沼氣發電并網工程技術集成與推廣應用

朱榮

摘要：

沼氣發電并網技術是目前畜禽場沼氣工程利用沼氣較為先進、高效、成熟的工程技術。本文在分析國內外沼氣利用現狀和國內政策導向的基礎上，對沼氣儲存、脫水、脫硫、穩壓、發電、并網等環節進行技術介紹和系統闡述，科學分析應用實例綜合效益，提出推廣沼氣發電并網技術建議。

關鍵詞：

沼氣;發電;并網;技術;應用

中圖分類號：S23

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630016

引言

近10a來，國家加強畜禽養殖糞污治理，全國建成各類型沼氣工程達到11萬余處，沼氣工程總池容達到2100萬m3，年產沼氣2468億m3[1]，在養殖糞污無害化、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。沼氣發電并網技術作為先進成熟技術，既能有效利用沼氣，又能通過發電并網增加經濟效益，具有較好推廣應用前景。

1技術研究應用背景

11國內外應用現狀

畜禽場沼氣發電并網工程技術主要將沼氣發電自用，余電并網，余熱進行綜合利用，小而靈活，安全系數高，建設性價比高。但目前沼氣發電并網工程占所建工程比例明顯偏低，沿海發達地區沼氣發電并網推廣率在同類別沼氣工程中占比15%～35%，中西部地區仍有空白。而國外利用沼氣生物質發電并網發展迅猛，美國能源農場、日本陽光工程、荷蘭綠色能源相繼出現，德國是目前世界上沼氣工程高度發展國家之一，沼氣工程發電并網率達到98%[2]。

12國內政策導向

目前畜牧業是農業領域第一大甲烷排放源，人類活動產生溫室氣體中，有15%左右來自畜牧業[3]。數據表明，同體積甲烷溫室效應約為二氧化碳7倍。我國畜禽糞便管理溫室氣體排放量占農業源溫室排放總量的比例逐年提高，2014年占比達到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》、《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》[4]等文件，鼓勵以沼氣發電并網為主要利用方向，為推廣沼氣發電并網技術提供廣闊空間。

2沼氣發電并網系統技術集成

沼氣發電并網技術主要利用畜禽場養殖有機廢棄物，經厭氧發酵處理產生沼氣，驅動沼氣發電機組發電自用，余電作為商品并入國家電網，其技術集成了沼氣凈化儲存、發電以及并網控制技術等。沼氣發電并網系統主要由沼氣儲氣裝置、脫水脫硫設備[5]、穩壓阻火裝置、沼氣發動機、交流發電機、余熱回收裝置、配電系統、并網輸電控制系統等部分組成。

21沼氣凈化儲存系統

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，分為內外2部分，外部為儲水池，內部為鐘罩，結構簡單加工方便，造價相對便宜。大型沼氣工程一般選用雙膜氣柜，主體由特殊加工PVC/PVDF聚酯材質制成，柜體由外膜、內膜、底膜及附屬設備組成，外膜起保護作用，內膜用于儲氣，底膜用于隔開基礎和內外膜，運行壓力05～5kPa，具有儲氣量大、維護費用低、安裝快捷，使用壽命長等特點。

212沼氣脫水裝置

沼氣中水分能降低沼氣熱值和沼氣發電效率，對發電機組也有負面影響，嚴重時能引發爆缸爆震，縮短發電機使用壽命，沼氣發電之前需對沼氣進行脫水。由于采用干式脫硫凈化沼氣，應將脫水設置在脫硫工藝之前。脫水是利用旋風分離技術實現氣水罐內分離，類似于滾筒洗衣機脫水原理，將沼氣在優化結構圓筒內形成多種旋轉流態，讓沼氣中含水霧沫在擴散和重力基礎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排除，脫水率達到95%以上。

213沼氣脫硫裝置

沼氣主要化學成分為甲烷和二氧化碳，還含有氮氣、氫氣、氨氣和硫化氫氣體。其中硫化氫對發動機有強腐蝕作用，燃燒會產生二氧化硫，腐蝕性更強，特別是對銅質及鋁質部件腐蝕更為嚴重，會使發電機組壽命縮短，需要進行脫硫處理[6]。基本上采用氧化鐵法干式脫硫工藝，主要包括不銹鋼外殼、裝有氧化鐵的反應器和空氣供應單元。干式氧化鐵法工藝簡單，脫硫劑來源廣泛，脫硫效果和經濟性均較好，脫硫效率達到90%以上，比較適用于低含硫量沼氣，使用較為普遍。

