摘要：上海市浦東區(qū)某有機質(zhì)餐廚垃圾處理過程伴隨產(chǎn)生大量沼氣，為合理利用資源，減少對環(huán)境污染，設(shè)計采用沼氣發(fā)電上網(wǎng)對資源進行再生利用，并從發(fā)電機容量、發(fā)電用途、并網(wǎng)電壓等級、并網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)電機接入系統(tǒng)等方面分析，提出最優(yōu)方案。確保沼氣發(fā)電并網(wǎng)可靠、穩(wěn)定運行的同時，也帶來可觀的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：有機質(zhì)餐廚處理廠；沼氣發(fā)電；并網(wǎng)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(chǎn)生大量沼氣，如能將沼氣變廢為寶，既響應(yīng)國家節(jié)能的政策，也產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟價值。上海市某區(qū)餐廚處理廠項目沼氣產(chǎn)生由以下構(gòu)成：現(xiàn)有餐廚垃圾填埋產(chǎn)生的沼氣（1800 Nm？/h），遠期工程厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣（約600Nm？/h）及滲濾液處理產(chǎn)生的沼氣（約500Nm？/h）。為了合理利用沼氣資源，根據(jù)當前沼氣資源情況，對比提純天然氣、發(fā)電、作為鍋爐燃料三種處理方案，最終設(shè)計采用沼氣發(fā)電并網(wǎng)，實現(xiàn)能源再生利用。

二 系統(tǒng)分析

根據(jù)沼氣發(fā)電量及工程特性，設(shè)計從發(fā)電機容量、發(fā)電機組類型、發(fā)電用途、并網(wǎng)電壓等級、并網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)電接入系統(tǒng)方式等方面進行了分析，并得出適合本項目的最優(yōu)方案，具體如下：

1、發(fā)電機組容量

本工程近期填埋氣利用規(guī)模約為1800 Nm3/h，考慮到國內(nèi)外發(fā)電機組的效率差異，單位填埋氣發(fā)電量區(qū)間為1.5～2.0kWh/Nm3，根據(jù)本工程投資情況，按進口發(fā)電機組考慮，單位填埋氣發(fā)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(zhì)固廢處理廠厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的的沼氣（600Nm3/h）及滲濾液處理產(chǎn)生的沼氣（500Nm3/h），則遠期最大裝機容量可達4.98MW。

根據(jù)沼氣發(fā)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(fā)電機效率的綜合比例系數(shù)，根據(jù)需要取值k=1.08～1.20（本次取值1.1）

V ——每小時最大沼氣產(chǎn)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(jù)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(fā)電機組熱消耗率，單位為千焦每千瓦時，Kj/（k·Wh）。（按進口發(fā)電機組考慮，H/G取值1.85kWh/Nm3）

根據(jù)近遠期沼氣量不同，設(shè)計采用分期配置沼氣發(fā)電機組。近期配置2×1.2MW發(fā)電機組，遠期增設(shè)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(fā)電機組設(shè)備進行了優(yōu)化。

2、發(fā)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(chǎn)生的熱煙氣或蒸汽來帶動發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)機組處理沼氣方式不同，常用沼氣發(fā)電機組可分為燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機及蒸汽輪機三種。

1）燃氣內(nèi)燃機利用填埋氣作為燃料，帶動內(nèi)燃機和發(fā)電機發(fā)電，適合于發(fā)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(chǎn)生的熱煙氣推動渦輪機，渦輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，適合于3～10MW的填埋氣利用工程。

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

結(jié)合本工程發(fā)電容量（2×1.2MW～4×1.2MW），綜合考慮發(fā)電效率及投資，設(shè)計采用燃氣內(nèi)燃機組發(fā)電機。

經(jīng)招標，最終確定采用卡特彼勒CG系列燃氣內(nèi)燃機組發(fā)電機，該發(fā)電機組滿足就地/遠程控制、具備并網(wǎng)運行功能（在該模式下可自動根據(jù)沼氣量調(diào)節(jié)發(fā)電機組出力）、滿足排放標準等要求。其在國外及國內(nèi)都有很好的工程應(yīng)用實例。本項目發(fā)電機組參數(shù)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(fā)電效率為42.1%（較其他進口品牌同功率發(fā)電機組高3%），頻率50Hz。

3、發(fā)電用途

目前現(xiàn)有沼氣發(fā)電的應(yīng)用用途通常有以下三種：

1）所發(fā)電能全部用于并網(wǎng)售電；

2）抵消自用電后并網(wǎng)；

3）獨立自用電。

本工程發(fā)電量約為2.4MW（遠期為4.98MW），遠大于廠區(qū)內(nèi)自用設(shè)備容量（主要設(shè)備為空氣壓縮機、羅茨風機及發(fā)電機組等，穩(wěn)定運行有功功率約為580KW），如獨立自用方式，發(fā)電設(shè)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(shè)備利用率較低，故不采用第三種方式，所發(fā)電能主要用于上網(wǎng)。因廠區(qū)內(nèi)發(fā)電、鍋爐及火炬設(shè)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(fā)電能全部用于并網(wǎng)售電，自用電需從市電再次買進，會增加供電設(shè)備的投資，也不符合供電部門綠色能源發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，故采用第二種（抵消自用電后并網(wǎng)）方式。

