垃圾處理工程的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

摘要：作為垃圾處理工程的配套項目，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)不僅有助于節(jié)約能源，保護環(huán)境，還能踐行循環(huán)經(jīng)濟理念，將廢棄物轉(zhuǎn)化為可再生能源，促進資源的再利用和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。以武漢市某垃圾處理工程為例，結(jié)合多能互補可再生能源發(fā)電系統(tǒng)裝機容量，確定沼氣發(fā)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)方案，設(shè)計沼氣發(fā)電方案和光伏發(fā)電方案，為以后的同類設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：垃圾處理工程；光伏發(fā)電；沼氣發(fā)電；并網(wǎng)；可再生能源

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-0-03

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Design of Renewable Energy Power Generation System for Waste Treatment Engineering

LIU Jing， CHENG Ruixiong

（Central & Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： As a supporting project for waste treatment projects， the construction of renewable energy generation systems not only helps to save energy and protect the environment， but also practices the concept of circular economy， converts waste into renewable energy， promotes resource reuse and sustainable economic development. Taking a waste treatment project in Wuhan city as an example， combining with the installed capacity of a multi energy complementary renewable energy power generation system， the grid connection scheme for biogas power generation and photovoltaic power generation is determined， and biogas power generation scheme and photovoltaic power generation scheme are designed， so as to provide reference for similar designs in the future.

Keywords： waste treatment project; photovoltaic power generation; biogas power generation; grid connection; renewable energy

能源是人類生存與發(fā)展不可或缺的條件，諸多活動都伴隨著能源的消耗[1]。不可再生資源的儲量越來越少，有些甚至已經(jīng)接近耗盡，因此太陽能、風能、水能和生物質(zhì)能等可再生能源日益受到人們的重視。太陽能在可再生能源體系中占據(jù)主體地位，其次是風能和生物質(zhì)能。在垃圾處理工程中，垃圾處理綜合體屋頂面積大，濕垃圾處理工藝段會產(chǎn)生大量沼氣，可以充分利用太陽能及生物質(zhì)能發(fā)電，作為垃圾處理廠內(nèi)市電系統(tǒng)的補充，具有較為明顯的經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)境效益。以武漢市某垃圾處理工程為例，對廠內(nèi)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)進行分析。

1 多能互補可再生能源發(fā)電項目概況

本工程的生活垃圾設(shè)計處理規(guī)模為500 t/d，濕垃圾為100 t/d，大件垃圾為50 t/d，可回收物為50 t/d。

廠內(nèi)皆為低壓負荷，總負荷約為1 874 kVA，共設(shè)置兩臺1 250 kVA的變壓器，兩臺同時運行，負載率約為75%。其中，二級負荷約為763 kVA。當其中一臺變壓器出現(xiàn)故障時，另一臺變壓器可負擔全部二級用電負荷。本工程含有餐廚處理工藝段及沼氣凈化工藝段，工藝處理可產(chǎn)生大量沼氣，適宜建設(shè)沼氣發(fā)電系統(tǒng)。實施沼氣發(fā)電不僅能解決沼氣工程的環(huán)境問題，消耗大量廢棄物，保護環(huán)境，減少溫室氣體排放，而且能變廢為寶，產(chǎn)生大量的熱能和電能，符合能源循環(huán)利用的環(huán)保理念，帶來巨大的經(jīng)濟效益[2]。本工程新建建筑物屋面面積較大，項目所在地武漢市的太陽能資源豐富，年平均太陽輻射量比較穩(wěn)定，適合建設(shè)光伏發(fā)電項目。為了加強可再生能源建筑應用管理，武漢市新建的公共建筑和工業(yè)廠房屋頂均需要設(shè)置光伏板，并達到安裝面積比例的要求。

2 可再生能源發(fā)電系統(tǒng)裝機容量

2.1 沼氣發(fā)電裝機容量

本工程濕垃圾處理能力為100 t/d。在處理過程中，厭氧消化系統(tǒng)會產(chǎn)生大量沼氣。沼氣凈化后，部分用作蒸汽鍋爐的燃料，以滿足廠區(qū)蒸汽需求。剩余沼氣則通過沼氣發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能，用于生產(chǎn)。基于當前的沼氣池規(guī)模與產(chǎn)氣量，本工程共設(shè)置兩臺300 kW

