基于沼氣工程的分布式供能技術(shù)與模式

周 闖，劉 偉，王 欣，李 明

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027；2.黑龍江省中晟恒邦科技開發(fā)有限公司，哈爾濱 150028)

黑龍江省農(nóng)業(yè)十分發(fā)達，發(fā)達農(nóng)業(yè)的背后產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，秸稈每年超過1億噸，糞污每年超過3億噸，嚴(yán)重污染環(huán)境[1-4]。沼氣發(fā)酵作為處理這些有機廢棄物的有效技術(shù)在我國已廣泛應(yīng)用。沼氣的利用形式包括沼氣發(fā)電并網(wǎng)、提純車用天然氣、民用燃氣供暖及炊事等[5-7]。但是，由于我國北方農(nóng)村地區(qū)村與村之間距離較遠且較為分散，很難以鋪設(shè)燃氣管網(wǎng)的形式進行農(nóng)村供氣的全覆蓋[8-10]。結(jié)合多年經(jīng)驗，提出了基于沼氣工程的分布式沼氣供能供氣模式，這是實現(xiàn)長距離、較分散的廣大農(nóng)村地區(qū)用能用氣的有效方式。

1 分布式供能供氣模式設(shè)計

我國農(nóng)村地區(qū)村落分布一般較分散，傳統(tǒng)形式是以沼氣工程為中心，通過燃氣管道向周圍村落進行燃氣供應(yīng)，很難實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)的全范圍覆蓋，且隨著傳輸距離的增長，建造成本也愈加昂貴[11-12]。設(shè)計了基于沼氣工程的分布式供能供氣模式，以“移動氣站”形式進行能源傳輸，將自然村落作為能源考量和應(yīng)用的基本單元，摒棄了傳統(tǒng)以沼氣工程為中心的大面積集中供能的設(shè)計和評價方法，克服了北方地區(qū)村落分布散、輸送距離長引起的集中供能難度大、成本高等問題，適宜于北方農(nóng)村地區(qū)清潔用能的可持續(xù)發(fā)展[13-14]。

基于沼氣工程的分布式供能供氣模式的基本內(nèi)容，是以分散的自然村為單位，建立村基站，進行能源供應(yīng)。基站氣源來自沼氣工程生產(chǎn)的沼氣，經(jīng)過壓縮灌裝至氣瓶后運輸至村基站。基站內(nèi)設(shè)有供能供氣的集成設(shè)備，為該村農(nóng)戶提供集中采暖及炊事供氣。該模式具體運行流程如圖1所示。

圖1 基于沼氣工程的分布式供能供氣模式運行流程示意圖

2 氣熱聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計

北方地區(qū)村鎮(zhèn)級沼氣型氣熱聯(lián)供系統(tǒng)的組成如圖2所示。主要由沼氣鍋爐及其水處理子系統(tǒng)、集成調(diào)壓及其供氣站子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用集中式供熱及供氣設(shè)計，能夠提高熱能利用效率，降低污染物的排放。

圖2 氣熱聯(lián)供系統(tǒng)組成圖

2.1 氣熱聯(lián)供系統(tǒng)工藝設(shè)計

圖3是氣熱聯(lián)供系統(tǒng)的工藝設(shè)計圖。系統(tǒng)主要是由村基站、移動式供氣集成設(shè)備、氣站、用戶端供氣調(diào)壓箱等部分組成。基站主廠房內(nèi)主要設(shè)計有控制室、鍋爐間、水處理間、發(fā)電機間和值班室。氣站設(shè)置于距離基站35 m處，保持足夠的防火安全距離，主要用于氣瓶組的裝卸、存放及連接。供氣集成設(shè)備采用移動式撬裝設(shè)計，設(shè)置于氣站旁，露天放置，用于將氣瓶中的高壓沼氣調(diào)至燃燒設(shè)備適宜的壓力，由于末端用戶距離氣站較遠，在用戶端設(shè)計有供氣調(diào)壓箱，保證穩(wěn)定的炊事供氣壓力。

圖3 氣熱聯(lián)供系統(tǒng)工藝圖

2.2 移動式供氣集成設(shè)備設(shè)計

目前，國內(nèi)缺少針對沼氣的調(diào)壓集成設(shè)備，現(xiàn)有調(diào)壓設(shè)備多針對于天然氣設(shè)計，沼氣調(diào)壓設(shè)備并不多見[15-17]，因此設(shè)計的供氣集成設(shè)備中有沼氣脫硫裝置，有利于增加后端燃氣管路及燃燒設(shè)備的使用壽命。設(shè)備整體采用移動式撬裝設(shè)計，不需要單獨建造設(shè)備廠房。配有快速連接接頭，用戶能夠根據(jù)實際使用需求將設(shè)備拉運至使用場地，即插即用。供氣集成設(shè)備工藝設(shè)計如圖4所示。

