沼氣發(fā)電總量3456萬kW·h，余電上網(wǎng)按60%計(jì)算，約1728萬kW·h，按照目前核準(zhǔn)電價(jià)065元/kW·h計(jì)算，余電并網(wǎng)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)為1123萬元，28a收回改造成本，且長期受益15a以上。通過技術(shù)改造，可杜絕以往沼氣發(fā)電余電浪費(fèi)現(xiàn)象，節(jié)約標(biāo)煤電力消耗[9]，每年可替代698t標(biāo)準(zhǔn)煤，每年減少二氧化碳?xì)怏w排放174t，具有良好生態(tài)環(huán)境效益。

4結(jié)束語

沼氣發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)符合當(dāng)前技術(shù)研究和推廣發(fā)展趨勢，具有先進(jìn)性和成熟度，擁有政策和財(cái)政資金支持，能產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。沼氣發(fā)電中電能轉(zhuǎn)化率35%，熱能轉(zhuǎn)化率40%，目前沼氣余熱利用形式單一，利用效率不高，亟需推廣普及回收熱能利用設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯常陽陽）