的沼氣發(fā)電機組。為確保項目穩(wěn)健推進，近期先投入1臺沼氣發(fā)電機組，若未來產(chǎn)氣量持續(xù)穩(wěn)定且達到預設(shè)標準，將適時啟動第2臺發(fā)電機組，實現(xiàn)雙機并行發(fā)電，以提高能源利用效率。

2.2 光伏發(fā)電裝機容量

本工程在廠區(qū)內(nèi)包含5座新建建筑，具體為壓縮轉(zhuǎn)運及預處理綜合體、大件垃圾及可回收物分揀車間、綜合樓、傳達室以及計量間。湖北省持續(xù)加強可再生能源建筑應用管理，要求2024年新建公共建筑和廠房的光伏板安裝面積占比不低于40%。其中，大件垃圾及可回收物分揀車間、綜合樓、傳達室及計量間屋面幾乎無工藝設(shè)備及建筑遮擋，為光伏板安裝提供了便利條件，可以采用滿鋪法進行安裝。壓縮轉(zhuǎn)運及預處理綜合體結(jié)構(gòu)較為復雜，存在部分問題。一是沼氣利用及發(fā)電工藝段局部為泄爆屋面，存在煙囪、風井及百葉窗等，這些特殊結(jié)構(gòu)和設(shè)施的存在使得該區(qū)域不適合安裝光伏板。二是污水處理工藝段具有大量除臭風管及檢修孔，安裝時應避開孔洞、管道，留出檢修通道。三是考慮垃圾車轉(zhuǎn)運半徑，壓縮轉(zhuǎn)運工藝段兩處區(qū)域柱間距及荷載較大。兩處區(qū)域屋面沒有工藝設(shè)備及建筑物遮擋，但經(jīng)結(jié)構(gòu)復核，安裝光伏板對建筑主體結(jié)構(gòu)影響較大，結(jié)合綜合影響及造價來看，此處裝設(shè)光伏板的經(jīng)濟效益不高。綜合考慮后，在滿足安裝面積的政策要求下，壓縮轉(zhuǎn)運及預處理綜合體局部裝設(shè)光伏板。垃圾處理廠內(nèi)各建筑屋頂共設(shè)置

1 266塊540 Wp的單晶硅光伏組件，總裝機容量約為683.64 kW。光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏組件布置如圖1所示。

3 并網(wǎng)方案

3.1 沼氣發(fā)電并網(wǎng)

沼氣發(fā)電量的根本影響因素為濕垃圾處理量。當濕垃圾處理量達到設(shè)計值時，該工藝段運行功率約為600 kW，近遠期兩臺沼氣發(fā)電機組的裝機容量為600 kW，機組按額定功率的80%輸出，可帶載約480 kW。該工藝段可完全消納沼氣發(fā)電，真正做到少處理少發(fā)電、多處理多發(fā)電、自發(fā)自用。結(jié)合沼氣發(fā)電的裝機容量及使用性質(zhì)來看，低壓并網(wǎng)且優(yōu)先帶載濕垃圾處理工藝段設(shè)備的方式比較適用。

3.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)

與沼氣發(fā)電不同，光伏發(fā)電幾乎不受工藝流程處理量的影響，但受環(huán)境影響較大，每日發(fā)電時間及發(fā)電量波動較大。本工程所采用的光伏發(fā)電裝機容量為683.64 kW，除濕垃圾處理工藝段以外，廠區(qū)總負荷量約為1 300 kVA。其中，污水處理系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)等大負荷工藝段皆受濕垃圾處理量影響較大。項目投運初期，因垃圾分類工作推進，濕垃圾處理量或有不足，可能存在光伏發(fā)電峰值時自發(fā)自用后仍有余量的情況。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的模式。光伏發(fā)電總裝機容量較大，為了方便余電上網(wǎng)，滿足《分布式電源接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》（Q/GQhLsoV9aMJnpBn1bWYbadySQ0lzXcXRifc2NQAmR358=DW 11147—2017）的要求，選擇10.00 kV并網(wǎng)方案。分布式電源的并網(wǎng)電壓等級推薦值如表1所示。