4、出口電壓等級

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

本工程發(fā)電機廠房屬于甲類廠房，變電所為非專用變電所，根據(jù)GB50016規(guī)定兩者應(yīng)分開設(shè)置，設(shè)計距離為20m。如采用出口電壓等級為0.4KV，需增設(shè)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(yù)留升壓變壓器室），此費用遠大于出口電壓等級為10KV發(fā)電機組需要增加的投資，發(fā)電機組可采用電纜直接引至變電所高壓母排。因此根據(jù)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(fā)電機額定電壓按規(guī)定應(yīng)高于同級電網(wǎng)額定電壓5%，因此本工程采用發(fā)電機組出口電壓等級為10.5KV。

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

5、并網(wǎng)系統(tǒng)

根據(jù)發(fā)電機組并網(wǎng)需要滿足的要求，設(shè)計從兩個方面進行分析，并優(yōu)化設(shè)計方案。

1）并網(wǎng)回路

本工程內(nèi)有10KV上海浦東某區(qū)域開關(guān)站（以下簡稱10KV開關(guān)站）一座，考慮本項目重要負荷性、項目初期沼氣發(fā)電機組無電能輸出及機組故障等，設(shè)計從10KV開關(guān)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(guān)站得電，電能富裕時向10KV開關(guān)站送電，但這兩種情況不會并存。

據(jù)此，并網(wǎng)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(guān)站的輸電線路。正常運行情況下，當廠區(qū)用電負荷超過發(fā)電機組功率時，廠區(qū)負荷通過10KV電源線路從電網(wǎng)獲取電能。當發(fā)電機組功率超過廠區(qū)用電負荷時，發(fā)電機組通過10KV電源線路向電網(wǎng)輸出剩余電能。為了方便建設(shè)單位管理，所用變進線側(cè)設(shè)置雙向計量及保護裝置。

2）并網(wǎng)要求

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

① 通過增減勵磁電流來調(diào)整發(fā)電機組的輸出電壓；

② 通過改變?nèi)細獍l(fā)電機組的轉(zhuǎn)速來調(diào)整頻率；

③ 通過調(diào)節(jié)發(fā)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(fā)電機組的主斷路器使發(fā)電機投入供配電系統(tǒng)，完成并網(wǎng)過程。

為了直觀判斷是否滿足并列條件，本工程發(fā)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(xiàn)場控制、檢查、監(jiān)視發(fā)電機組當前狀態(tài)。另外，為增加并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，本項目發(fā)電機組以自動同期為主，手動僅作為應(yīng)急情況下使用。

6、發(fā)電接入系統(tǒng)方案

沼氣發(fā)電母排接入系統(tǒng)有多種方式，根據(jù)發(fā)電機數(shù)量及后期維修，本項目分別設(shè)置發(fā)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(jié)線方案：

1） 設(shè)置1段發(fā)電機母排（近期母排掛接2臺沼氣發(fā)電機組）；

2） 設(shè)置2段發(fā)電機母排（近期每段母排掛接1臺沼氣發(fā)電機組）

方案示意圖如下：

方案 一 方案 二

沼氣發(fā)電機組為本項目重點設(shè)備，設(shè)備穩(wěn)定運行后需要按周期進行檢修，檢修期內(nèi)發(fā)電機需要停機，且需要對發(fā)電機出線（發(fā)電母排段）及發(fā)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(nèi)對全廠電能設(shè)備及電網(wǎng)造成影響，采用方案二，分開設(shè)置2臺發(fā)電機母排。2臺沼氣發(fā)電機檢修期內(nèi)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(shè)計方案

根據(jù)沼氣量分期設(shè)置沼氣發(fā)電機組（近期2×1.2MW，遠期4×1.2MW，設(shè)計預(yù)留遠期土建位置），發(fā)電機組出口電壓均為10.5KV。發(fā)電自用，余電上網(wǎng)。

發(fā)電機組接入系統(tǒng)分別設(shè)置發(fā)電母排和配電母排，變電所系統(tǒng)采用單母線分段接線，每段母線通過高壓電纜與一段10kV發(fā)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(guān)站），10kV進線電源兼做發(fā)電富裕電能上網(wǎng)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(qū)自用10kV/0.4kV變壓器。系統(tǒng)示意圖如下：

沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

四、經(jīng)濟效益

對本系統(tǒng)模型進行經(jīng)濟效益計算：

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

發(fā)電機組裝機功率按2×1.2 MW考慮，參考卡特彼勒發(fā)電機組設(shè)備資料，發(fā)電功率為1200kW，熱功率為1255kW，日均可發(fā)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(wǎng)，則發(fā)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(shè)單位帶來可觀的經(jīng)濟效益。

五 結(jié)束語

本項目目前已正式投產(chǎn)運營，運營數(shù)據(jù)基本與設(shè)計數(shù)據(jù)吻合，沼氣產(chǎn)生的電能為建設(shè)單位帶來可觀的經(jīng)濟回報率。本項目對同類項目的設(shè)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(yè)主正在籌劃二期擴容。

參考文獻：

[1] 林玉禮.城市生活垃圾填埋場沼氣發(fā)電技術(shù)的探討 [J].環(huán)境與發(fā)展，2018，第5期.

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

（作者單位：上海市政工程設(shè)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(jié)能環(huán)保、電氣供配電、火災(zāi)自動報警。