利用厌氧消化的弃风电转气自控系统及其应用

利用厌氧消化的弃风电转气自控系统及其应用宋子顺１刘慧１乔少帅１卢峻峰１李力坤１王洪彬２杨金澍２沙浩２曹生现２刘志超３（１．华能国际电力股份有限公司河北清洁能源分公司；２．东北电力大学吉林省节能与测控技术实验室；３．天津大学机械工程学院）摘要将生物质能利用技术中碳转化率最高的厌氧消化工艺应用于风电场弃风消纳方案中，以某风电场日产５０ｍ３生物燃气工业实验为基础，研究设计了一个满足风电弃风利用的有机废物厌氧消化产生物燃气系统。实际运行结果表明：弃风电转气自控系统可使利用风电弃风进行厌氧消化的产生物燃气系统稳定运行。关键词自控系统有机废物厌氧消化生物燃气消纳风电弃风技术ＰＬＣＷｉｎＣＣ中图分类号ＴＨ８６２文献标识码Ｂ文章编号１０００３９３２（２０１９）０４０２９６０６我国风电余电（弃风）问题严峻，２０１５年全国平均弃风率１５％，２０１６年１７％，２０１７年１２％，２０１８年上半年弃风率８．７％，损失严重。现有风电弃风消纳技术包括抽水蓄能调峰技术、单循环燃气调峰技术、燃气蒸汽联合循环调峰技术、电解水制氢、飞轮、压缩空气、超级电容、超导及电化学储能等新型储能手段［１～７］，但在经济上与技术上均有局限性。目前，厌氧消化技术应用较为成熟。根据产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果提出三阶段理论：第１阶段为水解发酵阶段，在该阶段，复杂有机物在厌氧菌胞外酶作用下首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成简单的糖类，蛋白质转化为简单的氨基酸，脂类转化为脂肪酸和甘油；第２阶段为产氢产乙酸阶段，此阶段中，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸和甲醇外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸以及醇类转化为乙酸和氢，并伴随产生ＣＯ２；第３阶段为产甲烷阶段，在该阶段，产甲烷菌把前两个阶段产生的乙醇、氢气及ＣＯ２等转化为甲烷［８］。此外，生物质的厌氧发酵，温度过低或波动过快，都会降低厌氧发酵的产气效率和所产沼气中甲烷的含量。因此，有效保证厌氧消化工艺反应温度稳定，同时稳定控制厌氧消化三阶段反应条件对厌氧消化工艺稳定产气至关重要。笔者将有机废物厌氧消化技术应用于风电弃风消纳领域，利用新型电转气技术将“废电”转变为能源燃气。笔者重点介绍该过程的自控系统。１弃风电转气原理基于厌氧消化的弃风电转气系统工作原理如图１所示。风力发电机经变压器与电网连接，经电网调度产生弃风时，可由风电场配电室将弃风电量切至电加热器，将热量存储于高效储热器，该热量用于加热厌氧消化系统并维持各反应器温度稳定，厌氧消化反应器即可稳定生产沼气与有机图１基于厌氧消化的弃风电转气系统工作原理６９２化工自动化及仪表第４６卷基金项目：中国华能河北清洁能源分公司科学技术项目（ＨＮＫＪ１５Ｇ１０／ＨＮ４５９０２０１６０００１２ＪＳＱＴ０００１）。作者简介：宋子顺（１９７２），工程师，从事风资源的评估、风电项目投资与管理工作。通讯作者：刘志超（１９８５），博士研究生，从事多种可再生能源发电技术与节能技术的研究，ｙｊｆｎｆｈｖ＠１２６．ｃｏｍ。１———风力发电机；２———风力发电机变压器；３———输电线路接合点；４———电网侧变压器；５———电负荷；６———加热装置；７———电加热器；８———储热装置；９———厌氧消化系统；１０———厌氧消化原料；１１———加热盘管；１２———有机肥；１３———太阳能集热器；１４———燃气锅炉；１５———沼气净化提纯系统；１６———生物燃气储气罐；１７———用气负荷沼肥。其中，沼气经净化装置和二氧化碳分离系统提纯至生物燃气储气柜，进而输入用气负荷；所产有机沼肥经沼肥深加工系统后输入中用肥负荷。为了验证笔者设计的弃风电转气系统，本课题组在华能河北清洁能源分公司涿鹿风电场建立了一套利用风电的日产５０ｍ３生物燃气工业实验，由于二氧化碳分离系统与沼肥深加工系统均为成熟技术，故本实验主要对三阶段理论的最佳厌氧消化工艺条件进行实现与验证，并研究设计可满足风电弃风利用的有机废物厌氧消化产生物燃气系统，基本工艺如图２所示。其中，将厌氧消化工艺分为预处理阶段、水解酸化阶段与厌氧消化阶段，本次实验即利用风电弃风电能加热上述三阶段反应料液，保障各阶段均在最佳反应条件稳定运行。图２弃风电转气系统简易流程２弃风电转气自控系统设计２．１控制系统及其功能为满足弃风电转气工艺日产５０ｍ３生物燃气的要求，设计的沼气控制系统主要包括电气控制系统、仪表与检测系统、自动化控制系统和上位机组态系统４部分。现场自动控制整个弃风电转气自控系统的电气控制与在线数据监测，其中电气控制设备与监测仪表的数量与功能见表１。表１控制系统的主要设备与仪表功能名称数量／台功能电气设备水解酸化搅拌电机２水解酸化池中原料充分混合沼液回流泵２沼液池沼液回流至水解酸化池电热锅炉循环水泵２加热并维温水解酸化池、预反应罐和反应罐反应罐搅拌电机