垃圾处理工程的可再生能源发电系统设计

摘要：作为垃圾处理工程的配套项目，可再生能源发电系统的建设不仅有助于节约能源，保护环境，还能践行循环经济理念，将废弃物转化为可再生能源，促进资源的再利用和经济的可持续发展。以武汉市某垃圾处理工程为例，结合多能互补可再生能源发电系统装机容量，确定沼气发电和光伏发电的并网方案，设计沼气发电方案和光伏发电方案，为以后的同类设计提供参考。

关键词：垃圾处理工程；光伏发电；沼气发电；并网；可再生能源

中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-0-03

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Design of Renewable Energy Power Generation System for Waste Treatment Engineering

LIU Jing， CHENG Ruixiong

（Central & Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： As a supporting project for waste treatment projects， the construction of renewable energy generation systems not only helps to save energy and protect the environment， but also practices the concept of circular economy， converts waste into renewable energy， promotes resource reuse and sustainable economic development. Taking a waste treatment project in Wuhan city as an example， combining with the installed capacity of a multi energy complementary renewable energy power generation system， the grid connection scheme for biogas power generation and photovoltaic power generation is determined， and biogas power generation scheme and photovoltaic power generation scheme are designed， so as to provide reference for similar designs in the future.

Keywords： waste treatment project; photovoltaic power generation; biogas power generation; grid connection; renewable energy

能源是人类生存与发展不可或缺的条件，诸多活动都伴随着能源的消耗[1]。不可再生资源的储量越来越少，有些甚至已经接近耗尽，因此太阳能、风能、水能和生物质能等可再生能源日益受到人们的重视。太阳能在可再生能源体系中占据主体地位，其次是风能和生物质能。在垃圾处理工程中，垃圾处理综合体屋顶面积大，湿垃圾处理工艺段会产生大量沼气，可以充分利用太阳能及生物质能发电，作为垃圾处理厂内市电系统的补充，具有较为明显的经济效益、社会效益及环境效益。以武汉市某垃圾处理工程为例，对厂内可再生能源发电系统进行分析。

1 多能互补可再生能源发电项目概况

本工程的生活垃圾设计处理规模为500 t/d，湿垃圾为100 t/d，大件垃圾为50 t/d，可回收物为50 t/d。

厂内皆为低压负荷，总负荷约为1 874 kVA，共设置两台1 250 kVA的变压器，两台同时运行，负载率约为75%。其中，二级负荷约为763 kVA。当其中一台变压器出现故障时，另一台变压器可负担全部二级用电负荷。本工程含有餐厨处理工艺段及沼气净化工艺段，工艺处理可产生大量沼气，适宜建设沼气发电系统。实施沼气发电不仅能解决沼气工程的环境问题，消耗大量废弃物，保护环境，减少温室气体排放，而且能变废为宝，产生大量的热能和电能，符合能源循环利用的环保理念，带来巨大的经济效益[2]。本工程新建建筑物屋面面积较大，项目所在地武汉市的太阳能资源丰富，年平均太阳辐射量比较稳定，适合建设光伏发电项目。为了加强可再生能源建筑应用管理，武汉市新建的公共建筑和工业厂房屋顶均需要设置光伏板，并达到安装面积比例的要求。

2 可再生能源发电系统装机容量

2.1 沼气发电装机容量

本工程湿垃圾处理能力为100 t/d。在处理过程中，厌氧消化系统会产生大量沼气。沼气净化后，部分用作蒸汽锅炉的燃料，以满足厂区蒸汽需求。剩余沼气则通过沼气发电机组转化为电能，用于生产。基于当前的沼气池规模与产气量，本工程共设置两台300 kW

的沼气发电机组。为确保项目稳健推进，近期先投入1台沼气发电机组，若未来产气量持续稳定且达到预设标准，将适时启动第2台发电机组，实现双机并行发电，以提高能源利用效率。

2.2 光伏发电装机容量

本工程在厂区内包含5座新建建筑，具体为压缩转运及预处理综合体、大件垃圾及可回收物分拣车间、综合楼、传达室以及计量间。湖北省持续加强可再生能源建筑应用管理，要求2024年新建公共建筑和厂房的光伏板安装面积占比不低于40%。其中，大件垃圾及可回收物分拣车间、综合楼、传达室及计量间屋面几乎无工艺设备及建筑遮挡，为光伏板安装提供了便利条件，可以采用满铺法进行安装。压缩转运及预处理综合体结构较为复杂，存在部分问题。一是沼气利用及发电工艺段局部为泄爆屋面，存在烟囱、风井及百叶窗等，这些特殊结构和设施的存在使得该区域不适合安装光伏板。二是污水处理工艺段具有大量除臭风管及检修孔，安装时应避开孔洞、管道，留出检修通道。三是考虑垃圾车转运半径，压缩转运工艺段两处区域柱间距及荷载较大。两处区域屋面没有工艺设备及建筑物遮挡，但经结构复核，安装光伏板对建筑主体结构影响较大，结合综合影响及造价来看，此处装设光伏板的经济效益不高。综合考虑后，在满足安装面积的政策要求下，压缩转运及预处理综合体局部装设光伏板。垃圾处理厂内各建筑屋顶共设置

