沼氣工程集中供氣系統的綜述

張窩羊， 俞國燕*， 鄭 勇， 王金麗， 陳 程

(1.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江 524088；2.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東湛江 524091)

沼氣工程集中供氣系統的綜述

張窩羊1， 俞國燕1*， 鄭 勇2， 王金麗2， 陳 程1

(1.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江 524088；2.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東湛江 524091)

摘要在介紹沼氣工程集中供氣系統的基礎上，從供氣模式、自動控制以及輸配系統3個方面分析了沼氣集中供氣系統的發展現狀，并對所面臨的問題進行了總結，最后對其發展趨勢作了預測。

關鍵詞沼氣工程；供氣模式，集中供氣，發展趨勢

隨著現代社會對清潔、方便能源的需求越來越大，對環境的要求越來越高。基于集中生產和統一供給的沼氣工程將會逐步替代傳統的戶用小沼氣，成為新形勢下的新農村能源產業[1-3]。該文從集中供氣模式的內涵、系統的自動控制以及輸配系統3方面對沼氣集中供氣系統進行了闡述。

1沼氣工程集中供氣系統

1.1沼氣工程集中供氣系統概況

1.1.1供氣模式。沼氣工程集中供氣模式就是相對集中的沼氣用戶共用一個或多個沼氣發酵裝置。供氣模式主要有3種，即沼氣發酵裝置并聯、串聯和串并聯混合供氣模式。

(1)沼氣發酵裝置并聯供氣模式。該模式適用于沼氣發酵裝置建在一起的沼氣用戶，便于統一管理，對于沼氣發酵裝置大小或原料不同的沼氣發酵裝置，可以采取不同的脫水、脫硫以及儲氣裝置等。

(2)沼氣發酵裝置串聯供氣模式。該模式就是將各沼氣發酵裝置串聯起來，不僅可以根據合適的場地在不同地方放置或建設沼氣發酵裝置，也能滿足不同管路上的沼氣消耗量供應。

(3)沼氣裝置串并聯混合供氣模式。該模式可以結合實際情況，比如地形、原料供給方便程度等，將不同的沼氣發酵裝置通過串聯或并聯結合在一起，來實現集中供氣。

1.1.2集中供氣系統結構。沼氣工程集中供氣系統結構組成如圖1所示，可分成沼氣的生產、儲存、輸送3個環節。

(1)沼氣生產環節。只有氣源穩定，才能保證供氣的穩定性，因而做好沼氣生產環節的工作，是建設集中供氣式沼氣工程的首要條件。此環節最為關鍵的是沼氣生產工藝技術及其發酵裝置的設計，設計基本原則是盡可能利用有限的原料生產出足夠多的沼氣。厭氧干式發酵技術是目前最為廣泛使用的沼氣生產技術。

(2)沼氣儲存環節。沼氣用戶的用氣情況具有季、月、日以及小時的不均勻性，而發酵裝置的產氣量基本上是一個常數，產氣不可能完全隨沼氣用戶用氣量的變化而變化。為了解決沼氣發酵裝置產氣連續性和用戶用氣的不均勻性之間的矛盾，應該在經濟、供氣安全性以及生產可行性條件下考慮生產與使用的平衡問題。解決途徑主要有：

①改變發酵裝置的生產能力；

②利用緩沖用戶和發揮調度的作用；

③設立儲氣裝置。

其中建設一定規模的儲氣設施，在發酵裝置產氣量大于用戶用氣量時，將多余的氣體儲存起來，是保證供氣連續性，解決產氣與用氣不均矛盾的最有效方法之一。高壓干式儲氣柜、低壓干式儲氣柜以及低壓濕式儲氣柜是目前沼氣工程最常用的儲氣裝置(表1)。

表1　儲氣柜的種類及特點

(3)沼氣輸送利用環節。該環節是把產生的沼氣安全地、合理地輸送到用戶家中。其設計內容包括沼氣凈化(脫硫、脫水)、沼氣利用、其他配套設施等。其中輸氣官網的敷設以及其他設備的選型，在沼氣工程集中供氣系統當中具有重要地位，是沼氣工程集中供氣系統建設當中最重要、復雜的環節之一，直接關系著整個系統的成功與否。

1.2集中供氣式沼氣工程自動控制近年來，與沼氣工程相關的標準化設備、工藝技術、產業鏈技術等方面的發展越來越成熟，少數大型沼氣工程已經提高了其自動化程度，但其設計基本上參照國外先進技術和經驗，或是沿用成套引進國外的發酵工藝、設備、監測儀表和控制系統等，而國內在沼氣工程師自動控制方面仍處于起步階段。具體表現在為，相關的數據檢測基本上為離線檢測、pH值的測試、沼氣成分的測試等基本是先取樣后測量，然后再根據測定結果調整設備。這種非連續檢測方式，既無法實現對環境的實時動態監測，又易受人為因素影響，從而使測量結果存在較大誤差，導致設備運行狀態不能及時根據實際環境進行快速準確地調整，影響了發酵情況。針對這種情況對當前國內的沼氣工程自動控制進行了分類分析(表2)。

