餐廚垃圾處理沼氣發電并網系統設計

摘要：上海市浦東區某有機質餐廚垃圾處理過程伴隨產生大量沼氣，為合理利用資源，減少對環境污染，設計采用沼氣發電上網對資源進行再生利用，并從發電機容量、發電用途、并網電壓等級、并網系統、發電機接入系統等方面分析，提出最優方案。確保沼氣發電并網可靠、穩定運行的同時，也帶來可觀的經濟效益。

關鍵詞：有機質餐廚處理廠；沼氣發電；并網運行

一 項目概況

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程伴隨產生大量沼氣，如能將沼氣變廢為寶，既響應國家節能的政策，也產生可觀的經濟價值。上海市某區餐廚處理廠項目沼氣產生由以下構成：現有餐廚垃圾填埋產生的沼氣（1800 Nm？/h），遠期工程厭氧發酵產生的沼氣（約600Nm？/h）及滲濾液處理產生的沼氣（約500Nm？/h）。為了合理利用沼氣資源，根據當前沼氣資源情況，對比提純天然氣、發電、作為鍋爐燃料三種處理方案，最終設計采用沼氣發電并網，實現能源再生利用。

二 系統分析

根據沼氣發電量及工程特性，設計從發電機容量、發電機組類型、發電用途、并網電壓等級、并網系統、發電接入系統方式等方面進行了分析，并得出適合本項目的最優方案，具體如下：

1、發電機組容量

本工程近期填埋氣利用規模約為1800 Nm3/h，考慮到國內外發電機組的效率差異，單位填埋氣發電量區間為1.5～2.0kWh/Nm3，根據本工程投資情況，按進口發電機組考慮，單位填埋氣發電量取1.85kWh/Nm3，則本工程填埋氣最大理論裝機容量可達3.29MW。本工程遠期處理對象還包括有機質固廢處理廠厭氧發酵產生的的沼氣（600Nm3/h）及滲濾液處理產生的沼氣（500Nm3/h），則遠期最大裝機容量可達4.98MW。

根據沼氣發電機組與沼氣熱值換算公式，計算如下：

其中，P ——全廠總裝機容量，單位為千瓦（KW）（為遠期計算值，近期計算值同理）

k ——裝機容量與發電機效率的綜合比例系數，根據需要取值k=1.08～1.20（本次取值1.1）

V ——每小時最大沼氣產量換算為標準狀況下的體積，單位為立方米每小時，m？/h；（根據工藝提資，取值2445 m3/h）

H ——沼氣的低熱值，單位為千焦每標準立方米，Kj/Nm3；

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

根據近遠期沼氣量不同，設計采用分期配置沼氣發電機組。近期配置2×1.2MW發電機組，遠期增設2臺，共4×1.2MW。有效利用沼氣資源的同時，針對不同階段沼氣量所需要配套的發電機組設備進行了優化。

2、發電機組類型選擇

利用填埋氣作為燃料，或者利用填埋氣燃燒產生的熱煙氣或蒸汽來帶動發電機發電。根據機組處理沼氣方式不同，常用沼氣發電機組可分為燃氣內燃機、燃氣輪機及蒸汽輪機三種。

1）燃氣內燃機利用填埋氣作為燃料，帶動內燃機和發電機發電，適合于發電量為1～4MW的小型填埋氣利用工程。

2）燃氣輪機利用填埋氣燃燒產生的熱煙氣推動渦輪機，渦輪機帶動發電機發電，適合于3～10MW的填埋氣利用工程。

3）蒸汽輪機發電是利用填埋氣作為鍋爐燃料產生蒸汽，蒸汽帶動蒸汽輪機發電，適用于填埋氣產量大的工程，一般發電量在5MW以上。

結合本工程發電容量（2×1.2MW～4×1.2MW），綜合考慮發電效率及投資，設計采用燃氣內燃機組發電機。

經招標，最終確定采用卡特彼勒CG系列燃氣內燃機組發電機，該發電機組滿足就地/遠程控制、具備并網運行功能（在該模式下可自動根據沼氣量調節發電機組出力）、滿足排放標準等要求。其在國外及國內都有很好的工程應用實例。本項目發電機組參數如下：機組型號為CG170-12，單機額定功率為1.2MW，額定電壓10.5kV，平均發電效率為42.1%（較其他進口品牌同功率發電機組高3%），頻率50Hz。

3、發電用途

目前現有沼氣發電的應用用途通常有以下三種：

1）所發電能全部用于并網售電；

2）抵消自用電后并網；

3）獨立自用電。

本工程發電量約為2.4MW（遠期為4.98MW），遠大于廠區內自用設備容量（主要設備為空氣壓縮機、羅茨風機及發電機組等，穩定運行有功功率約為580KW），如獨立自用方式，發電設備大部分時間不能有效利用，需要將填埋氣直接燃燒排放，資源化效率和設備利用率較低，故不采用第三種方式，所發電能主要用于上網。因廠區內發電、鍋爐及火炬設備（主要用于沼氣利用及廢氣處理）有部分自用電，如采用所發電能全部用于并網售電，自用電需從市電再次買進，會增加供電設備的投資，也不符合供電部門綠色能源發電并網相關規定，故采用第二種（抵消自用電后并網）方式。

4、出口電壓等級

發電機組容量不同，出口電壓不同。1.5MW發電機組出口電壓有0.4KV和10.5KV兩種電壓等級。

本工程發電機廠房屬于甲類廠房，變電所為非專用變電所，根據GB50016規定兩者應分開設置，設計距離為20m。如采用出口電壓等級為0.4KV，需增設2臺升壓變壓器（遠期4臺），并增加了低壓電纜投資和土建投資（需要預留升壓變壓器室），此費用遠大于出口電壓等級為10KV發電機組需要增加的投資，發電機組可采用電纜直接引至變電所高壓母排。因此根據本工程特點，采用10KV出口電壓等級。

