摘要：上海市浦東區(qū)某有機(jī)質(zhì)餐廚垃圾處理過(guò)程伴隨產(chǎn)生大量沼氣，為合理利用資源，減少對(duì)環(huán)境污染，設(shè)計(jì)采用沼氣發(fā)電上網(wǎng)對(duì)資源進(jìn)行再生利用，并從發(fā)電機(jī)容量、發(fā)電用途、并網(wǎng)電壓等級(jí)、并網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)接入系統(tǒng)等方面分析，提出最優(yōu)方案。確保沼氣發(fā)電并網(wǎng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：有機(jī)質(zhì)餐廚處理廠；沼氣發(fā)電；并網(wǎng)運(yùn)行

一 項(xiàng)目概況

隨著生活水平的提高，附帶餐廚垃圾量也與日俱增。餐廚垃圾資源利用過(guò)程伴隨產(chǎn)生大量沼氣，如能將沼氣變廢為寶，既響應(yīng)國(guó)家節(jié)能的政策，也產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。上海市某區(qū)餐廚處理廠項(xiàng)目沼氣產(chǎn)生由以下構(gòu)成：現(xiàn)有餐廚垃圾填埋產(chǎn)生的沼氣（1800 Nm？/h），遠(yuǎn)期工程厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣（約600Nm？/h）及滲濾液處理產(chǎn)生的沼氣（約500Nm？/h）。為了合理利用沼氣資源，根據(jù)當(dāng)前沼氣資源情況，對(duì)比提純天然氣、發(fā)電、作為鍋爐燃料三種處理方案，最終設(shè)計(jì)采用沼氣發(fā)電并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源再生利用。

二 系統(tǒng)分析

根據(jù)沼氣發(fā)電量及工程特性，設(shè)計(jì)從發(fā)電機(jī)容量、發(fā)電機(jī)組類(lèi)型、發(fā)電用途、并網(wǎng)電壓等級(jí)、并網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)電接入系統(tǒng)方式等方面進(jìn)行了分析，并得出適合本項(xiàng)目的最優(yōu)方案，具體如下：

1、發(fā)電機(jī)組容量

本工程近期填埋氣利用規(guī)模約為1800 Nm3/h，考慮到國(guó)內(nèi)外發(fā)電機(jī)組的效率差異，單位填埋氣發(fā)電量區(qū)間為1.5～2.0kWh/Nm3，根據(jù)本工程投資情況，按進(jìn)口發(fā)電機(jī)組考慮，單位填埋氣發(fā)電量取1.85kWh/Nm3，則本工程填埋氣最大理論裝機(jī)容量可達(dá)3.29MW。本工程遠(yuǎn)期處理對(duì)象還包括有機(jī)質(zhì)固廢處理廠厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的的沼氣（600Nm3/h）及滲濾液處理產(chǎn)生的沼氣（500Nm3/h），則遠(yuǎn)期最大裝機(jī)容量可達(dá)4.98MW。

根據(jù)沼氣發(fā)電機(jī)組與沼氣熱值換算公式，計(jì)算如下：

其中，P ——全廠總裝機(jī)容量，單位為千瓦（KW）（為遠(yuǎn)期計(jì)算值，近期計(jì)算值同理）

k ——裝機(jī)容量與發(fā)電機(jī)效率的綜合比例系數(shù)，根據(jù)需要取值k=1.08～1.20（本次取值1.1）

V ——每小時(shí)最大沼氣產(chǎn)量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，單位為立方米每小時(shí)，m？/h；（根據(jù)工藝提資，取值2445 m3/h）

H ——沼氣的低熱值，單位為千焦每標(biāo)準(zhǔn)立方米，Kj/Nm3；

G ——發(fā)電機(jī)組熱消耗率，單位為千焦每千瓦時(shí)，Kj/（k·Wh）。（按進(jìn)口發(fā)電機(jī)組考慮，H/G取值1.85kWh/Nm3）

根據(jù)近遠(yuǎn)期沼氣量不同，設(shè)計(jì)采用分期配置沼氣發(fā)電機(jī)組。近期配置2×1.2MW發(fā)電機(jī)組，遠(yuǎn)期增設(shè)2臺(tái)，共4×1.2MW。有效利用沼氣資源的同時(shí)，針對(duì)不同階段沼氣量所需要配套的發(fā)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。