22沼氣發電系統

221沼氣穩壓裝置

沼氣內燃機對壓力要求為一般不小于02MPa，而沼氣管路壓力不大于5kPa，為滿足內燃機工作壓力需要，需設置羅茨風機對管路沼氣進行增壓穩壓。根據緩沖罐內沼氣壓力的大小自動啟動或停止，低于設定值時自動啟動，高于設定值時風機自動停止運行，確保儲氣穩壓分離罐內壓力穩定，滿足沼氣發動機運行要求。

222沼氣阻火裝置

沼氣阻火技術主要是防止在非正常情況下火焰于管道內逆向傳播，以避免回火引起沼氣管路發生爆炸，從而保證系統安全。在沼氣供應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，通過擴大細小火焰和通道壁接觸面積，發揮傳熱作用和器壁效應，使火焰溫度降至著火點以下，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沼氣發電機系統

沼氣發電機系統主要由沼氣內燃機、交流發電機、余熱回收裝置等組成。沼氣內燃機選用單燃料發動機，加強進氣系統和調速系統控制[7]，調節空燃比和混合氣體進氣量，同時在沼氣發動機上安裝轉速控制器、轉速傳感器、電磁執行器等調速系統，確保交流發電機正常發電，實現沼氣發電與并網同步控制。余熱回收裝置對發動機冷卻水和排氣中熱量進行利用，一般選用余熱利用鍋爐，提升沼氣熱電綜合利用效率。

24沼氣發電并網系統

沼氣發電并網系統在實現沼氣發電滿足養殖場日常用電的同時，余電自動并入低壓或高壓電網，高壓一般由低壓經變壓器升壓完成。電氣控系統一般分為手、自動2種，以自動控制為主，手動只在應急情況下使用。電氣系統自動控制步驟先確認母排電壓，后完成機組電壓、頻率、相位角與并網同步運行[8]。母排電壓是利用控制器自動識別確認，若母排沒有電壓，機組立即合閘對負載供電;若母排有電壓，將會自動找到同步后合閘。同步主要通過增減勵磁電流調節發電機組輸出電壓、改變內燃機轉速調節頻率、調節發電機組瞬時速率滿足相位差來實現，整個系統自動化程度較高，對先進技術依賴性較強。

3沼氣發電并網改造工程實例

以常年存欄生豬2500頭養殖場沼氣工程為例，已建有600m3沼氣發酵工程，配備沼氣發電機組50kW，附屬建有150m3儲氣柜，3000m3上下覆膜式沼液儲存池。在對該場進行技術改造后，共計花費32萬元，主要用于將沼氣發電機組增容至120kW，配套沼氣脫水、脫硫、增壓穩壓以及余熱利用設備，新建200kVA變壓器及高壓線路;配套建設出線柜、總柜、電容柜、計量柜、并網柜及附屬用房。沼氣發電通過038kV低壓電力輸出，余電經變壓器升壓至10kVA市政電網，電力輸出頻率、周期、相位、相序等參數自動調節與市政電網完全同期一致，偏差值在規定范圍內，自動化程度高，運行安全穩定可靠，無需投入額外人力成本。改造后，養殖場年平均每天發電8h，考慮折損，每年沼氣發電總量3456萬kW·h，余電上網按60%計算，約1728萬kW·h，按照目前核準電價065元/kW·h計算，余電并網產生直接經濟為1123萬元，28a收回改造成本，且長期受益15a以上。通過技術改造，可杜絕以往沼氣發電余電浪費現象，節約標煤電力消耗[9]，每年可替代698t標準煤，每年減少二氧化碳氣體排放174t，具有良好生態環境效益。

4結束語

沼氣發電并網技術符合當前技術研究和推廣發展趨勢，具有先進性和成熟度，擁有政策和財政資金支持，能產生良好經濟效益和環境效益。沼氣發電中電能轉化率35%，熱能轉化率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備。

參考文獻

[1]

朱桂英.畜禽養殖場大中型沼氣工程綜合評價研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2015.

[2]王淑寶，張國棟，曹曼.歐洲大型沼氣工程技術國產化方法探討[J].中國沼氣，2009，27（02）：42-44.

[3]劉德江.沼氣工程與利用技術[M].北京：中國農業大學出版社，2008.

[4]于海濱.畜禽養殖業沼氣發電前景廣闊[J].農業工程學報，2006（10）：58-61.

[5]林玉禮.城市生活垃圾填埋場沼氣發電技術的探討[J].環境與發展，2018，30（05）：103，105.

[6]劉顯明，李和平，贠小銀，等.沼氣發電技術工藝及余熱利用技術[J].華電技術，2009，31（02）：74-78..

[7]袁兆成.內燃機設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

[8]譚旭娜.城市固體廢棄物沼氣發電系統設計[D].廣州：華南理工大學，2013.

[9]林永鋒.低碳能源革命刻不容緩[N].中國能源報，2009-11-16（09）.

（責任編輯常陽陽）