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沼气发电并网系统技术集成及运用实例

来源:原创论文网 添加时间:2020-06-30

  摘    要: 沼气发电并网技术是目前畜禽场沼气工程利用沼气较为先进、高效、成熟的工程技术。本文在分析国内外沼气利用现状和国内政策导向的基础上,对沼气储存、脱水、脱硫、稳压、发电、并网等环节进行技术介绍和系统阐述,科学分析应用实例综合效益,提出推广沼气发电并网技术建议。

  关键词: 沼气; 发电; 并网; 技术; 应用;

  引言

  近10a来,国家加强畜禽养殖粪污治理,全国建成各类型沼气工程达到11万余处,沼气工程总池容达到2100万m3,年产沼气24.68亿m3[1],在养殖粪污无害化、肥料化处理方面取得较好成效。沼气工程通过对沼气收集利用,减少大气中甲烷排放量,在温室气体减排方面也有较大贡献。沼气发电并网技术作为先进成熟技术,既能有效利用沼气,又能通过发电并网增加经济效益,具有较好推广应用前景。

  1、 技术研究应用背景

  1.1、 国内外应用现状

  畜禽场沼气发电并网工程技术主要将沼气发电自用,余电并网,余热进行综合利用,小而灵活,安全系数高,建设性价比高。但目前沼气发电并网工程占所建工程比例明显偏低,沿海发达地区沼气发电并网推广率在同类别沼气工程中占比15%~35%,中西部地区仍有空白。而国外利用沼气生物质发电并网发展迅猛,美国能源农场、日本阳光工程、荷兰绿色能源相继出现,德国是目前世界上沼气工程高度发展国家之一,沼气工程发电并网率达到98%[2]。

  1.2、 国内政策导向

  目前畜牧业是农业领域第一大甲烷排放源,人类活动产生温室气体中,有15%左右来自畜牧业[3]。数据表明,同体积甲烷温室效应约为二氧化碳7倍。我国畜禽粪便管理温室气体排放量占农业源温室排放总量的比例逐年提高,2014年占比达到17.7%。为了提升畜禽粪便管理温室气体排放比例,我国相继出台《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》[4]等文件,鼓励以沼气发电并网为主要利用方向,为推广沼气发电并网技术提供广阔空间。
 

沼气发电并网系统技术集成及运用实例
 

  2、 沼气发电并网系统技术集成

  沼气发电并网技术主要利用畜禽场养殖有机废弃物,经厌氧发酵处理产生沼气,驱动沼气发电机组发电自用,余电作为商品并入国家电网,其技术集成了沼气净化储存、发电以及并网控制技术等。沼气发电并网系统主要由沼气储气装置、脱水脱硫设备[5]、稳压阻火装置、沼气发动机、交流发电机、余热回收装置、配电系统、并网输电控制系统等部分组成。

  2.1、 沼气净化储存系统

  2.1.1、 沼气储气装置

  沼气储气装置分为干式和湿式2种。中小型沼气工程选用湿式储气装置,采用浮罩式储气柜,工作压力2.5~4kPa,利用水封密封沼气,分为内外2部分,外部为储水池,内部为钟罩,结构简单加工方便,造价相对便宜。大型沼气工程一般选用双膜气柜,主体由特殊加工PVC/PVDF聚酯材质制成,柜体由外膜、内膜、底膜及附属设备组成,外膜起保护作用,内膜用于储气,底膜用于隔开基础和内外膜,运行压力0.5~5kPa,具有储气量大、维护费用低、安装快捷,使用寿命长等特点。

  2.1.2、 沼气脱水装置

  沼气中水分能降低沼气热值和沼气发电效率,对发电机组也有负面影响,严重时能引发爆缸爆震,缩短发电机使用寿命,沼气发电之前需对沼气进行脱水。由于采用干式脱硫净化沼气,应将脱水设置在脱硫工艺之前。脱水是利用旋风分离技术实现气水罐内分离,类似于滚筒洗衣机脱水原理,将沼气在优化结构圆筒内形成多种旋转流态,让沼气中含水雾沫在扩散和重力基础上逐渐形成较大水滴,逐渐从气体中分离出来,冷凝水采用虹吸自动排除,脱水率达到95%以上。

  2.1.3、 沼气脱硫装置

  沼气主要化学成分为甲烷和二氧化碳,还含有氮气、氢气、氨气和硫化氢气体。其中硫化氢对发动机有强腐蚀作用,燃烧会产生二氧化硫,腐蚀性更强,特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重,会使发电机组寿命缩短,需要进行脱硫处理[6]。基本上采用氧化铁法干式脱硫工艺,主要包括不锈钢外壳、装有氧化铁的反应器和空气供应单元。干式氧化铁法工艺简单,脱硫剂来源广泛,脱硫效果和经济性均较好,脱硫效率达到90%以上,比较适用于低含硫量沼气,使用较为普遍。