2、發(fā)電機(jī)組類(lèi)型選擇

利用填埋氣作為燃料，或者利用填埋氣燃燒產(chǎn)生的熱煙氣或蒸汽來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)機(jī)組處理沼氣方式不同，常用沼氣發(fā)電機(jī)組可分為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及蒸汽輪機(jī)三種。

1）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)利用填埋氣作為燃料，帶動(dòng)內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電，適合于發(fā)電量為1～4MW的小型填埋氣利用工程。

2）燃?xì)廨啓C(jī)利用填埋氣燃燒產(chǎn)生的熱煙氣推動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，適合于3～10MW的填埋氣利用工程。

3）蒸汽輪機(jī)發(fā)電是利用填埋氣作為鍋爐燃料產(chǎn)生蒸汽，蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，適用于填埋氣產(chǎn)量大的工程，一般發(fā)電量在5MW以上。

結(jié)合本工程發(fā)電容量（2×1.2MW～4×1.2MW），綜合考慮發(fā)電效率及投資，設(shè)計(jì)采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組發(fā)電機(jī)。

經(jīng)招標(biāo)，最終確定采用卡特彼勒CG系列燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)足就地/遠(yuǎn)程控制、具備并網(wǎng)運(yùn)行功能（在該模式下可自動(dòng)根據(jù)沼氣量調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組出力）、滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)等要求。其在國(guó)外及國(guó)內(nèi)都有很好的工程應(yīng)用實(shí)例。本項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組參數(shù)如下：機(jī)組型號(hào)為CG170-12，單機(jī)額定功率為1.2MW，額定電壓10.5kV，平均發(fā)電效率為42.1%（較其他進(jìn)口品牌同功率發(fā)電機(jī)組高3%），頻率50Hz。

3、發(fā)電用途

目前現(xiàn)有沼氣發(fā)電的應(yīng)用用途通常有以下三種：

1）所發(fā)電能全部用于并網(wǎng)售電；

2）抵消自用電后并網(wǎng)；

3）獨(dú)立自用電。

本工程發(fā)電量約為2.4MW（遠(yuǎn)期為4.98MW），遠(yuǎn)大于廠區(qū)內(nèi)自用設(shè)備容量（主要設(shè)備為空氣壓縮機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)及發(fā)電機(jī)組等，穩(wěn)定運(yùn)行有功功率約為580KW），如獨(dú)立自用方式，發(fā)電設(shè)備大部分時(shí)間不能有效利用，需要將填埋氣直接燃燒排放，資源化效率和設(shè)備利用率較低，故不采用第三種方式，所發(fā)電能主要用于上網(wǎng)。因廠區(qū)內(nèi)發(fā)電、鍋爐及火炬設(shè)備（主要用于沼氣利用及廢氣處理）有部分自用電，如采用所發(fā)電能全部用于并網(wǎng)售電，自用電需從市電再次買(mǎi)進(jìn)，會(huì)增加供電設(shè)備的投資，也不符合供電部門(mén)綠色能源發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，故采用第二種（抵消自用電后并網(wǎng)）方式。

4、出口電壓等級(jí)

發(fā)電機(jī)組容量不同，出口電壓不同。1.5MW發(fā)電機(jī)組出口電壓有0.4KV和10.5KV兩種電壓等級(jí)。

本工程發(fā)電機(jī)廠房屬于甲類(lèi)廠房，變電所為非專(zhuān)用變電所，根據(jù)GB50016規(guī)定兩者應(yīng)分開(kāi)設(shè)置，設(shè)計(jì)距離為20m。如采用出口電壓等級(jí)為0.4KV，需增設(shè)2臺(tái)升壓變壓器（遠(yuǎn)期4臺(tái)），并增加了低壓電纜投資和土建投資（需要預(yù)留升壓變壓器室），此費(fèi)用遠(yuǎn)大于出口電壓等級(jí)為10KV發(fā)電機(jī)組需要增加的投資，發(fā)電機(jī)組可采用電纜直接引至變電所高壓母排。因此根據(jù)本工程特點(diǎn)，采用10KV出口電壓等級(jí)。

