餐厨垃圾处理沼气发电并网系统设计

摘要：上海市浦东区某有机质餐厨垃圾处理过程伴随产生大量沼气，为合理利用资源，减少对环境污染，设计采用沼气发电上网对资源进行再生利用，并从发电机容量、发电用途、并网电压等级、并网系统、发电机接入系统等方面分析，提出最优方案。确保沼气发电并网可靠、稳定运行的同时，也带来可观的经济效益。

关键词：有机质餐厨处理厂；沼气发电；并网运行

一 项目概况

随着生活水平的提高，附带餐厨垃圾量也与日俱增。餐厨垃圾资源利用过程伴随产生大量沼气，如能将沼气变废为宝，既响应国家节能的政策，也产生可观的经济价值。上海市某区餐厨处理厂项目沼气产生由以下构成：现有餐厨垃圾填埋产生的沼气（1800 Nm？/h），远期工程厌氧发酵产生的沼气（约600Nm？/h）及渗滤液处理产生的沼气（约500Nm？/h）。为了合理利用沼气资源，根据当前沼气资源情况，对比提纯天然气、发电、作为锅炉燃料三种处理方案，最终设计采用沼气发电并网，实现能源再生利用。

二 系统分析

根据沼气发电量及工程特性，设计从发电机容量、发电机组类型、发电用途、并网电压等级、并网系统、发电接入系统方式等方面进行了分析，并得出适合本项目的最优方案，具体如下：

1、发电机组容量

本工程近期填埋气利用规模约为1800 Nm3/h，考虑到国内外发电机组的效率差异，单位填埋气发电量区间为1.5～2.0kWh/Nm3，根据本工程投资情况，按进口发电机组考虑，单位填埋气发电量取1.85kWh/Nm3，则本工程填埋气最大理论装机容量可达3.29MW。本工程远期处理对象还包括有机质固废处理厂厌氧发酵产生的的沼气（600Nm3/h）及渗滤液处理产生的沼气（500Nm3/h），则远期最大装机容量可达4.98MW。

根据沼气发电机组与沼气热值换算公式，计算如下：

其中，P ——全厂总装机容量，单位为千瓦（KW）（为远期计算值，近期计算值同理）

k ——装机容量与发电机效率的综合比例系数，根据需要取值k=1.08～1.20（本次取值1.1）

V ——每小时最大沼气产量换算为标准状况下的体积，单位为立方米每小时，m？/h；（根据工艺提资，取值2445 m3/h）

H ——沼气的低热值，单位为千焦每标准立方米，Kj/Nm3；

G ——发电机组热消耗率，单位为千焦每千瓦时，Kj/（k·Wh）。（按进口发电机组考虑，H/G取值1.85kWh/Nm3）

根据近远期沼气量不同，设计采用分期配置沼气发电机组。近期配置2×1.2MW发电机组，远期增设2台，共4×1.2MW。有效利用沼气资源的同时，针对不同阶段沼气量所需要配套的发电机组设备进行了优化。

2、发电机组类型选择

利用填埋气作为燃料，或者利用填埋气燃烧产生的热烟气或蒸汽来带动发电机发电。根据机组处理沼气方式不同，常用沼气发电机组可分为燃气内燃机、燃气轮机及蒸汽轮机三种。

1）燃气内燃机利用填埋气作为燃料，带动内燃机和发电机发电，适合于发电量为1～4MW的小型填埋气利用工程。

2）燃气轮机利用填埋气燃烧产生的热烟气推动涡轮机，涡轮机带动发电机发电，适合于3～10MW的填埋气利用工程。

3）蒸汽轮机发电是利用填埋气作为锅炉燃料产生蒸汽，蒸汽带动蒸汽轮机发电，适用于填埋气产量大的工程，一般发电量在5MW以上。

结合本工程发电容量（2×1.2MW～4×1.2MW），综合考虑发电效率及投资，设计采用燃气内燃机组发电机。

经招标，最终确定采用卡特彼勒CG系列燃气内燃机组发电机，该发电机组满足就地/远程控制、具备并网运行功能（在该模式下可自动根据沼气量调节发电机组出力）、满足排放标准等要求。其在国外及国内都有很好的工程应用实例。本项目发电机组参数如下：机组型号为CG170-12，单机额定功率为1.2MW，额定电压10.5kV，平均发电效率为42.1%（较其他进口品牌同功率发电机组高3%），频率50Hz。

