張窩羊， 俞國燕*， 鄭 勇， 王金麗， 陳 程

(1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江 524088；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東湛江 524091)

沼氣工程集中供氣系統(tǒng)的綜述

張窩羊1， 俞國燕1*， 鄭 勇2， 王金麗2， 陳 程1

(1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江 524088；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東湛江 524091)

摘要在介紹沼氣工程集中供氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從供氣模式、自動控制以及輸配系統(tǒng)3個方面分析了沼氣集中供氣系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對所面臨的問題進行了總結(jié)，最后對其發(fā)展趨勢作了預(yù)測。

關(guān)鍵詞沼氣工程；供氣模式，集中供氣，發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代社會對清潔、方便能源的需求越來越大，對環(huán)境的要求越來越高?；诩猩a(chǎn)和統(tǒng)一供給的沼氣工程將會逐步替代傳統(tǒng)的戶用小沼氣，成為新形勢下的新農(nóng)村能源產(chǎn)業(yè)[1-3]。該文從集中供氣模式的內(nèi)涵、系統(tǒng)的自動控制以及輸配系統(tǒng)3方面對沼氣集中供氣系統(tǒng)進行了闡述。

1沼氣工程集中供氣系統(tǒng)

1.1沼氣工程集中供氣系統(tǒng)概況

1.1.1供氣模式。沼氣工程集中供氣模式就是相對集中的沼氣用戶共用一個或多個沼氣發(fā)酵裝置。供氣模式主要有3種，即沼氣發(fā)酵裝置并聯(lián)、串聯(lián)和串并聯(lián)混合供氣模式。

(1)沼氣發(fā)酵裝置并聯(lián)供氣模式。該模式適用于沼氣發(fā)酵裝置建在一起的沼氣用戶，便于統(tǒng)一管理，對于沼氣發(fā)酵裝置大小或原料不同的沼氣發(fā)酵裝置，可以采取不同的脫水、脫硫以及儲氣裝置等。

(2)沼氣發(fā)酵裝置串聯(lián)供氣模式。該模式就是將各沼氣發(fā)酵裝置串聯(lián)起來，不僅可以根據(jù)合適的場地在不同地方放置或建設(shè)沼氣發(fā)酵裝置，也能滿足不同管路上的沼氣消耗量供應(yīng)。

(3)沼氣裝置串并聯(lián)混合供氣模式。該模式可以結(jié)合實際情況，比如地形、原料供給方便程度等，將不同的沼氣發(fā)酵裝置通過串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)合在一起，來實現(xiàn)集中供氣。

1.1.2集中供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。沼氣工程集中供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，可分成沼氣的生產(chǎn)、儲存、輸送3個環(huán)節(jié)。

(1)沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)。只有氣源穩(wěn)定，才能保證供氣的穩(wěn)定性，因而做好沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作，是建設(shè)集中供氣式沼氣工程的首要條件。此環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵的是沼氣生產(chǎn)工藝技術(shù)及其發(fā)酵裝置的設(shè)計，設(shè)計基本原則是盡可能利用有限的原料生產(chǎn)出足夠多的沼氣。厭氧干式發(fā)酵技術(shù)是目前最為廣泛使用的沼氣生產(chǎn)技術(shù)。

(2)沼氣儲存環(huán)節(jié)。沼氣用戶的用氣情況具有季、月、日以及小時的不均勻性，而發(fā)酵裝置的產(chǎn)氣量基本上是一個常數(shù)，產(chǎn)氣不可能完全隨沼氣用戶用氣量的變化而變化。為了解決沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣連續(xù)性和用戶用氣的不均勻性之間的矛盾，應(yīng)該在經(jīng)濟、供氣安全性以及生產(chǎn)可行性條件下考慮生產(chǎn)與使用的平衡問題。解決途徑主要有：

①改變發(fā)酵裝置的生產(chǎn)能力；

②利用緩沖用戶和發(fā)揮調(diào)度的作用；

③設(shè)立儲氣裝置。

其中建設(shè)一定規(guī)模的儲氣設(shè)施，在發(fā)酵裝置產(chǎn)氣量大于用戶用氣量時，將多余的氣體儲存起來，是保證供氣連續(xù)性，解決產(chǎn)氣與用氣不均矛盾的最有效方法之一。高壓干式儲氣柜、低壓干式儲氣柜以及低壓濕式儲氣柜是目前沼氣工程最常用的儲氣裝置(表1)。

表1　儲氣柜的種類及特點

(3)沼氣輸送利用環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)是把產(chǎn)生的沼氣安全地、合理地輸送到用戶家中。其設(shè)計內(nèi)容包括沼氣凈化(脫硫、脫水)、沼氣利用、其他配套設(shè)施等。其中輸氣官網(wǎng)的敷設(shè)以及其他設(shè)備的選型，在沼氣工程集中供氣系統(tǒng)當(dāng)中具有重要地位，是沼氣工程集中供氣系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中最重要、復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的成功與否。

