沼气工程集中供气系统的综述

张窝羊， 俞国燕*， 郑 勇， 王金丽， 陈 程

(1.广东海洋大学工程学院，广东湛江 524088；2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江 524091)

沼气工程集中供气系统的综述

张窝羊1， 俞国燕1*， 郑 勇2， 王金丽2， 陈 程1

(1.广东海洋大学工程学院，广东湛江 524088；2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江 524091)

摘要在介绍沼气工程集中供气系统的基础上，从供气模式、自动控制以及输配系统3个方面分析了沼气集中供气系统的发展现状，并对所面临的问题进行了总结，最后对其发展趋势作了预测。

关键词沼气工程；供气模式，集中供气，发展趋势

随着现代社会对清洁、方便能源的需求越来越大，对环境的要求越来越高。基于集中生产和统一供给的沼气工程将会逐步替代传统的户用小沼气，成为新形势下的新农村能源产业[1-3]。该文从集中供气模式的内涵、系统的自动控制以及输配系统3方面对沼气集中供气系统进行了阐述。

1沼气工程集中供气系统

1.1沼气工程集中供气系统概况

1.1.1供气模式。沼气工程集中供气模式就是相对集中的沼气用户共用一个或多个沼气发酵装置。供气模式主要有3种，即沼气发酵装置并联、串联和串并联混合供气模式。

(1)沼气发酵装置并联供气模式。该模式适用于沼气发酵装置建在一起的沼气用户，便于统一管理，对于沼气发酵装置大小或原料不同的沼气发酵装置，可以采取不同的脱水、脱硫以及储气装置等。

(2)沼气发酵装置串联供气模式。该模式就是将各沼气发酵装置串联起来，不仅可以根据合适的场地在不同地方放置或建设沼气发酵装置，也能满足不同管路上的沼气消耗量供应。

(3)沼气装置串并联混合供气模式。该模式可以结合实际情况，比如地形、原料供给方便程度等，将不同的沼气发酵装置通过串联或并联结合在一起，来实现集中供气。

1.1.2集中供气系统结构。沼气工程集中供气系统结构组成如图1所示，可分成沼气的生产、储存、输送3个环节。

(1)沼气生产环节。只有气源稳定，才能保证供气的稳定性，因而做好沼气生产环节的工作，是建设集中供气式沼气工程的首要条件。此环节最为关键的是沼气生产工艺技术及其发酵装置的设计，设计基本原则是尽可能利用有限的原料生产出足够多的沼气。厌氧干式发酵技术是目前最为广泛使用的沼气生产技术。

(2)沼气储存环节。沼气用户的用气情况具有季、月、日以及小时的不均匀性，而发酵装置的产气量基本上是一个常数，产气不可能完全随沼气用户用气量的变化而变化。为了解决沼气发酵装置产气连续性和用户用气的不均匀性之间的矛盾，应该在经济、供气安全性以及生产可行性条件下考虑生产与使用的平衡问题。解决途径主要有：

①改变发酵装置的生产能力；

②利用缓冲用户和发挥调度的作用；

③设立储气装置。

其中建设一定规模的储气设施，在发酵装置产气量大于用户用气量时，将多余的气体储存起来，是保证供气连续性，解决产气与用气不均矛盾的最有效方法之一。高压干式储气柜、低压干式储气柜以及低压湿式储气柜是目前沼气工程最常用的储气装置(表1)。

表1　储气柜的种类及特点

(3)沼气输送利用环节。该环节是把产生的沼气安全地、合理地输送到用户家中。其设计内容包括沼气净化(脱硫、脱水)、沼气利用、其他配套设施等。其中输气官网的敷设以及其他设备的选型，在沼气工程集中供气系统当中具有重要地位，是沼气工程集中供气系统建设当中最重要、复杂的环节之一，直接关系着整个系统的成功与否。

1.2集中供气式沼气工程自动控制近年来，与沼气工程相关的标准化设备、工艺技术、产业链技术等方面的发展越来越成熟，少数大型沼气工程已经提高了其自动化程度，但其设计基本上参照国外先进技术和经验，或是沿用成套引进国外的发酵工艺、设备、监测仪表和控制系统等，而国内在沼气工程师自动控制方面仍处于起步阶段。具体表现在为，相关的数据检测基本上为离线检测、pH值的测试、沼气成分的测试等基本是先取样后测量，然后再根据测定结果调整设备。这种非连续检测方式，既无法实现对环境的实时动态监测，又易受人为因素影响，从而使测量结果存在较大误差，导致设备运行状态不能及时根据实际环境进行快速准确地调整，影响了发酵情况。针对这种情况对当前国内的沼气工程自动控制进行了分类分析(表2)。

