沼气电站工艺设计的研究

第31卷(2009)第5期柴油机Diesel Enginevol.31(200)N.5相关技术沼气电站工艺设计的研究王安忠,李树生!,张超平2(1.济南柴油机股份有限公司,山东济南250306;2.中石化集团公司中原油田装备处,河南濮阳457001)摘要:就沼气电站的工艺设计系统所涉及的特殊要求,从沼气电站设备选型及容量、沼气系统、通风系统、润滑油系统、冷却系统、排烟系统和杋组起动及设备布置等方面进行了探讨研究,可为沼气电站工程的工艺设计提供参考;也可为建造其他燃气电站工程提供设计计算模式。关键词:沼气;电站;工艺设计中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1001-4357(2009)05-0028-04Study on the Technological Design of Biogas Power PlantWang Anzhong, Li Shusheng, Zhang Chao(1. Jinan Diesel Engine Co., Lad, ShandongJinan 2503062. Equipment Dept. of Zhongyuan Oil Field of Sinopec Group Henan puyang 457001)Abstract: With respect to the special requirements for technological design of biogas power plant, exploratoryresearch are carried out on respects of equipment type selection, power, biogas system, ventilation systemluboil system, cooling system, exhaust emission system, genset start system and equipmenIt offersreferences for the technological design of biogas power plant, and provides calculation mode for other gas-firedKeywords: biogas; power plant; technological design前言多年的历史。但是基于沼气电站的工艺设计、电气设计、安全要求、操作规程等系统的研究,以沼气,从生物能的角度看,是取之不尽,用及国家标准、行业标准制定研究至今仍处于起步之不竭的能源。内燃机沼气发电是沼气利用的一阶段。最近几年农业部沼气研究所和济南柴油机个重要方式。食品加工厂、污水处理厂或规模化股份有限公司合作,开始涉足这一领域的研究。畜禽养殖场即是用电大户,又是污染大户,这些并于2008年完成了农业部标准《沼气电站工程规模化的沼气工程都有条件建设大中型沼气发电规范》。本文就沼气电站的工艺设计系统所涉及站。不仅能缓和生产用电紧张的矛盾,而且可从的特殊要求进行探讨,以期为沼气电站工艺设计根本上解决对环境的污染。随着国民经济的发提供参考。展,未来10年的沼气生产潜力将远远大于当前水平,在国家相关的激励政策的引导下,这些潜2沼气发电站的工艺设计力将会被逐渐释放出来,作为发电动力燃料的沼发由站与天处气由站类似,除了与普通气会越来越多,从动力源的角度给沼气发电提供内燃中国煤化工水系统、加热系了较大的发展空间统CNMH寺殊的是沼气系统中国内燃沼气发电机组技术的研发已有二十和通风系统。收稿日期:20090504009年9月王安忠等:沼气电站工艺设计的研究2.1沼气电站设备选型及容量体警报器外,机房地沟内还应设有鼓风机,从机组2.1.1沼气发电机组的选型两侧强制送风,与机房顶部的抽风机组成通风回根据沼气工程的情况,可供选择的燃用沼气的路,一旦死角附近可燃气体浓度达到危险程度,警动力装置有两种,即内燃机和汽轮机。从安全可靠报器便自动声、光报警,同时启动联动装置,打开性、操作与维修简便性、投资成本、运行经济性以地沟风机和房顶抽风机强制通风,必要时切断沼气及投资回收期等方面综合考虑,沼气电站工程应以总阀,使机组停车,以防止机房内可燃气体的聚采用内燃机电站最佳。集,彻底消除火灾隐患。2.1.2机组选择由于机组运行以后发热,使部分排烟从沼气机当沼气发电机组的实际工作条件比产品技术条机体和排气管的缝隙泄漏出来,加之由于操作的原件规定恶劣时,其输出功率应按GBT6072.1规因而外泄的机油等与灼热的机体接触而挥发,使得定换算出试验条件下的发动机功率后再折算成电功机房内的有害气体不断增加。为保证工作人员的身率。