  2.2、 沼气发电系统

  2.2.1、 沼气稳压装置

  沼气内燃机对压力要求为一般不小于0.2MPa,而沼气管路压力不大于5kPa,为满足内燃机工作压力需要,需设置罗茨风机对管路沼气进行增压稳压。根据缓冲罐内沼气压力的大小自动启动或停止,低于设定值时自动启动,高于设定值时风机自动停止运行,确保储气稳压分离罐内压力稳定,满足沼气发动机运行要求。

  2.2.2、 沼气阻火装置

  沼气阻火技术主要是防止在非正常情况下火焰于管道内逆向传播,以避免回火引起沼气管路发生爆炸,从而保证系统安全。在沼气供应管路上安置防回火与防爆装置,工作压力在1~4MPa,利用金属波纹盘之间狭缝间隙,通过扩大细小火焰和通道壁接触面积,发挥传热作用和器壁效应,使火焰温度降至着火点以下,使管道中传播的亚音速或超音速火焰淬熄,从而阻止火焰蔓延。

  2.3、 沼气发电机系统

  沼气发电机系统主要由沼气内燃机、交流发电机、余热回收装置等组成。沼气内燃机选用单燃料发动机,加强进气系统和调速系统控制[7],调节空燃比和混合气体进气量,同时在沼气发动机上安装转速控制器、转速传感器、电磁执行器等调速系统,确保交流发电机正常发电,实现沼气发电与并网同步控制。余热回收装置对发动机冷却水和排气中热量进行利用,一般选用余热利用锅炉,提升沼气热电综合利用效率。

  2.4、 沼气发电并网系统

  沼气发电并网系统在实现沼气发电满足养殖场日常用电的同时,余电自动并入低压或高压电网,高压一般由低压经变压器升压完成。电气控系统一般分为手、自动2种,以自动控制为主,手动只在应急情况下使用。电气系统自动控制步骤先确认母排电压,后完成机组电压、频率、相位角与并网同步运行[8]。母排电压是利用控制器自动识别确认,若母排没有电压,机组立即合闸对负载供电;若母排有电压,将会自动找到同步后合闸。同步主要通过增减励磁电流调节发电机组输出电压、改变内燃机转速调节频率、调节发电机组瞬时速率满足相位差来实现,整个系统自动化程度较高,对先进技术依赖性较强。

  3、 沼气发电并网改造工程实例

  以常年存栏生猪2500头养殖场沼气工程为例,已建有600m3沼气发酵工程,配备沼气发电机组50kW,附属建有150m3储气柜,3000m3上下覆膜式沼液储存池。在对该场进行技术改造后,共计花费32万元,主要用于将沼气发电机组增容至120kW,配套沼气脱水、脱硫、增压稳压以及余热利用设备,新建200kVA变压器及高压线路;配套建设出线柜、总柜、电容柜、计量柜、并网柜及附属用房。沼气发电通过0.38kV低压电力输出,余电经变压器升压至10kVA市政电网,电力输出频率、周期、相位、相序等参数自动调节与市政电网完全同期一致,偏差值在规定范围内,自动化程度高,运行安全稳定可靠,无需投入额外人力成本。改造后,养殖场年平均每天发电8h,考虑折损,每年沼气发电总量34.56万k W·h,余电上网按60%计算,约17.28万kW·h,按照目前核准电价0.65元/kW·h计算,余电并网产生直接经济为11.23万元,2.8a收回改造成本,且长期受益15a以上。通过技术改造,可杜绝以往沼气发电余电浪费现象,节约标煤电力消耗[9],每年可替代69.8t标准煤,每年减少二氧化碳气体排放174t,具有良好生态环境效益。

  4、 结束语

  沼气发电并网技术符合当前技术研究和推广发展趋势,具有先进性和成熟度,拥有政策和财政资金支持,能产生良好经济效益和环境效益。沼气发电中电能转化率35%,热能转化率40%,目前沼气余热利用形式单一,利用效率不高,亟需推广普及回收热能利用设备。

  参考文献

  [1] 朱桂英.畜禽养殖场大中型沼气工程综合评价研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2015.
  [2] 王淑宝,张国栋,曹曼.欧洲大型沼气工程技术国产化方法探讨[J].中国沼气,2009,27(02):42-44.
  [3] 刘德江.沼气工程与利用技术[M].北京:中国农业大学出版社,2008.
  [4] 于海滨.畜禽养殖业沼气发电前景广阔[J].农业工程学报,2006(10):58-61.
  [5] 林玉礼.城市生活垃圾填埋场沼气发电技术的探讨[J].环境与发展,2018,30(05):103,105.
  [6] 刘显明,李和平,贠小银,等.沼气发电技术工艺及余热利用技术[J].华电技术,2009,31(02):74-78..
  [7] 袁兆成.内燃机设计[M].北京:机械工业出版社,2008.
  [8] 谭旭娜.城市固体废弃物沼气发电系统设计[D].广州:华南理工大学,2013.
  [9] 林永锋.低碳能源革命刻不容缓[N].中国能源报,2009-11-16(09).

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