考慮電力線路允許的電壓偏差一般為±5%，為了維持線路的平均電壓額定值，線路首端的電壓可較線路額定電壓高5%，發(fā)電機(jī)額定電壓按規(guī)定應(yīng)高于同級(jí)電網(wǎng)額定電壓5%，因此本工程采用發(fā)電機(jī)組出口電壓等級(jí)為10.5KV。

另外，根據(jù)《上海電網(wǎng)資源綜合利用發(fā)電裝置接入系統(tǒng)技術(shù)原則》中的規(guī)定，總裝容量在400kW～3MW的，可采用10kV接入系統(tǒng)，3MW～10MW的可以采用10kV或者35kV接入系統(tǒng)。本項(xiàng)目本期裝機(jī)容量2.4MW，遠(yuǎn)期4.8MW，并網(wǎng)可利用10kV接入系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組側(cè)采用10.5KV出口電壓，將與并網(wǎng)電壓等級(jí)保持一致，減少了中間變壓設(shè)備的投資，并進(jìn)一步降低了中間電能損耗。

5、并網(wǎng)系統(tǒng)

根據(jù)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)需要滿(mǎn)足的要求，設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1）并網(wǎng)回路

本工程內(nèi)有10KV上海浦東某區(qū)域開(kāi)關(guān)站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)10KV開(kāi)關(guān)站）一座，考慮本項(xiàng)目重要負(fù)荷性、項(xiàng)目初期沼氣發(fā)電機(jī)組無(wú)電能輸出及機(jī)組故障等，設(shè)計(jì)從10KV開(kāi)關(guān)站引2路10KV至所用變高壓母排。因此本工程電能不足時(shí)從10KV開(kāi)關(guān)站得電，電能富裕時(shí)向10KV開(kāi)關(guān)站送電，但這兩種情況不會(huì)并存。

據(jù)此，并網(wǎng)接入回路采用單電纜雙向送電，兩路10KV供電線路兼作富裕電能送入10KV開(kāi)關(guān)站的輸電線路。正常運(yùn)行情況下，當(dāng)廠區(qū)用電負(fù)荷超過(guò)發(fā)電機(jī)組功率時(shí)，廠區(qū)負(fù)荷通過(guò)10KV電源線路從電網(wǎng)獲取電能。當(dāng)發(fā)電機(jī)組功率超過(guò)廠區(qū)用電負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)組通過(guò)10KV電源線路向電網(wǎng)輸出剩余電能。為了方便建設(shè)單位管理，所用變進(jìn)線側(cè)設(shè)置雙向計(jì)量及保護(hù)裝置。

2）并網(wǎng)要求

為了使沼氣發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定的并網(wǎng)，機(jī)組電壓、頻率、相位角需與電網(wǎng)一致。本項(xiàng)目中，發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，默認(rèn)電網(wǎng)的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)，機(jī)組工作狀態(tài)的變化不會(huì)引起市電的電壓和頻率變化，因此在發(fā)電機(jī)與市電并列時(shí)，可認(rèn)為市電電壓和頻率是不變的。發(fā)電機(jī)組以市電指標(biāo)要求為基準(zhǔn)，通過(guò)以下方式調(diào)節(jié)：

① 通過(guò)增減勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)組的輸出電壓；

② 通過(guò)改變?nèi)細(xì)獍l(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整頻率；

③ 通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組瞬時(shí)速率來(lái)滿(mǎn)足相位差。

在滿(mǎn)足并列條件的瞬間， 閉合發(fā)電機(jī)組的主斷路器使發(fā)電機(jī)投入供配電系統(tǒng)，完成并網(wǎng)過(guò)程。

為了直觀判斷是否滿(mǎn)足并列條件，本工程發(fā)電機(jī)組配有以下功能：

① 就地/遠(yuǎn)程控制；

② 自動(dòng)/手動(dòng)兩種方式；

③ 同期控制柜配有電壓差表、兩組同期指示燈和同期表；

④ 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。

通過(guò)以上功能管理人員均可以在中控室及現(xiàn)場(chǎng)控制、檢查、監(jiān)視發(fā)電機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)。另外，為增加并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，本項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組以自動(dòng)同期為主，手動(dòng)僅作為應(yīng)急情況下使用。