表2　沼气工程3种控制方式的优缺点

表2可知，沼气工程分3种控制，即手动、半自动和自动控制。手动控制系统简单易实现，自动控制一次性投入成本高，系统复杂需专业人员操作，但效果好，是今后的发展方向。

1.3集中烘气式沼气工程输配系统沼气输配系统是指从发酵装置沼气出口开始至沼气炤止的整个系统，主要由中低压沼气管网、调压装置、监控室以及储气装置等组成。

虽然沼气输配系统是沼气工程集中供气系统建设当中最重要、最复杂的环节之一，对输配系统的设计与安装的重视程度，却远远不如沼气生产环节的建设和产气率的提高。使得许多沼气工程存在着产气，用户却用不上气的情况。严重影响了沼气效益的发挥与沼气工程的推广应用。

据调查，由于输气管道设计的不科学以及管道敷设的不合理，导致沼气不能正常使用的情况较普遍。具体表现为：管径选择过大，浪费材料；管径选择过小，造成压力损失过大，沼气流通不畅；管道安装坡度不科学，造成低处积水，甚至发生堵塞；管道布线长而且弯头过多，致使压力降过大等。

1.3.1供气方式的选择。沼气工程供气方式有低压、中压、高压、中低压等多种方式，如表3。在实际供气时，需要根据实际情况选择供气方式，在对经济技术条件加以比较后确定。需要考虑的因素有[11]：①供气区域范围；②管道敷设地的环境状况；③使用成本控制；④供气量的大小。

表3　沼气管道设计压力情况[11]

1.3.2管材的选择。为了达到使用寿命长、运行和建设成本低、施工和维护方便的效果，在选择输送沼气的管材时，应保证其具有良好的抗腐蚀性、足够的机械强度以及抗震性等。当前常用的管材有塑料、铸铁和钢，其主要特点如表4所示。

表4　管材优缺点及其适用情况

1.3.3输气管道设计。

第一步，明确已知条件。确定输气管、集气管等各管道的实际长度；沼气用户的小时用气量以及沼气用具的额定压力；系统中各个仪表、管道附件等安装位置以及压力降等参数。

第二步，按小时最大流量计算干管、支管的计算流量。确定储气柜到到沼气用具的总压力降，并分配总压力降知各段管道。具体可参考表5相关参数。

表5　沼气管道压力分配[11]　MPa

第三步， 根据沼气技术规范里面的相关公式计算各段输气管的管径。

2总结

尽管国内外目前对沼气工程相关技术已经进行了大量的研究，并取得了不少成果，但针对沼气工程集中供气系统这一特定模式的研究仍比较少，相关研究主要围绕沼气发酵工艺及其装置展开，其输气管道的选择缺少科学计算与理论依据、监控系统的设计也无统一规范或标准。因此，需要对沼气工程集中供气系统进行进一步的研究，以推动沼气工程这一清洁能源的推广应用。

参考文献

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中图分类号S216.4

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)30-344-03

基金项目中国热带农业科学院院平台专项 “沼气发电与集中供气远程监控及物联网系统研究” (1630062014022)；2014年广东省研究生教育创新计划项目。

作者简介张窝羊(1987- )，男，河南漯河人，硕士研究生，研究方向：机械制造及其自动化以及加工设备自动化。*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事先进制造技术和智能算法研究。

收稿日期2015-09-14

TheReviewoftheBiogasEngineeringGasSupplySystem

ZHANGWo-yang1, YU Guo-yan1*,ZHENGYong2et al (1.SchoolofEngineering,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang,Guangdong524088; 2.AgriculturalMachineryInstitute,ChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences,Zhanjiang,Guangdong524091)

AbstractBased on introducing the biogas engineering gas supply system, the current development situation of methane gas supply system was analyzed from three aspects of gas supply mode, automatic control and distribution system, then the existing problems were summarized, and finally the development trend was forecasted.

Key wordsBiogas engineering; Gas supply mode; Gas supply; The development trend