4 發(fā)電方案設(shè)計

4.1 沼氣發(fā)電方案設(shè)計

沼氣發(fā)電系統(tǒng)采用0.4 kV低壓并網(wǎng)不上網(wǎng)的方案，沼氣發(fā)電機組和市電并網(wǎng)后，一同為負載供電。沼氣發(fā)電機組配置發(fā)電并網(wǎng)柜、并網(wǎng)調(diào)峰柜以及控制系統(tǒng)，內(nèi)含同期并網(wǎng)裝置、繼電保護器、逆向功率保護器、電能計量裝置及通信系統(tǒng)等。沼氣發(fā)電機組正常運行后通過并網(wǎng)柜發(fā)電，經(jīng)并網(wǎng)調(diào)峰柜同期控制后接至綜合體變配電中心低壓側(cè)，并網(wǎng)后緩慢加載至設(shè)定功率，與市電按照不同情況進行功率分配。正常情況下，優(yōu)先使用沼氣發(fā)電機組所發(fā)的電，不足部分由市電補充。當市電供應中斷或者出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)配套的控制模塊發(fā)出分斷市電斷路器的信號，避免市電斷電造成發(fā)電機組反向送電至市電，機組繼續(xù)為負載供電（機組不超負荷）。當市電再次來電時，通過控制模塊反向同步合閘，與發(fā)電機組一起分擔負載。

4.2 光伏發(fā)電方案設(shè)計

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用10 kV高壓并網(wǎng)的方案，主要由5部分組成，即光伏方陣、逆變器、升壓并網(wǎng)系統(tǒng)、布線系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。

目前，常用的光伏組件有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池和多倍聚光電池[3]。通過比較轉(zhuǎn)換效率、制造能耗和安裝成本等方面，項目選擇單晶硅電池作為光伏組件，方位角面向正南，同一光伏方陣內(nèi)，選擇電性能參數(shù)一致的光伏組件。合適的逆變器主要有兩種型式，即集中式和組串式。集中式逆變器是很多個并行的光伏組串被連到同一臺逆變器的直流輸入端。其主要特點有系統(tǒng)的功率高、成本低，同時逆變器數(shù)量少，可靠性高，便于管理。但其發(fā)電可靠性受單個光伏單元組工作狀態(tài)的影響較大，逆變過程效率降低，此類型的逆變器更適用于大型光伏電站[4]。組串式逆變器是基于模塊化概念，一個或幾個光伏組串通過一個逆變器，在交流端并聯(lián)入網(wǎng)。其優(yōu)點是整個系統(tǒng)受單個光伏單元組的影響小，同時電壓范圍寬，減少光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的情況，從而增加發(fā)電量。除此之外，直流段流程減少，線路敷設(shè)及安裝都比較便利。同本工程相似的分散式屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)更適合采用組串式逆變器。

因項目采用10 kV高壓并網(wǎng)方案，組串式逆變器的輸出應經(jīng)光伏升壓箱變及高壓饋線柜并網(wǎng)，不應直接接入電網(wǎng)。擬在廠區(qū)收集車坡道下方設(shè)置一臺光伏升壓箱變，各建筑物屋面的組串式逆變器輸出匯流至光伏升壓箱變進線側(cè)，通過升壓后送入廠區(qū)高壓配電系統(tǒng)，作為市電系統(tǒng)的補充。按照《電力工程電纜設(shè)計標準》（GB 50217—2018），嚴格選擇交直流電纜。10 kV直流電和0.4 kV交流電采用阻燃型交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，電纜沿橋架及廠區(qū)地下穿線管敷設(shè)。為便于光伏電站的運行管理，光伏發(fā)電部分采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)上位機安裝于廠內(nèi)綜合樓中控室內(nèi)，設(shè)置監(jiān)控后臺機一套，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠程監(jiān)視和控制。

5 結(jié)論

作為垃圾處理工程的配套項目，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)可以提高資源利用率，節(jié)約能源，保護環(huán)境。結(jié)合多能互補可再生能源發(fā)電系統(tǒng)裝機容量，垃圾處理工程可以確定沼氣發(fā)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)方案，將廢棄物轉(zhuǎn)化為可再生能源，促進資源的再利用和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

1 胡學東，吳來群，袁 玉，等.抽水蓄能與風電、光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量配置研究[J].人民長江，2024（4）：244-251.

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3 陸冬麗.太陽能電池性能及選型[J].大眾用電，2023（8）：31-32.

4 曾 玉.分布式光伏發(fā)電建設(shè)中的逆變器及其選型[J].科技資訊，2014（25）：98.