3、发电用途

目前现有沼气发电的应用用途通常有以下三种：

1）所发电能全部用于并网售电；

2）抵消自用电后并网；

3）独立自用电。

本工程发电量约为2.4MW（远期为4.98MW），远大于厂区内自用设备容量（主要设备为空气压缩机、罗茨风机及发电机组等，稳定运行有功功率约为580KW），如独立自用方式，发电设备大部分时间不能有效利用，需要将填埋气直接燃烧排放，资源化效率和设备利用率较低，故不采用第三种方式，所发电能主要用于上网。因厂区内发电、锅炉及火炬设备（主要用于沼气利用及废气处理）有部分自用电，如采用所发电能全部用于并网售电，自用电需从市电再次买进，会增加供电设备的投资，也不符合供电部门绿色能源发电并网相关规定，故采用第二种（抵消自用电后并网）方式。

4、出口电压等级

发电机组容量不同，出口电压不同。1.5MW发电机组出口电压有0.4KV和10.5KV两种电压等级。

本工程发电机厂房屬于甲类厂房，变电所为非专用变电所，根据GB50016规定两者应分开设置，设计距离为20m。如采用出口电压等级为0.4KV，需增设2台升压变压器（远期4台），并增加了低压电缆投资和土建投资（需要预留升压变压器室），此费用远大于出口电压等级为10KV发电机组需要增加的投资，发电机组可采用电缆直接引至变电所高压母排。因此根据本工程特点，采用10KV出口电压等级。

考虑电力线路允许的电压偏差一般为±5%，为了维持线路的平均电压额定值，线路首端的电压可较线路额定电压高5%，发电机额定电压按规定应高于同级电网额定电压5%，因此本工程采用发电机组出口电压等级为10.5KV。

另外，根据《上海电网资源综合利用发电装置接入系统技术原则》中的规定，总装容量在400kW～3MW的，可采用10kV接入系统，3MW～10MW的可以采用10kV或者35kV接入系统。本项目本期装机容量2.4MW，远期4.8MW，并网可利用10kV接入系统。发电机组侧采用10.5KV出口电压，将与并网电压等级保持一致，减少了中间变压设备的投资，并进一步降低了中间电能损耗。

5、并网系统

根据发电机组并网需要满足的要求，设计从两个方面进行分析，并优化设计方案。

1）并网回路

本工程内有10KV上海浦东某区域开关站（以下简称10KV开关站）一座，考虑本项目重要负荷性、项目初期沼气发电机组无电能输出及机组故障等，设计从10KV开关站引2路10KV至所用变高压母排。因此本工程电能不足时从10KV开关站得电，电能富裕时向10KV开关站送电，但这两种情况不会并存。

據此，并网接入回路采用单电缆双向送电，两路10KV供电线路兼作富裕电能送入10KV开关站的输电线路。正常运行情况下，当厂区用电负荷超过发电机组功率时，厂区负荷通过10KV电源线路从电网获取电能。当发电机组功率超过厂区用电负荷时，发电机组通过10KV电源线路向电网输出剩余电能。为了方便建设单位管理，所用变进线侧设置双向计量及保护装置。

2）并网要求

为了使沼气发电机组安全、稳定的并网，机组电压、频率、相位角需与电网一致。本项目中，发电机组与电网并列运行时，默认电网的容量远远大于发电机，机组工作状态的变化不会引起市电的电压和频率变化，因此在发电机与市电并列时，可认为市电电压和频率是不变的。发电机组以市电指标要求为基准，通过以下方式调节：