此电功率不应超过发电机的额定功率。总装机体健康和正常的操作,机房也应设置强力通风设备。容量大于(或等于)200kW,且发电不允许间断的排风量推荐按14-20m3/kWh设计。电站,应设置备用机组,备用机组的数量宜按用三因此沼气电站机房的通风降温设计除应考虑排备除机房内的余热和有害气体、泄漏的沼气外,还应2.1.3电站装机容量按满足沼气发动机所需的燃烧空气量设计。沼气发电站装机容量应根据沼气产量及其低热值按公电机组应带有空气滤清器,多风沙地区的电站,还式(1)计算确定应有进气防尘措施。P=k(ⅦHg)(1)2.3.2开式机组机房(箱)通风要求式中:P为电站总装机容量,kW;k为装机余量与开式机组机房(箱)通风设施安装形式见图1。发电机效率的综合比例系数,根据电站需求一般k=1.08~1.20;V为每小时最大沼气产量换算为标准状况下的体积,m3/h;Hn为沼气的低热值,kJ/Nm3;g为发电机组热耗率,kJ/kWh。2.2沼气系统沼气是含饱和水蒸汽的混合气体,除含有气体燃料CH4、惰性气体CO2外,还含有H2S和悬浮的颗粒状杂质。H2S不仅有毒,而且腐蚀性很强,所以新生成的沼气不宜直接用作发动机燃料,必须经过脱硫过滤水分和杂质后方可使用。对涡轮增压发动机,要通风量计算:求沼气的进气压力为003~0.14MPa,考虑到管路的(1)机房所需的进气量按照公式(2)计算流阻损失,进气压力应大于0.18MPa(2因此,沼气系统必须包括储气塔、脱硫塔、加式中:G为机房所需的进气量,kg/h;G1为沼气压泵、稳压罐、过滤器和气体计量仪表等。发动机燃烧时所需空气量(按产品技术文件要求确调节用气的储气装置容量可按下列参数确定:定),kgh;G2为排除所有设备辐射热所需空气1)沼气发电机组连续运行时,储气装置的容量,kgh;G,为排除发电机发热量所需空气量,量按照运行机组总额定功率大于2h的用气量设计;kg/h,按制造商技术文件确定。2)沼气发电机组间断性运行时,储气装置容(2)沼气发动机燃烧时,所需空气量G1按照量应按照大于间断发电时间的产气总量设计。公式(3)计算:2.3通风系统GI=g P, A,Ap2.3.1基本要求式中国煤化工W;g.为沼气发动沼气中的主要成份CH4是易燃、易爆气体,空气机CNMHG气系数,参考值为中CH的最低/最高爆炸极限为空气体积的25%/1.0-1.;A为埋伦空繁比,婿科完全燃烧时所需154%(在20℃时,含量为167-102.6g/m3)。为防空气量与燃气量的体积比;p为空气密度,kgm3止意外,在主机房顶四周的死角处,除设有可燃气(3)排除所有设备辐射热所需空气量G2按照柴油机第31卷第5期公式(4)计算:式中:k1=0.03~0.05。(4)(6)发电机辐射散热量Q2按照公式(7)计算:Q2=3600P(1-m)式中:Q为机房设备辐射总散热量,Jh;a为式中:P为发电机功率,kW;m为发电机效率。温差(发电机房内外温度差),℃;C为质量热(7)设备附件散发热量Q3按公式(8)计算(经(空气比热),kJ/kg℃;验数据)(4)机房设备辐射总发热量Q按式(5)计算:Q3=0.01Q2(8)Q=Q1+Q2+Q323.3闭式机组机房(箱)进气要求式中:Q1为沼气发动机辐射散热量,kJ/h,一般为沼气发动机总发热量的3%~5%;Q2为发电机如果风扇和散热器安装在机房(箱)内,其进气辐射散热量,kJ/h;Q3为设备附件散热量,kJ/h量为开式机组机房(箱)的进气量再加风扇和散热器(5)沼气发动机辐射散热量Q1按式(6)计算:所需的空气量,或按照产品技术文件要求设计。Q=K1g. P, Hu(6)闭式机组机房(箱)进气设施安装形式见图2。风扇排凤L是r3沼气进口2821-消声器2-机组捧风罩3发电机组4-集污槽5-机组地基6-蓄电池组7-充电机8-观察窗凵9地沟10控制屏11-电磁阀12-燃气阀图2机房布置参考图24润滑油系统QL=Qu +24q TPx 102.4.1使用专用润滑油式中:Q1为润滑油计算储量,t;Qu为电站运行机沼气作发动机燃料,除了引起发动机动力下降组每次更换润滑油量,t,按照机组使用说明书规定之外,由于沼气中含有硫化合物(硫化氢),还会值确定;q为润滑油消耗量,g/kWh;T为储存时导致发动机零部件,特别是曲轴、活寨和气缸壁早间,d;P为电站最大计算负荷(总装机容量),kW。期磨损和腐蚀,致使发动机寿命缩短,部分发动机大中型电站应设置一座高位润滑油箱,其容量发生腐蚀现象。应按照运行机组更换一次润滑油所需的总油量确沼气发动机工作时其燃烧室的温度要比燃油高定。润滑油储存量小于3t时,宜采用散桶储存00℃以上,这种高温势必导致发动机运动部件如大于3t时,宜采用储罐储存。