表2　沼氣工程3種控制方式的優缺點

表2可知，沼氣工程分3種控制，即手動、半自動和自動控制。手動控制系統簡單易實現，自動控制一次性投入成本高，系統復雜需專業人員操作，但效果好，是今后的發展方向。

1.3集中烘氣式沼氣工程輸配系統沼氣輸配系統是指從發酵裝置沼氣出口開始至沼氣炤止的整個系統，主要由中低壓沼氣管網、調壓裝置、監控室以及儲氣裝置等組成。

雖然沼氣輸配系統是沼氣工程集中供氣系統建設當中最重要、最復雜的環節之一，對輸配系統的設計與安裝的重視程度，卻遠遠不如沼氣生產環節的建設和產氣率的提高。使得許多沼氣工程存在著產氣，用戶卻用不上氣的情況。嚴重影響了沼氣效益的發揮與沼氣工程的推廣應用。

據調查，由于輸氣管道設計的不科學以及管道敷設的不合理，導致沼氣不能正常使用的情況較普遍。具體表現為：管徑選擇過大，浪費材料；管徑選擇過小，造成壓力損失過大，沼氣流通不暢；管道安裝坡度不科學，造成低處積水，甚至發生堵塞；管道布線長而且彎頭過多，致使壓力降過大等。

1.3.1供氣方式的選擇。沼氣工程供氣方式有低壓、中壓、高壓、中低壓等多種方式，如表3。在實際供氣時，需要根據實際情況選擇供氣方式，在對經濟技術條件加以比較后確定。需要考慮的因素有[11]：①供氣區域范圍；②管道敷設地的環境狀況；③使用成本控制；④供氣量的大小。

表3　沼氣管道設計壓力情況[11]

1.3.2管材的選擇。為了達到使用壽命長、運行和建設成本低、施工和維護方便的效果，在選擇輸送沼氣的管材時，應保證其具有良好的抗腐蝕性、足夠的機械強度以及抗震性等。當前常用的管材有塑料、鑄鐵和鋼，其主要特點如表4所示。

表4　管材優缺點及其適用情況

1.3.3輸氣管道設計。

第一步，明確已知條件。確定輸氣管、集氣管等各管道的實際長度；沼氣用戶的小時用氣量以及沼氣用具的額定壓力；系統中各個儀表、管道附件等安裝位置以及壓力降等參數。

第二步，按小時最大流量計算干管、支管的計算流量。確定儲氣柜到到沼氣用具的總壓力降，并分配總壓力降知各段管道。具體可參考表5相關參數。

表5　沼氣管道壓力分配[11]　MPa

第三步， 根據沼氣技術規范里面的相關公式計算各段輸氣管的管徑。

2總結

盡管國內外目前對沼氣工程相關技術已經進行了大量的研究，并取得了不少成果，但針對沼氣工程集中供氣系統這一特定模式的研究仍比較少，相關研究主要圍繞沼氣發酵工藝及其裝置展開，其輸氣管道的選擇缺少科學計算與理論依據、監控系統的設計也無統一規范或標準。因此，需要對沼氣工程集中供氣系統進行進一步的研究，以推動沼氣工程這一清潔能源的推廣應用。

參考文獻

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中圖分類號S216.4

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)30-344-03

基金項目中國熱帶農業科學院院平臺專項 “沼氣發電與集中供氣遠程監控及物聯網系統研究” (1630062014022)；2014年廣東省研究生教育創新計劃項目。

作者簡介張窩羊(1987- )，男，河南漯河人，碩士研究生，研究方向：機械制造及其自動化以及加工設備自動化。*通訊作者，教授，博士，碩士生導師，從事先進制造技術和智能算法研究。

收稿日期2015-09-14

TheReviewoftheBiogasEngineeringGasSupplySystem

ZHANGWo-yang1, YU Guo-yan1*,ZHENGYong2et al (1.SchoolofEngineering,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang,Guangdong524088; 2.AgriculturalMachineryInstitute,ChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences,Zhanjiang,Guangdong524091)

AbstractBased on introducing the biogas engineering gas supply system, the current development situation of methane gas supply system was analyzed from three aspects of gas supply mode, automatic control and distribution system, then the existing problems were summarized, and finally the development trend was forecasted.

Key wordsBiogas engineering; Gas supply mode; Gas supply; The development trend