填埋气掺烧天然气发电收益估算-以荣昌填埋气发电厂为例

填埋气掺烧天然气发电收益估算　——以荣昌填埋气发电厂为例　

梁永宽，李逸民　（中山大学工学院，广东　广州　５１０００６）　

【摘要】针对新建填埋气发电厂在投运初期存在填埋气产量不足，发电机组容量不能有效利用问题，提出掺烧　天然气助燃方案。采用此方案后，填埋气发电机组效率的提高与多利用低甲烷含量填埋气将取得一定收益。通过对　荣昌填埋气发电厂数据分析计算，若荣昌电厂采用掺烧方案，估算其２０１６年１１月、１２月以及２０１７年１—４月将多取　得６．７８４万元、６．２７３万元与２４．６２７万元收益，掺烧方案具有良好的经济性。　【关键词】填埋气；天然气；掺烧；收益估算　中图分类号：Ｘ７０５；Ｘ７９９．３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５—８２０６（２０１８）０１－００８０－０４　

Ｂｅｎｅｆｉｔ　Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｎｄｆｉｌｌ　Ｇａｓ　ａｎｄ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　Ｃｏ－ｆｉｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ：Ａ　Ｃａｓｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｒｏｎｇｃｈａｎｇ　Ｌａｎｄｆｉｌｌ　Ｇａｓ　Ｐｏｗｅｒ　ＰＩａｎｔ　Ｌｉａｎｇ　Ｙｏｎｇｋｕａｎ，Ｌｉ　Ｙｉｍｉｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｎ　Ｙａｔ－ｓｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１０００６）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｇａｓ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｓｈｏ￣ａｇｅ　ｏｆ　ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｅｔｓ　ａｌｗａｙｓ　ｉｍｐａｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｏｍｅ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｇａｓ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ，ａ　ｃｏ—ｆｉｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔＯ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｏｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｆｔｅｒ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｎｄｆａｌｌ　ｇａｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｅｔｓ　ａｎｄ　ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍｏｒｅ　ｌｏｗ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｇａｓ　ｃａｒｌ　ｇａｉｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｂｅｎｅｆｉｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｏｎｇｃｈａｎｇ　ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｇａｓ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ，ｔｈｅ　ｒｅｖｅｎｕｅ　ｇｒｅｗ　６７．８４　ｔｈｏｕｓａｎｄ　ＲＭＢ　ｉｎ　Ｎｏｖ　２０１　６，６２．７３　ｔｈｏｕｓａｎｄ　Ｒ２ｖｌＢ　ｉｎ　Ｄｅｃ　２０１６，ａｎｄ　２４６．２７　ｔｈｏｕｓａｎｄ　Ｒ　ＭＢ　ｆｒｏｍ　Ｊａｎ　ｔＯ　Ａｐｒ　２０１７　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｐｅｒｉｏｄ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｐｕｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎｔｏ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｏ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅ，ｔｈｅ　ＣＯ—ｆｉｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｈａｖｅ　ａ　ｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｌａｎｄｆｉｌｌ　ｇａｓ；ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ；ＣＯ—ｆｉｒｉｎｇ；ｂｅｎｅｆｉｔ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　