电站润滑油宜按阀门、摇杆等所承受的压力急剧增大;同时会使润30天的消耗量储备滑油品易氧化和硝基化,增加氮氧化物的生成,继在润滑系统中必须安装过滤装置,过滤装置的而生成油泥、积炭等物质,这就要求润滑油应具备流通面积应保证润滑油的流量比油泵的流量大8%更高的抗氧化性与清净分散性。为解决上述问题,-10%。过滤装置应有备用。电站宜配置润滑油检必须研制和使用专门的沼气发动机润滑油。因此,验仪器。发电机房内润滑油储油设备应有事故泄油建议沼气硫含量≤200mg/m3时,推荐使用济柴牌池中国煤化工距不应小于15m;KCN7805;硫含量≤460mg/m3时,推荐使用济柴泄CNMHG油设备的容量之和牌KCN7810确定。2.4.2电站润滑油日消耗量计算2.5冷却系统电站润滑油日消耗量按照公式(9)计算:电站的冷却系统,宜采用循环冷却方式;当水2009年9月王安忠等:沼气电站工艺设计的研究质较差或水源缺乏时,宜采用密封循环冷却方式。整流装置。不具备电起动条件时,可采用气起动。采用循环冷却水的电站,无外部电源时,冷却系统2.72设备的布置原则应设置高位水箱,高位水箱距地面的高度为6(1)设备的布置应做到安全适用、合理紧凑、10m,容积可按照最大1台机组运行5mn所需的冷操作和检修方便。却水量设计。冷却系统中储水池的最低有效液位应(2)多台机组的电站,机组应按单行并列布保证冷却水泵有良好的吸入性。沼气发电机组冷却置;当机组台数为单台或二台,且无扩建要求时水水质应符合技术文件的要求。也可按照机房纵轴线布置。冷却水的循环量按照公式(10)计算:(3)机房内应留有足够的检修场地。机组较少式中:Q为循环水量,m/h;K为比例系(10)时,检修场地宜留在机房的一侧;机组较多时,宜Kg, PH留在机组之间。一般(4)发电机组距建筑物距离以及机组之间的间为030~0.35;g为沼气发动机气耗率,m3/kWh;距都应满足运行操作、维护检修和通风散热的需c为水的比热容,取4.l8k/kg℃;4为循环水进口要,或按机组技术文件的要求执行。水温,℃;t2为循环水出口水温,℃;v为水的比容(5)机房内应设必要的起重设备,机组应布置取v=1×10-3m3/kg在起重设备的服务范围内。起重设备的起吊重量应2.6排烟按机组最重零部件的重量确定;起重高度应按能满沼气发动机排烟温度比较高,在发动机排烟口足活塞连杆吊离缸体最高点的需要确定,并应留出处烟气温度约500~600℃。烟气通过排烟系统引出大于1m的活动空间。室外排入大气。每台沼气发动机排烟道应单独引出,(6)辅助设备宜布置在机房的固定端。起动用并安装消音器,消音器应为防火型。排烟管道应尽的压缩空气瓶、或蓄电池、或硅整流装置的位置和量短而直。室内部分应作绝热处理,与沼气输气管布置要求,按照机组技术文件的要求执行。当无明道的间距不小于1m,并且不能从其下方通过。确要求时,宜靠近沼气发动机端部布置。室外垂直部分距建筑物外墙净距应大于1m,7)电气设备的布置应使电缆敷设距离最短,出口应高出屋檐0.75m以上。排烟管道的出口不操作方便。控制设备和配电装置宜布置在专用建筑宜朝向居民区,应远离沼气供气管道。并应防止排物内。单台容量较小或机组台数较少时,控制设备出的烟气倒灌和配电装置也可以布置在同一个建筑物(机房)内。两端固定的排烟管道,当直线部分的管段较长(8)此外,根据消防规范要求,主机房内,包时,应安装热力补偿器。排烟管道应安装坡向凝水括照明灯具在内的电气设备均应选用防爆型,室内装置,防止液体倒流还应设置消火栓,干粉灭火器等。沼气发动机排烟道的阻力应小于产品技术文件3结束语规定的背压值。261沼气发动机排烟气流量计算沼气发电工程本身是利用清洁能源,降低环境沼气发动机排烟气流量按照公式(11)计算污染的工程,它的运行不仅解决了沼气工程中的Q.=G1+G4(1)些主要环境问题,而目由于其产生大量的电能和热式中:Q为排烟气流量,kg/h;G4为沼气机标定工能,又为沼气热能的综合利用找到了广泛的应用前况下沼气消耗量(按照产品技术文件要求),kg/h。景。本文仅就沼气电站工程的工艺设计系统所涉及2.6.2排烟道管径计算的特殊要求进行初步探讨研究,以期为沼气电站工排烟道的管径按照公式(12)计算:艺设计提供参考。也可为建造其他燃气(如天然d=0.0188√Q.a12)气、瓦斯)电站工程提供设计计算模式。式中:d为管道内径,m;a为烟气流速,可按20~30m/s计算参考文献27机组起动及设备布局2.7.1机组起动方式THC中国煤化工分析[.中国沼气[2]NMHG气电站工程设计[J沼气发电机组宜采用电动起动,起动电源宜采能源技术,1999(3).用蓄电池组,蓄电池组容量按连续起动6次所需的[3]蔡进民贺正岷戚毅男,柴油机电站设计手册[M]北总容量设计。当有可靠的外部电源时,也可采用硅京:中国电力出版社,1997