1 266块540 Wp的单晶硅光伏组件，总装机容量约为683.64 kW。光伏发电系统光伏组件布置如图1所示。

3 并网方案

3.1 沼气发电并网

沼气发电量的根本影响因素为湿垃圾处理量。当湿垃圾处理量达到设计值时，该工艺段运行功率约为600 kW，近远期两台沼气发电机组的装机容量为600 kW，机组按额定功率的80%输出，可带载约480 kW。该工艺段可完全消纳沼气发电，真正做到少处理少发电、多处理多发电、自发自用。结合沼气发电的装机容量及使用性质来看，低压并网且优先带载湿垃圾处理工艺段设备的方式比较适用。

3.2 光伏发电并网

与沼气发电不同，光伏发电几乎不受工艺流程处理量的影响，但受环境影响较大，每日发电时间及发电量波动较大。本工程所采用的光伏发电装机容量为683.64 kW，除湿垃圾处理工艺段以外，厂区总负荷量约为1 300 kVA。其中，污水处理系统、除臭系统等大负荷工艺段皆受湿垃圾处理量影响较大。项目投运初期，因垃圾分类工作推进，湿垃圾处理量或有不足，可能存在光伏发电峰值时自发自用后仍有余量的情况。因此，光伏发电系统选择自发自用、余电上网的模式。光伏发电总装机容量较大，为了方便余电上网，满足《分布式电源接入配电网设计规范》（Q/GQhLsoV9aMJnpBn1bWYbadySQ0lzXcXRifc2NQAmR358=DW 11147—2017）的要求，选择10.00 kV并网方案。分布式电源的并网电压等级推荐值如表1所示。

4 发电方案设计

4.1 沼气发电方案设计

沼气发电系统采用0.4 kV低压并网不上网的方案，沼气发电机组和市电并网后，一同为负载供电。沼气发电机组配置发电并网柜、并网调峰柜以及控制系统，内含同期并网装置、继电保护器、逆向功率保护器、电能计量装置及通信系统等。沼气发电机组正常运行后通过并网柜发电，经并网调峰柜同期控制后接至综合体变配电中心低压侧，并网后缓慢加载至设定功率，与市电按照不同情况进行功率分配。正常情况下，优先使用沼气发电机组所发的电，不足部分由市电补充。当市电供应中断或者出现故障时，系统配套的控制模块发出分断市电断路器的信号，避免市电断电造成发电机组反向送电至市电，机组继续为负载供电（机组不超负荷）。当市电再次来电时，通过控制模块反向同步合闸，与发电机组一起分担负载。

4.2 光伏发电方案设计

光伏发电系统采用10 kV高压并网的方案，主要由5部分组成，即光伏方阵、逆变器、升压并网系统、布线系统和监测系统。

目前，常用的光伏组件有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池和多倍聚光电池[3]。通过比较转换效率、制造能耗和安装成本等方面，项目选择单晶硅电池作为光伏组件，方位角面向正南，同一光伏方阵内，选择电性能参数一致的光伏组件。合适的逆变器主要有两种型式，即集中式和组串式。集中式逆变器是很多个并行的光伏组串被连到同一台逆变器的直流输入端。其主要特点有系统的功率高、成本低，同时逆变器数量少，可靠性高，便于管理。但其发电可靠性受单个光伏单元组工作状态的影响较大，逆变过程效率降低，此类型的逆变器更适用于大型光伏电站[4]。组串式逆变器是基于模块化概念，一个或几个光伏组串通过一个逆变器，在交流端并联入网。其优点是整个系统受单个光伏单元组的影响小，同时电压范围宽，减少光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加发电量。除此之外，直流段流程减少，线路敷设及安装都比较便利。同本工程相似的分散式屋面光伏发电系统更适合采用组串式逆变器。

因项目采用10 kV高压并网方案，组串式逆变器的输出应经光伏升压箱变及高压馈线柜并网，不应直接接入电网。拟在厂区收集车坡道下方设置一台光伏升压箱变，各建筑物屋面的组串式逆变器输出汇流至光伏升压箱变进线侧，通过升压后送入厂区高压配电系统，作为市电系统的补充。按照《电力工程电缆设计标准》（GB 50217—2018），严格选择交直流电缆。10 kV直流电和0.4 kV交流电采用阻燃型交联聚乙烯绝缘电缆，电缆沿桥架及厂区地下穿线管敷设。为便于光伏电站的运行管理，光伏发电部分采用计算机监控系统。监控系统上位机安装于厂内综合楼中控室内，设置监控后台机一套，实现对光伏发电系统的远程监视和控制。

5 结论

作为垃圾处理工程的配套项目，可再生能源发电系统可以提高资源利用率，节约能源，保护环境。结合多能互补可再生能源发电系统装机容量，垃圾处理工程可以确定沼气发电和光伏发电的并网方案，将废弃物转化为可再生能源，促进资源的再利用和经济的可持续发展。

参考文献

1 胡学东，吴来群，袁 玉，等.抽水蓄能与风电、光伏联合发电系统容量配置研究[J].人民长江，2024（4）：244-251.

2 刘建兵.大中型沼气工程发展前景展望[J].农业工程技术（新能源产业），2013（4）：3-5.

3 陆冬丽.太阳能电池性能及选型[J].大众用电，2023（8）：31-32.

4 曾 玉.分布式光伏发电建设中的逆变器及其选型[J].科技资讯，2014（25）：98.