① 通过增减励磁电流来调整发电机组的输出电压；

② 通过改变燃气发电机组的转速来调整频率；

③ 通过调节发电机组瞬时速率来满足相位差。

在满足并列条件的瞬间， 闭合发电机组的主断路器使发电机投入供配电系统，完成并网过程。

为了直观判断是否满足并列条件，本工程发电机组配有以下功能：

① 就地/远程控制；

② 自动/手动两种方式；

③ 同期控制柜配有电压差表、两组同期指示灯和同期表；

④ 自动准同期装置。

通过以上功能管理人员均可以在中控室及现场控制、检查、监视发电机组当前状态。另外，为增加并网系统的可靠性，本项目发电机组以自动同期为主，手动仅作为应急情况下使用。

6、发电接入系统方案

沼气发电母排接入系统有多种方式，根据发电机数量及后期维修，本项目分别设置发电母排与所用变高压母排（采用单母线分段型式），提出以下结线方案：

1） 设置1段发电机母排（近期母排挂接2台沼气发电机组）；

2） 设置2段发电机母排（近期每段母排挂接1台沼气发电机组）

方案示意图如下：

方案 一 方案 二

沼气发电机组为本项目重点设备，设备稳定运行后需要按周期进行检修，检修期内发电机需要停机，且需要对发电机出线（发电母排段）及发电机进线柜（变电所高压母排）等进行检修，为了尽可能避免该时间段内对全厂电能设备及电网造成影响，采用方案二，分开设置2台发电机母排。2台沼气发电机检修期内互为独立，且尽量避开检修期，使得全厂因检修造成损失将为最低。

三、设计方案

根据沼气量分期设置沼气发电机组（近期2×1.2MW，远期4×1.2MW，设计预留远期土建位置），发电机组出口电压均为10.5KV。发电自用，余电上网。

发电机组接入系统分别设置发电母排和配电母排，变电所系统采用单母线分段接线，每段母线通过高压电缆与一段10kV发电母线段相连，同时，每段母线各接一路10kV电源进线（两路进线一用一备）作为本项目进线电源（两路电源分别引自10kV开关站），10kV进线电源兼做发电富裕电能上网线路（一用一备），每路电源承担100%负荷。

10kV母线I段II段各接一台厂区自用10kV/0.4kV变压器。系统示意图如下：

沼气发电并网系统示意图

四、经济效益

对本系统模型进行经济效益计算：

目前发电上网电价0.65元/kWh（含补贴电价），公共电力网电价0.83元/kWh，综合工程实际情况，电力按上网电价0.65元/kWh计，自用电价按0.83元/kWh计。

发电机组装机功率按2×1.2 MW考虑，参考卡特彼勒发电机组设备资料，发电功率为1200kW，热功率为1255kW，日均可发电量为5.76×104kWh/d，日均可利用余热量为2.17×105 MJ/d。若自用电按10%计，剩余电量全部上网，则发电收益为38477元/d。由此可看出合理利用沼气资源的同时也为本工程建设单位带来可观的经济效益。

五 结束语

本项目目前已正式投产运营，运营数据基本与设计数据吻合，沼气产生的电能为建设单位带来可观的经济回报率。本项目对同类项目的设计带来一定的借鉴作用，为上海餐饮及填埋沼气资源再利用提供了一种新的解决方案。目前业主正在筹划二期扩容。

参考文献：

[1] 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，第5期.

[2] 段丽. 垃圾填埋场沼气处理及发电技术 [J].云南电力技术，2015，第z2期.

（作者单位：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司）

作者简介：杨政勃，1987.11.06，男，汉族，山西省河津市，中级工程师，研究方向：节能环保、电气供配电、火灾自动报警。