1.2集中供氣式沼氣工程自動控制近年來，與沼氣工程相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備、工藝技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)等方面的發(fā)展越來越成熟，少數(shù)大型沼氣工程已經(jīng)提高了其自動化程度，但其設(shè)計基本上參照國外先進技術(shù)和經(jīng)驗，或是沿用成套引進國外的發(fā)酵工藝、設(shè)備、監(jiān)測儀表和控制系統(tǒng)等，而國內(nèi)在沼氣工程師自動控制方面仍處于起步階段。具體表現(xiàn)在為，相關(guān)的數(shù)據(jù)檢測基本上為離線檢測、pH值的測試、沼氣成分的測試等基本是先取樣后測量，然后再根據(jù)測定結(jié)果調(diào)整設(shè)備。這種非連續(xù)檢測方式，既無法實現(xiàn)對環(huán)境的實時動態(tài)監(jiān)測，又易受人為因素影響，從而使測量結(jié)果存在較大誤差，導(dǎo)致設(shè)備運行狀態(tài)不能及時根據(jù)實際環(huán)境進行快速準(zhǔn)確地調(diào)整，影響了發(fā)酵情況。針對這種情況對當(dāng)前國內(nèi)的沼氣工程自動控制進行了分類分析(表2)。

表2　沼氣工程3種控制方式的優(yōu)缺點

表2可知，沼氣工程分3種控制，即手動、半自動和自動控制。手動控制系統(tǒng)簡單易實現(xiàn)，自動控制一次性投入成本高，系統(tǒng)復(fù)雜需專業(yè)人員操作，但效果好，是今后的發(fā)展方向。

1.3集中烘氣式沼氣工程輸配系統(tǒng)沼氣輸配系統(tǒng)是指從發(fā)酵裝置沼氣出口開始至沼氣炤止的整個系統(tǒng)，主要由中低壓沼氣管網(wǎng)、調(diào)壓裝置、監(jiān)控室以及儲氣裝置等組成。

雖然沼氣輸配系統(tǒng)是沼氣工程集中供氣系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中最重要、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，對輸配系統(tǒng)的設(shè)計與安裝的重視程度，卻遠遠不如沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)的建設(shè)和產(chǎn)氣率的提高。使得許多沼氣工程存在著產(chǎn)氣，用戶卻用不上氣的情況。嚴(yán)重影響了沼氣效益的發(fā)揮與沼氣工程的推廣應(yīng)用。

據(jù)調(diào)查，由于輸氣管道設(shè)計的不科學(xué)以及管道敷設(shè)的不合理，導(dǎo)致沼氣不能正常使用的情況較普遍。具體表現(xiàn)為：管徑選擇過大，浪費材料；管徑選擇過小，造成壓力損失過大，沼氣流通不暢；管道安裝坡度不科學(xué)，造成低處積水，甚至發(fā)生堵塞；管道布線長而且彎頭過多，致使壓力降過大等。

1.3.1供氣方式的選擇。沼氣工程供氣方式有低壓、中壓、高壓、中低壓等多種方式，如表3。在實際供氣時，需要根據(jù)實際情況選擇供氣方式，在對經(jīng)濟技術(shù)條件加以比較后確定。需要考慮的因素有[11]：①供氣區(qū)域范圍；②管道敷設(shè)地的環(huán)境狀況；③使用成本控制；④供氣量的大小。

表3　沼氣管道設(shè)計壓力情況[11]

1.3.2管材的選擇。為了達到使用壽命長、運行和建設(shè)成本低、施工和維護方便的效果，在選擇輸送沼氣的管材時，應(yīng)保證其具有良好的抗腐蝕性、足夠的機械強度以及抗震性等。當(dāng)前常用的管材有塑料、鑄鐵和鋼，其主要特點如表4所示。

表4　管材優(yōu)缺點及其適用情況

1.3.3輸氣管道設(shè)計。

第一步，明確已知條件。確定輸氣管、集氣管等各管道的實際長度；沼氣用戶的小時用氣量以及沼氣用具的額定壓力；系統(tǒng)中各個儀表、管道附件等安裝位置以及壓力降等參數(shù)。

第二步，按小時最大流量計算干管、支管的計算流量。確定儲氣柜到到沼氣用具的總壓力降，并分配總壓力降知各段管道。具體可參考表5相關(guān)參數(shù)。

表5　沼氣管道壓力分配[11]　MPa

第三步， 根據(jù)沼氣技術(shù)規(guī)范里面的相關(guān)公式計算各段輸氣管的管徑。

2總結(jié)

盡管國內(nèi)外目前對沼氣工程相關(guān)技術(shù)已經(jīng)進行了大量的研究，并取得了不少成果，但針對沼氣工程集中供氣系統(tǒng)這一特定模式的研究仍比較少，相關(guān)研究主要圍繞沼氣發(fā)酵工藝及其裝置展開，其輸氣管道的選擇缺少科學(xué)計算與理論依據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計也無統(tǒng)一規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要對沼氣工程集中供氣系統(tǒng)進行進一步的研究，以推動沼氣工程這一清潔能源的推廣應(yīng)用。

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中圖分類號S216.4

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)30-344-03

基金項目中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院院平臺專項 “沼氣發(fā)電與集中供氣遠程監(jiān)控及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究” (1630062014022)；2014年廣東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目。

作者簡介張窩羊(1987- )，男，河南漯河人，碩士研究生，研究方向：機械制造及其自動化以及加工設(shè)備自動化。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事先進制造技術(shù)和智能算法研究。

收稿日期2015-09-14

TheReviewoftheBiogasEngineeringGasSupplySystem

ZHANGWo-yang1, YU Guo-yan1*,ZHENGYong2et al (1.SchoolofEngineering,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang,Guangdong524088; 2.AgriculturalMachineryInstitute,ChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences,Zhanjiang,Guangdong524091)

AbstractBased on introducing the biogas engineering gas supply system, the current development situation of methane gas supply system was analyzed from three aspects of gas supply mode, automatic control and distribution system, then the existing problems were summarized, and finally the development trend was forecasted.

Key wordsBiogas engineering; Gas supply mode; Gas supply; The development trend