6、發(fā)電接入系統(tǒng)方案

沼氣發(fā)電母排接入系統(tǒng)有多種方式，根據(jù)發(fā)電機(jī)數(shù)量及后期維修，本項(xiàng)目分別設(shè)置發(fā)電母排與所用變高壓母排（采用單母線分段型式），提出以下結(jié)線方案：

1） 設(shè)置1段發(fā)電機(jī)母排（近期母排掛接2臺(tái)沼氣發(fā)電機(jī)組）；

2） 設(shè)置2段發(fā)電機(jī)母排（近期每段母排掛接1臺(tái)沼氣發(fā)電機(jī)組）

方案示意圖如下：

方案 一 方案 二

沼氣發(fā)電機(jī)組為本項(xiàng)目重點(diǎn)設(shè)備，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后需要按周期進(jìn)行檢修，檢修期內(nèi)發(fā)電機(jī)需要停機(jī)，且需要對(duì)發(fā)電機(jī)出線（發(fā)電母排段）及發(fā)電機(jī)進(jìn)線柜（變電所高壓母排）等進(jìn)行檢修，為了盡可能避免該時(shí)間段內(nèi)對(duì)全廠電能設(shè)備及電網(wǎng)造成影響，采用方案二，分開(kāi)設(shè)置2臺(tái)發(fā)電機(jī)母排。2臺(tái)沼氣發(fā)電機(jī)檢修期內(nèi)互為獨(dú)立，且盡量避開(kāi)檢修期，使得全廠因檢修造成損失將為最低。

三、設(shè)計(jì)方案

根據(jù)沼氣量分期設(shè)置沼氣發(fā)電機(jī)組（近期2×1.2MW，遠(yuǎn)期4×1.2MW，設(shè)計(jì)預(yù)留遠(yuǎn)期土建位置），發(fā)電機(jī)組出口電壓均為10.5KV。發(fā)電自用，余電上網(wǎng)。

發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)分別設(shè)置發(fā)電母排和配電母排，變電所系統(tǒng)采用單母線分段接線，每段母線通過(guò)高壓電纜與一段10kV發(fā)電母線段相連，同時(shí)，每段母線各接一路10kV電源進(jìn)線（兩路進(jìn)線一用一備）作為本項(xiàng)目進(jìn)線電源（兩路電源分別引自10kV開(kāi)關(guān)站），10kV進(jìn)線電源兼做發(fā)電富裕電能上網(wǎng)線路（一用一備），每路電源承擔(dān)100%負(fù)荷。

10kV母線I段II段各接一臺(tái)廠區(qū)自用10kV/0.4kV變壓器。系統(tǒng)示意圖如下：

沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

四、經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)本系統(tǒng)模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算：

目前發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.65元/kWh（含補(bǔ)貼電價(jià)），公共電力網(wǎng)電價(jià)0.83元/kWh，綜合工程實(shí)際情況，電力按上網(wǎng)電價(jià)0.65元/kWh計(jì)，自用電價(jià)按0.83元/kWh計(jì)。

發(fā)電機(jī)組裝機(jī)功率按2×1.2 MW考慮，參考卡特彼勒發(fā)電機(jī)組設(shè)備資料，發(fā)電功率為1200kW，熱功率為1255kW，日均可發(fā)電量為5.76×104kWh/d，日均可利用余熱量為2.17×105 MJ/d。若自用電按10%計(jì)，剩余電量全部上網(wǎng)，則發(fā)電收益為38477元/d。由此可看出合理利用沼氣資源的同時(shí)也為本工程建設(shè)單位帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

五 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目目前已正式投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)基本與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合，沼氣產(chǎn)生的電能為建設(shè)單位帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)回報(bào)率。本項(xiàng)目對(duì)同類(lèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的借鑒作用，為上海餐飲及填埋沼氣資源再利用提供了一種新的解決方案。目前業(yè)主正在籌劃二期擴(kuò)容。

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（作者單位：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司）

作者簡(jiǎn)介：楊政勃，1987.11.06，男，漢族，山西省河津市，中級(jí)工程師，研究方向：節(jié)能環(huán)保、電氣供配電、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警。