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周闖1，劉偉1，王欣1，李明2
(1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150027；2.黑龍江省中晟恒邦科技開發有限公司，哈爾濱150028)
摘要：為使我國北方農村地區能夠更好地實現清潔供能，設計了基于沼氣工程的分布式供能供氣模式，包括分布式供能供氣模式設計、氣熱聯供系統工藝設計、供氣集成設備工藝設計、供熱鍋爐工藝設計、自控系統設計，解決北方地區村鎮分布散、輸送距離長引起的集中供能難度大、成本高的問題，是實現長距離、較分散的廣大農村地區用能用氣的有效方式。
黑龍江省農業十分發達，發達農業的背后產生了大量的農業廢棄物，秸稈每年超過1億噸，糞污每年超過3億噸，嚴重污染環境[1-4]。沼氣發酵作為處理這些有機廢棄物的有效技術在我國已廣泛應用。沼氣的利用形式包括沼氣發電并網、提純車用天然氣、民用燃氣供暖及炊事等[5-7]。但是，由于我國北方農村地區村與村之間距離較遠且較為分散，很難以鋪設燃氣管網的形式進行農村供氣的全覆蓋[8-10]。結合多年經驗，提出了基于沼氣工程的分布式沼氣供能供氣模式，這是實現長距離、較分散的廣大農村地區用能用氣的有效方式。
1分布式供能供氣模式設計
我國農村地區村落分布一般較分散，傳統形式是以沼氣工程為中心，通過燃氣管道向周圍村落進行燃氣供應，很難實現農村地區的全范圍覆蓋，且隨著傳輸距離的增長，建造成本也愈加昂貴[11-12]。設計了基于沼氣工程的分布式供能供氣模式，以“移動氣站”形式進行能源傳輸，將自然村落作為能源考量和應用的基本單元，摒棄了傳統以沼氣工程為中心的大面積集中供能的設計和評價方法，克服了北方地區村落分布散、輸送距離長引起的集中供能難度大、成本高等問題，適宜于北方農村地區清潔用能的可持續發展[13-14]。
基于沼氣工程的分布式供能供氣模式的基本內容，是以分散的自然村為單位，建立村基站，進行能源供應。基站氣源來自沼氣工程生產的沼氣，經過壓縮灌裝至氣瓶后運輸至村基站。基站內設有供能供氣的集成設備，為該村農戶提供集中采暖及炊事供氣。該模式具體運行流程如圖1所示。
2氣熱聯供系統設計
北方地區村鎮級沼氣型氣熱聯供系統的組成如圖2所示。主要由沼氣鍋爐及其水處理子系統、集成調壓及其供氣站子系統、自動控制子系統組成。系統采用集中式供熱及供氣設計，能夠提高熱能利用效率，降低污染物的排放。
2.1氣熱聯供系統工藝設計
圖3是氣熱聯供系統的工藝設計圖。系統主要是由村基站、移動式供氣集成設備、氣站、用戶端供氣調壓箱等部分組成。基站主廠房內主要設計有控制室、鍋爐間、水處理間、發電機間和值班室。氣站設置于距離基站35m處，保持足夠的防火安全距離，主要用于氣瓶組的裝卸、存放及連接。供氣集成設備采用移動式撬裝設計，設置于氣站旁，露天放置，用于將氣瓶中的高壓沼氣調至燃燒設備適宜的壓力，由于末端用戶距離氣站較遠，在用戶端設計有供氣調壓箱，保證穩定的炊事供氣壓力。
2.2移動式供氣集成設備設計
目前，國內缺少針對沼氣的調壓集成設備，現有調壓設備多針對于天然氣設計，沼氣調壓設備并不多見[15-17]，因此設計的供氣集成設備中有沼氣脫硫裝置，有利于增加后端燃氣管路及燃燒設備的使用壽命。設備整體采用移動式撬裝設計，不需要單獨建造設備廠房。配有快速連接接頭，用戶能夠根據實際使用需求將設備拉運至使用場地，即插即用。供氣集成設備工藝設計如圖4所示。
移動式供氣集成設備的作用是將氣瓶內20MPa高壓沼氣安全地調至鍋爐及用戶炊事燃氣灶適用的2～6kPa的目標壓力。氣瓶組由多個氣瓶并聯匯流至一條總管進入供氣集成設備。供氣集成設備內設有三級調壓裝置，能夠得到更平穩的供氣壓力，適應不同燃氣設備的壓力需求。其中，一級調壓器是將壓力從20MPa調至2～4MPa，二級調壓器是將壓力從2～4MPa調至0.2～0.4MPa，三級調壓器是將壓力從0.2～0.4MPa調至2～6kPa。管路中的重要壓力節點均設有安全閥，當壓力傳感器檢測到節點處壓力大于限值時，安全閥泄壓后匯流至火炬燃燒，防止泄放造成的大氣污染。高壓氣體在壓力釋放過程中會吸收大量的熱，對元器件造成破壞。本工藝中設計有二次復加熱裝置，能夠有效補充氣體壓力釋放過程中吸收的熱量。
由于末端農戶距離氣站較遠，炊事供氣管路較長，為保證足夠的供氣壓力，使用二級調壓出氣口(0.2～0.4MPa)進行供氣。入戶前裝設供氣調壓箱，再將壓力調至合適的炊事壓力(2～4kPa)。沼氣鍋爐和沼氣發電機使用三級調壓出氣口(2～6kPa)直接供氣。
2.3沼氣鍋爐供熱設備設計
根據示范村的采暖總面積及房屋維護結構信息，進行供熱量核算。鍋爐設計功率為700kW，采用常壓供熱設計，鍋爐的基本設計參數如表1所示。
沼氣鍋爐系統由鍋爐本體、沼氣燃燒器、自控系統及鍋爐輔機等組成，如圖5所示。其中，輔機部分包括軟水器、補水箱、除污器、分集水器、煙囪等。軟水器設計為1t/h流量。補水箱采用鋼制，容積1m³。循環泵2套，一用一備。循環水流量24m³/h，揚程32m。設置除污器，清除和過濾管道中的雜質和污垢，保持系統內水質潔凈，防止管道堵塞。根據示范村房屋排列情況，設計分水器供水管路2條，集水器回水管路2條。如圖6所示，鍋爐本體采用濕背式三回程結構設計。該結構設計能夠有效降低爐膽出口的高溫煙氣對回煙室的輻射沖刷，解決鍋爐尾部過熱等問題[18-19]。
另外，采用連續波紋爐膽、螺紋煙管等結構設計，能夠有效緩解熱膨脹造成的損傷，增大受熱面積，保證鍋爐熱效率達到93%以上。
3村基站自控系統設計
設計了基于西門子PLC的硬件控制執行系統，包括CPU模塊S7-200SMAＲT、模擬輸入\輸出模塊EMAE06、數字量輸入\輸出模塊SBDT04等。按照系統工藝流程搭建了基于WINCC組態軟件的人機交互監控系統，如圖7所示。包括主控界面、供暖系統界面、供氣系統界面、無線通信界面、參數設定界面、實時趨勢曲線畫面等，能夠實時采集并顯示村基站全部設備的運行狀態，實現系統的全過程自適應運行。
4結論
設計的分布式供能供氣模式，能夠解決北方地區村鎮分布散、輸送距離長引起的集中供能難度大、成本高等問題，增加了系統的靈動性，是實現長距離、較分散的廣大農村地區用能用氣的有效方式。
介紹了氣熱聯供系統的組成結構及集成供氣設備與供熱鍋爐設備的基本組成和功能原理，繪制了工藝設計圖，為我國北方農村地區的清潔供能提供了很好的建設方案。
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