朱榮

摘要：

沼氣發(fā)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(wěn)壓、發(fā)電、并網等環(huán)節(jié)進行技術介紹和系統(tǒng)闡述，科學分析應用實例綜合效益，提出推廣沼氣發(fā)電并網技術建議。

關鍵詞：

沼氣;發(fā)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(yǎng)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(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。沼氣發(fā)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(fā)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(fā)電并網工程技術主要將沼氣發(fā)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(fā)電并網工程占所建工程比例明顯偏低，沿海發(fā)達地區(qū)沼氣發(fā)電并網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發(fā)電并網發(fā)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(fā)展國家之一，沼氣工程發(fā)電并網率達到98%[2]。

12國內政策導向

目前畜牧業(yè)是農業(yè)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(yè)[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(yè)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(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》[4]等文件，鼓勵以沼氣發(fā)電并網為主要利用方向，為推廣沼氣發(fā)電并網技術提供廣闊空間。

2沼氣發(fā)電并網系統(tǒng)技術集成

沼氣發(fā)電并網技術主要利用畜禽場養(yǎng)殖有機廢棄物，經厭氧發(fā)酵處理產生沼氣，驅動沼氣發(fā)電機組發(fā)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(fā)電以及并網控制技術等。沼氣發(fā)電并網系統(tǒng)主要由沼氣儲氣裝置、脫水脫硫設備[5]、穩(wěn)壓阻火裝置、沼氣發(fā)動機、交流發(fā)電機、余熱回收裝置、配電系統(tǒng)、并網輸電控制系統(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(fā)電效率，對發(fā)電機組也有負面影響，嚴重時能引發(fā)爆缸爆震，縮短發(fā)電機使用壽命，沼氣發(fā)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(yōu)化結構圓筒內形成多種旋轉流態(tài)，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(fā)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(fā)電機組壽命縮短，需要進行脫硫處理[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(fā)電系統(tǒng)

221沼氣穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓分離罐內壓力穩(wěn)定，滿足沼氣發(fā)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(fā)生爆炸，從而保證系統(tǒng)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(fā)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(fā)電機系統(tǒng)

沼氣發(fā)電機系統(tǒng)主要由沼氣內燃機、交流發(fā)電機、余熱回收裝置等組成。沼氣內燃機選用單燃料發(fā)動機，加強進氣系統(tǒng)和調速系統(tǒng)控制[7]，調節(jié)空燃比和混合氣體進氣量，同時在沼氣發(fā)動機上安裝轉速控制器、轉速傳感器、電磁執(zhí)行器等調速系統(tǒng)，確保交流發(fā)電機正常發(fā)電，實現沼氣發(fā)電與并網同步控制。余熱回收裝置對發(fā)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(fā)電并網系統(tǒng)

沼氣發(fā)電并網系統(tǒng)在實現沼氣發(fā)電滿足養(yǎng)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)發(fā)電機組輸出電壓、改變內燃機轉速調節(jié)頻率、調節(jié)發(fā)電機組瞬時速率滿足相位差來實現，整個系統(tǒng)自動化程度較高，對先進技術依賴性較強。

3沼氣發(fā)電并網改造工程實例

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(fā)電機組增容至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(fā)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(jié)與市政電網完全同期一致，偏差值在規(guī)定范圍內，自動化程度高，運行安全穩(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(fā)電余電浪費現象，節(jié)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(tài)環(huán)境效益。

4結束語

沼氣發(fā)電并網技術符合當前技術研究和推廣發(fā)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(huán)境效益。沼氣發(fā)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

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[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）