生活垃圾卫生填埋是我国处理城市生活垃圾　的主要方式。据统计，我国２０１４年采用填埋方式　处理的生活垃圾高达１．８２×１０ｓ　ｔ…。生活垃圾填埋　后能产生以甲烷和二氧化碳为主的填埋气。采用　成本低、效率较高、技术较成熟的内燃机发电技　术是我国填埋气利用的最主要方式　２。对于填埋　气发电项目，填埋气的利用依赖其产量。而新建　填埋气发电厂在投运初期仍会面临填埋气产量不　足，使得发电机组运行在较低负荷工况。此时的　设备容量利用率低，机组的经济性相对较差。　填埋气产量受垃圾组分、湿度、温度、密度、　填埋量、填埋时间与填埋方式等众多因素影响　¨］。　直接改变上述因素使得填埋气产量上升相对较困　难，且不易量化分析。与此同时，国外有对沼气　与天然气混燃发电的相关研究，如：Ｋａｎｇ　Ｊ．Ｙ．等对　收稿日期：２０１７－０６—２１　１个５　ＭＷ热电联供发电厂采用不同沼气与天然气　混合比率混燃发电供热进行了经济性评估［　；　Ｗａｌｔｅｒ　Ａ．等做了沼气和天然气混燃用于联合循环发　电供热的可行性研究　。通过直接掺烧天然气满　足内燃发电机所需燃料量，解决填埋气产量不足　问题，此种方式较为简便。　笔者以荣昌填埋气发电厂为例，期望通过直　接掺烧天然气助燃解决新建填埋气发电厂投运初　期填埋气产量不足问题，充分利用机组富余容量，　取得掺烧发电收益。　ｌ填埋气发电厂概况　荣昌填埋气发电厂于２０１６年５月中旬投入运行。　电厂配置２台胜动５００　ｋＷ内燃发电机组，内燃机型　号为１２ｖ１９０ＺＩＩＫ一２Ａ，发电机型号为５００ＧＪＩ一２ＦＷＺ。　填埋气收集采用竖井和横井综合收集利用方　式。当地因生活垃圾含水率与降水量偏高，填埋　场内渗沥液产生量较大。而填埋场内地埋管基本　环境卫生工程２０１８年２月第２６卷第１期Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓａｎｉｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１８．Ｖｏ１．２６。Ｎｏ．１　处于堵塞状态，渗沥液流量小，导排不理想。当　渗沥液过多时，由于渗沥液中氨氮浓度含量较高，　不利于甲烷生成。为保证填埋气产量稳定充足，　其填埋气收集系统中的竖井多用来排出渗沥液，　横井收集的填埋气量相对较多。　填埋场温度变化会使得填埋气产量受较大影　响，近地面层受温度影响更大［　。填埋气井在秋　冬季节抽取时，因昼夜温差使填埋场近地面层气　温下降过多，而横井填埋深度较浅，导致夜间气　温较低时产气量也相对较低，昼夜产气量波动较　大。目前由于垃圾实际填埋量、抽气井数目不足，　以及环境温度变化等问题导致了荣昌电厂填埋气　产量相对不足。　表１按小时统计荣昌２０１６年１１月机组运行　数据。因填埋气产量不足，此时荣昌填埋气发电　厂双机运行时，平均只能带６８．１３４％的负荷。在产　气量更低时，为保证填埋气中足够的甲烷体积分　数使机组可靠运行，只能采用单机运行方式。单　机运行能达到８７．５２４％的较高平均负荷率。　统计自２０１６年１１月至２０１７年４月间机组运　行状况，这０．５　ａ机组运行状况与２０１６年１１月类　似，机组运行负荷率不高。在发电最多的２０１７年　４月，此月２台机组几乎处于双机运行状态，但平　均只有６４．８％负荷。由此发现，发电机组容量存在　大量富余，不能充分有效利用。　表１　２０１６年１１月运行数据　注：单机运行按单机负荷５００ｋＷ计，双机运行按总计１　０００ｋＷｉｔ。　２掺烧方案介绍　当荣昌填埋气产量不足，导致发电机组双机　运行负荷率不高以及只能单机运行时，采用掺烧　天然气助燃方案，使得机组进气参数满足高负荷　运行条件，保证燃料品质与燃料量。下面对双机　掺烧与单机掺烧２种情形分别进行分析，对其产　生效益做出估算。　下列计算中内燃发电机组掺烧天然气助燃后　每台机组运行负荷取现场能稳定且长时间达到的　４５０　ｋＷ，此负荷下各运行参数由现场１１月单机运　行时共计１５７个小时点均值得出，其填埋气气耗　率为０．５０９　３５　ｍ３／ｋＷｈ，甲烷体积分数为５４．４％；掺　烧的天然气由ＧＢ　１７８２０－－－２０１２天然气规定一类天　然气高位发热量不低于３６　ＭＪ／ｍｓ，将可燃组分完全　视为甲烷；当地填埋气发电上网电价０．５７７元／ｋＷｈ；　当地工业用天然气价格为２．０７元／ｍ。。　２．１双机掺烧　由表１可知，当负荷率为８７．５２４％时，机组甲　烷耗率为０．２７８　８９　ｍ３／ｋＷｈ。负荷率为６８．１３４％Ｈ￣，　机组甲烷耗率为０．３２５　３１　ｍ３／ｋＷｈ。机组负荷率高　时，机组效率也相对较高。根据上述现象，在双　机运行负荷不高时掺烧天然气，补足所需燃料量，　使每台机组运行在效率相对更优的４５０　ｋＷ。　掺烧天然气不会影响原抽取的填埋气中甲烷　总量。若此时增大填埋气抽气量，抽取的填埋气　甲烷体积分数将不变或有所降低，而抽取的填埋　气中甲烷总量会上升。即掺烧天然气收益最低的　情况为加大填埋气抽取量，而多抽取填埋气中甲　烷增量为０时。此时的掺烧收益估算由表２所示。　表２中掺烧天然气前的机组运行参数选为表１中　双机运行时平均统计参数。　表２双机掺烧收益估算结果　计算项　数值　机组气耗率／（ｍ　ｗｈ）　掺烧前填埋气甲烷体积分数／％　掺烧后混合气甲烷体积分数／％　单位体积填埋气需掺烧天然气量，ｍ’　总填埋气消耗量／（ｍ３／ｈ）　填埋气中甲烷总量／（ｍ３／ｈ）　填埋气中多抽取甲烷增量／（ｍ３／ｈ）　掺烧天然气体积／（ｍ３／ｈ）　单位电量增加成本／（元／ｋＷｈ）　多发电收益，（元，ｈ）　燃气成本／（元，ｈ）　增加收益／（元，ｈ）　