圖4 供氣集成設(shè)備工藝圖

移動式供氣集成設(shè)備的作用是將氣瓶內(nèi)20 MPa高壓沼氣安全地調(diào)至鍋爐及用戶炊事燃氣灶適用的2～6 kPa的目標(biāo)壓力。氣瓶組由多個氣瓶并聯(lián)匯流至一條總管進入供氣集成設(shè)備。供氣集成設(shè)備內(nèi)設(shè)有三級調(diào)壓裝置，能夠得到更平穩(wěn)的供氣壓力，適應(yīng)不同燃氣設(shè)備的壓力需求。其中，一級調(diào)壓器是將壓力從20 MPa調(diào)至2～4 MPa，二級調(diào)壓器是將壓力從2～4 MPa調(diào)至0.2～0.4 MPa，三級調(diào)壓器是將壓力從0.2～0.4 MPa調(diào)至2～6 kPa。管路中的重要壓力節(jié)點均設(shè)有安全閥，當(dāng)壓力傳感器檢測到節(jié)點處壓力大于限值時，安全閥泄壓后匯流至火炬燃燒，防止泄放造成的大氣污染。高壓氣體在壓力釋放過程中會吸收大量的熱，對元器件造成破壞。本工藝中設(shè)計有二次復(fù)加熱裝置，能夠有效補充氣體壓力釋放過程中吸收的熱量。

由于末端農(nóng)戶距離氣站較遠，炊事供氣管路較長，為保證足夠的供氣壓力，使用二級調(diào)壓出氣口(0.2～0.4 MPa)進行供氣。入戶前裝設(shè)供氣調(diào)壓箱，再將壓力調(diào)至合適的炊事壓力(2～4 kPa)。沼氣鍋爐和沼氣發(fā)電機使用三級調(diào)壓出氣口(2～6 kPa)直接供氣。

2.3 沼氣鍋爐供熱設(shè)備設(shè)計

根據(jù)示范村的采暖總面積及房屋維護結(jié)構(gòu)信息，進行供熱量核算。鍋爐設(shè)計功率為700 kW，采用常壓供熱設(shè)計，鍋爐的基本設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

沼氣鍋爐系統(tǒng)由鍋爐本體、沼氣燃燒器、自控系統(tǒng)及鍋爐輔機等組成，如圖5所示。其中，輔機部分包括軟水器、補水箱、除污器、分集水器、煙囪等。軟水器設(shè)計為1 t/h流量。補水箱采用鋼制，容積1 m3。循環(huán)泵2套，一用一備。循環(huán)水流量24 m3/h，揚程32 m。設(shè)置除污器，清除和過濾管道中的雜質(zhì)和污垢，保持系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)潔凈，防止管道堵塞。根據(jù)示范村房屋排列情況，設(shè)計分水器供水管路2條，集水器回水管路2條。

圖5 鍋爐供熱系統(tǒng)工藝圖

如圖6所示，鍋爐本體采用濕背式三回程結(jié)構(gòu)設(shè)計。該結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效降低爐膽出口的高溫?zé)煔鈱責(zé)熓业妮椛錄_刷，解決鍋爐尾部過熱等問題[18-19]。另外，采用連續(xù)波紋爐膽、螺紋煙管等結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效緩解熱膨脹造成的損傷，增大受熱面積，保證鍋爐熱效率達到93%以上。

圖6 濕背式三回程換熱設(shè)計示意圖

3 村基站自控系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計了基于西門子PLC的硬件控制執(zhí)行系統(tǒng)，包括CPU模塊S7-200SMART、模擬輸入輸出模塊EMAE06、數(shù)字量輸入輸出模塊SBDT04等。按照系統(tǒng)工藝流程搭建了基于WINCC組態(tài)軟件的人機交互監(jiān)控系統(tǒng)，如圖7所示。包括主控界面、供暖系統(tǒng)界面、供氣系統(tǒng)界面、無線通信界面、參數(shù)設(shè)定界面、實時趨勢曲線畫面等，能夠?qū)崟r采集并顯示村基站全部設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的全過程自適應(yīng)運行。

圖7 村基站自控系統(tǒng)人機交互界面

4 結(jié)論

設(shè)計的分布式供能供氣模式，能夠解決北方地區(qū)村鎮(zhèn)分布散、輸送距離長引起的集中供能難度大、成本高等問題，增加了系統(tǒng)的靈動性，是實現(xiàn)長距離、較分散的廣大農(nóng)村地區(qū)用能用氣的有效方式。

介紹了氣熱聯(lián)供系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及集成供氣設(shè)備與供熱鍋爐設(shè)備的基本組成和功能原理，繪制了工藝設(shè)計圖，為我國北方農(nóng)村地區(qū)的清潔供能提供了很好的建設(shè)方案。