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%，發電機額定電壓按規定應高于同級電網額定電壓5%，因此本工程采用發電機組出口電壓等級為10.5KV。

另外，根據《上海電網資源綜合利用發電裝置接入系統技術原則》中的規定，總裝容量在400kW～3MW的，可采用10kV接入系統，3MW～10MW的可以采用10kV或者35kV接入系統。本項目本期裝機容量2.4MW，遠期4.8MW，并網可利用10kV接入系統。發電機組側采用10.5KV出口電壓，將與并網電壓等級保持一致，減少了中間變壓設備的投資，并進一步降低了中間電能損耗。

5、并網系統

根據發電機組并網需要滿足的要求，設計從兩個方面進行分析，并優化設計方案。

1）并網回路

本工程內有10KV上海浦東某區域開關站（以下簡稱10KV開關站）一座，考慮本項目重要負荷性、項目初期沼氣發電機組無電能輸出及機組故障等，設計從10KV開關站引2路10KV至所用變高壓母排。因此本工程電能不足時從10KV開關站得電，電能富裕時向10KV開關站送電，但這兩種情況不會并存。

據此，并網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開關站的輸電線路。正常運行情況下，當廠區用電負荷超過發電機組功率時，廠區負荷通過10KV電源線路從電網獲取電能。當發電機組功率超過廠區用電負荷時，發電機組通過10KV電源線路向電網輸出剩余電能。為了方便建設單位管理，所用變進線側設置雙向計量及保護裝置。

2）并網要求

為了使沼氣發電機組安全、穩定的并網，機組電壓、頻率、相位角需與電網一致。本項目中，發電機組與電網并列運行時，默認電網的容量遠遠大于發電機，機組工作狀態的變化不會引起市電的電壓和頻率變化，因此在發電機與市電并列時，可認為市電電壓和頻率是不變的。發電機組以市電指標要求為基準，通過以下方式調節：

① 通過增減勵磁電流來調整發電機組的輸出電壓；

② 通過改變燃氣發電機組的轉速來調整頻率；

③ 通過調節發電機組瞬時速率來滿足相位差。

在滿足并列條件的瞬間， 閉合發電機組的主斷路器使發電機投入供配電系統，完成并網過程。

為了直觀判斷是否滿足并列條件，本工程發電機組配有以下功能：

① 就地/遠程控制；

② 自動/手動兩種方式；

③ 同期控制柜配有電壓差表、兩組同期指示燈和同期表；

④ 自動準同期裝置。

通過以上功能管理人員均可以在中控室及現場控制、檢查、監視發電機組當前狀態。另外，為增加并網系統的可靠性，本項目發電機組以自動同期為主，手動僅作為應急情況下使用。

6、發電接入系統方案

沼氣發電母排接入系統有多種方式，根據發電機數量及后期維修，本項目分別設置發電母排與所用變高壓母排（采用單母線分段型式），提出以下結線方案：

1） 設置1段發電機母排（近期母排掛接2臺沼氣發電機組）；

2） 設置2段發電機母排（近期每段母排掛接1臺沼氣發電機組）

方案示意圖如下：

方案 一 方案 二

沼氣發電機組為本項目重點設備，設備穩定運行后需要按周期進行檢修，檢修期內發電機需要停機，且需要對發電機出線（發電母排段）及發電機進線柜（變電所高壓母排）等進行檢修，為了盡可能避免該時間段內對全廠電能設備及電網造成影響，采用方案二，分開設置2臺發電機母排。2臺沼氣發電機檢修期內互為獨立，且盡量避開檢修期，使得全廠因檢修造成損失將為最低。

三、設計方案

根據沼氣量分期設置沼氣發電機組（近期2×1.2MW，遠期4×1.2MW，設計預留遠期土建位置），發電機組出口電壓均為10.5KV。發電自用，余電上網。

發電機組接入系統分別設置發電母排和配電母排，變電所系統采用單母線分段接線，每段母線通過高壓電纜與一段10kV發電母線段相連，同時，每段母線各接一路10kV電源進線（兩路進線一用一備）作為本項目進線電源（兩路電源分別引自10kV開關站），10kV進線電源兼做發電富裕電能上網線路（一用一備），每路電源承擔100%負荷。

10kV母線I段II段各接一臺廠區自用10kV/0.4kV變壓器。系統示意圖如下：

沼氣發電并網系統示意圖

四、經濟效益

對本系統模型進行經濟效益計算：

目前發電上網電價0.65元/kWh（含補貼電價），公共電力網電價0.83元/kWh，綜合工程實際情況，電力按上網電價0.65元/kWh計，自用電價按0.83元/kWh計。

發電機組裝機功率按2×1.2 MW考慮，參考卡特彼勒發電機組設備資料，發電功率為1200kW，熱功率為1255kW，日均可發電量為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，剩余電量全部上網，則發電收益為38477元/d。由此可看出合理利用沼氣資源的同時也為本工程建設單位帶來可觀的經濟效益。

五 結束語

本項目目前已正式投產運營，運營數據基本與設計數據吻合，沼氣產生的電能為建設單位帶來可觀的經濟回報率。本項目對同類項目的設計帶來一定的借鑒作用，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。目前業主正在籌劃二期擴容。

參考文獻：

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[2] 段麗. 垃圾填埋場沼氣處理及發電技術 [J].云南電力技術，2015，第z2期.

（作者單位：上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司）

作者簡介：楊政勃，1987.11.06，男，漢族，山西省河津市，中級工程師，研究方向：節能環保、電氣供配電、火災自動報警。