由表２可知，此种情形采用掺烧方案至少能　有６０．６２元／｝１收益，抽取的填埋气甲烷体积分数　为５１．７％。荣昌填埋气发电厂１　１月双机机组运行　小时数为２７１　ｈ，按此种情况计则月收益增加值为　１．６４３万元。　在双机掺烧中，多抽取填埋气使填埋气中甲　烷体积分数稳定在不同值，所需匹配的各掺烧参　数如表３所示。其中甲烷体积分数低限取为多抽　取填埋气甲烷增量为０的５１．７％；高限取为机组　

８　Ｉ　３　，；７　１１月双机运行平均甲烷含量５３．２％。其实际掺烧　工况点将位于两者之间。　表３　不同填埋气甲烷体积分数双机掺烧计算结果　

由表３可知，在此双机运行工况下掺烧天然　气应保证机组抽取的填埋气体积分数不低于　５　１．７％，且掺烧收益随着天然气掺烧量增加而减少。　２．２单机掺烧　当填埋气产量更低，为保持机组负荷而加到　大抽气量时，会导致填埋气中甲烷体积分数明显　降低。填埋气中甲烷体积分数低于运行规定值，　即５０％时，需手动降低双机运行负荷或改变机组　运行方式。当机组运行方式由双机运行转变为单　机运行时，将大幅减少填埋气抽气量。此时单机　虽能稳定带上高负荷，但整厂机组容量利用率不　高。并且抽取利用的填埋气总量也大幅下降，填　埋气产气潜能不能充分利用。　在实际运行中发现，抽气量增多导致填埋气　中甲烷体积分数降低时，抽取的填埋气中甲烷总　量却能保持不变或有少量上升。此时填埋气中氧　气含量几乎不变，排除了抽取到外界空气的因素。　并且相关资料表明，垃圾在填埋２１个月后逐步达　到产气高峰，然后逐月减少，填埋３７个月后，其　填埋气甲烷体积分数降低至１　１％～１２％Ｅ　。当填埋　气井产气量减少时，气井抽气影响范围将加大¨７］。　就此推断，当产气量过低时，荣昌当地抽取到填　埋时间过长垃圾所产生的低甲烷体积分数的填埋　气。此时填埋气甲烷体积分数较低，品质不足。　针对上述情况，单机运行时掺烧天然气使每　台机组均运行在效率相对更优的４５０　ｋＷ。充分利　用可供抽取的低甲烷体积分数的填埋气。　下列计算中掺烧前机组参数采用表１中单机　运行时统计参数；掺烧前机组甲烷体积分数采用　１　１月机组运行工况将由双机运行转为单机运行，　其填埋气中甲烷体积分数低于５０％时，双机运行　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓａｎｉｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１８，Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．１　工况下的共计３８个小时点均值４７．９％。不计多抽　取的低甲烷体积分数填埋气成本。其掺烧收益估　算由表４所示。　表４单机掺烧收益估算结果　计算项　数值　机组气耗率／（ｍ　ｗｈ）　掺烧前填埋气甲烷体积分数／％　掺烧后混合气甲烷体积分数，％　单位体积填埋气需掺烧天然气量／ｍ　总填埋气消耗量／（ｍ　／ｈ）　填埋气中甲烷总量，（ｍ３／ｈ）　填埋气中多抽取甲烷增量／（ｍ３／ｈ）　掺烧天然气体积ｌ（ｍ３／ｈ）　单位电量增加成本，（元／ｋｗｈ）　多发电收益，（元ｍ）　燃气成本／（元，ｈ）　增加收益，（元／ｈ）　由表４可知，若在上述条件中采用掺烧方案，　机组可增加１２０．１３元／ｈ收益，荣昌填埋气发电厂　１１月单台机组运行小时数为４２８　ｈ，按此种情况计　月收益增加值为５．１４２万元。　机组运行方式由单机运行重新转换为双机运　行时，抽取的填埋气量相比单机运行将大幅度增　加。表５列出了相比单机运行时多抽取填埋气使　得填埋气中甲烷体积分数稳定在不同值，双机同　时带９０％负荷时，所需匹配的各掺烧参数。　表５不同填埋气甲烷体积分数单机掺烧计算结果