沼气工程产气量计量检测方法及装置

我国农村沼气建设从2015年起进入转型升级阶段, 农业部重点支持规模化生物天然气项目和沼气工程建设, 在新形势下, 沼气工程建设面临诸多挑战与困难, 亟需在沼气项目管理模式、生产方式和补贴机制等方面有所创新[1-2]。沼气工程产气量是衡量沼气工程建设质量和运行效果的重要指标之一, 产气量检测是否准确可靠是沼气“终端补贴”的前提。目前, 在沼气工程产气量检测方面的文献较少。

在目前质检中心的实际工作中, 现有沼气工程产气量的测量方法有两种:一种是利用沼气工程输气管路上已安装好的流量计, 记录24小时产气量, 或者换装第三方检测机构的流量计, 该程序较为繁琐:阀门关闭—停止输气—切断管道—安装流量计—检测完成—停止输气—卸下流量计—连接管道;另一种方法是利用沼气工程的湿式储气柜, 测量储气柜浮罩的横截面积, 通过测量一定时间内浮罩上升高度, 计算产气量大小。前者因现有流量计的检定状态和度不能满足第三方检测需要, 导致数据溯源困难, 同时, 更换流量计程序繁琐, 两次停气, 影响沼气工程运行安全;后者需要沼气工程建有湿式储气柜, 浮罩容积满足沼气工程24小时产气量, 且检测期间不能用气, 若工程采用双膜气柜或软体储气袋, 则无法使用该方法检测。鉴于此, 笔者提出了两种检测方法, 设计了两套沼气工程产气量检测装置, 以期为实际工作中沼气产量的检测提供相关理论支持和方法参考。

设计原理:利用沼气输气管道预留的采样口或其它孔口, 将传感器与沼气输气管道连接, 传感器上端用数据线将其与显示器连接, 通过传感器下端探头将沼气流速、压力和温度的数据传输出来, 再将流速乘以输气主管道横截面积进而得到流量 (已申请发明专利) 。

设计一种连接装置 (见图1) , 主要由管道风速传感器、橡皮塞、锥形套和螺帽构成, 其特征在于管道风速传感器插入橡皮塞中, 橡皮塞装在锥形套中, 锥形套通过螺帽固定于沼气管道的预留孔口上。锥形套上设置有限位板, 用于限定橡皮塞的位置;限位板上开有传感器孔口;螺帽通过螺纹与预留孔口连接, 在螺帽与预留孔口连接处, 设置有密封垫圈[3]。

如图1所示, 将橡皮塞中心打孔后, 从螺帽下端塞入锥形套, 塞至限位板处, 并压紧, 把经检定或校准后的风速传感器 (德图DT-8880, 见图2) 从橡皮塞底部插入, 并通过传感器孔口, 漏出传感器的上部, 根据沼气输气管道内径调整传感器插入长度, 传感器探头将输气主管道四等分, ***后把密封垫圈放入螺帽备用。

将沼气工程输气主管道的阀门关闭, 把预留孔口的阀门或其它连接件 (如压力表) 卸下, 然后把螺帽快速拧上, 拧紧, 使之与预留孔口牢固地连成一体。

在测量过程中, 由于橡皮塞塞入的是锥形套, 下大上小, 在沼气压力作用下, 越压越紧, 防止泄露, 加之有限位板, 避免了橡皮塞脱落, 密封垫圈防止螺帽与预留孔口之间泄漏, 以上措施均可保证装置良好的密封性。橡皮塞和密封垫圈是易损品, 用一段时间须更换, 使装置可重复使用, 且能长期保证密封性。

螺帽可加工成内丝或外丝, 螺帽直径选择10 mm, 16 mm, 20 mm或其它更大的尺寸, 以便适应沼气工程不同的预留孔口。

在整个测量过程中, 注意防火、防静电和禁止有火花产生的操作。

显示器每5分钟记录并自动存储1次数据, 24小时共记录数据288组, 每组数据含沼气实测流速、沼气压力、沼气温度和大气压, ***后进入计算的数据是其算数平均值。将实测流速修正为标准状态下的流速, 再乘以输气主管道横截面积和检测时间, 即为沼气工程24小时产气量[4]。计算公式如下:

式中:Q为沼气工程24小时流量, m³;V为沼气输气主管道实测流速, m·s^-1;t为沼气温度, ℃;P_a为实测大气压, k Pa;P_m为沼气输气主管道实测压力, k Pa;P_v为在温度为t时饱和水蒸气的压力, k Pa;S为沼气输气主管道横截面积, ㎡;T为产气时间, (3600×24) S。

系统适用于带气室的厌氧发酵罐。沼气工程产气量检测系统 (见图3) 主要由精密流量计和软体4组成, 精密流量计一端与输气管道上原有的测量接口连接, 另一端通过阀门与软体袋连接。通过检定或校准后的精密流量计可测量气体流量、压力和温度[5]。

如需测量沼气工程6小时所生产沼气摩尔数, 可将输气管道上的阀门B关闭, 6小时内生产沼气的摩尔数△_n=n_{6 h后}-n_{6 h前}。根据理想气体状态方程PV=nRT推导出其中:R为常数8.31, 6小时前后的压力和温度可通过精密流量计测量, 6小时前后发酵罐的气室和输气管道的体积也不会发生变化, 但无法通过仪器测量, 需检测系统来计算, 进而才能计算出6小时内产生的沼气摩尔数[6]。

关闭阀门B后, 可通过精密流量计测量阀门C打开前后的气体压力、气体温度和进入软体袋的气体体积。打开阀门C后, 软体袋和输气管道的压力在很短时间就达到平衡, 这段时间内产生的沼气量可忽略不计。根据理想气体状态方程PV=nRT, 可得到打开阀门C前后的两个方程, 这两个方程含两个未知数V和n, 通过这两个方程可以计算出发酵罐气室和输气管道的体积, 再计算出6小时内产生沼气的摩尔数, ***后将摩尔数换算成标准状态下的体积, 这便是该沼气工程6小时内的产气量[7]。

第1步:关闭阀门A、阀门B和阀门C, 安装检测系统;

第2步:打开阀门A, 待精密流量计数据稳定后读取大气压力P₀, 沼气压力P₁, 气体温度T₁和流量度数Q, 设此时发酵罐和输气管道中沼气摩尔数为n₁, 由PV=nRT, 得:

第3步:待产气6小时后, 这时因发酵罐中有沼气产生, 但阀门B是关闭状态, 发酵罐和输气管道中压力会上升, 此时读取精密流量计上显示的大气压P₀^/, 沼气压力P₂和气体温度T₂, 设此时发酵罐和输气管道中的沼气摩尔数为n₂, 由PV=nRT, 得:

第4步:打开阀门C, 让沼气经精密流量计进入软体袋, 此时, 发酵罐和输气管道中的压力会下降, 待系统稳定后, 读取沼气压力P₃, 气体温度T₃和流量度数Q^/, 由PV=nRT, 得:

由2.3中公式 (2) 和公式 (3) 推导:

得出:

由公式 (1) 得:

由公式 (2) 得:

根据公式 (5) 和公式 (6) , 得:

将公式 (4) 代入公式 (7) , 得:

通常产气量一般用标准状态下体积表示, 所以需要将产生沼气摩尔数Δn换算成该摩尔数的气体在标准状态下的体积ΔV。

由PΔV=ΔnRT, 得:

标准状态下, 压力为101325 Pa, 温度为273.15K, 将公式 (8) 代入公式 (9) , 得:

通过公式 (10) 可计算沼气工程6小时内的产气量, 沼气工程产气量一般以24小时来计, 要使检测结果更准确可靠, 可连续重复上述检测步骤4次, 对于发酵温度恒定, 产气速率波动较小的沼气工程, 也可用检测1次结果的4倍来计算 (已申请发明专利) 。

  沼气产量检测方法1操作较为便捷, 数据为仪器自动采集, 计算也较为简单;沼气产量检测方法2准确度更高, 但人工采集的数据较多, 计算稍显复杂。方法2不能一次性检测24小时产气量, 一是需要软体储气袋的容积太大, 不便于携带;二是24小时产生的沼气憋在发酵罐较小的气室内会抑制产气, 还存在一定的安全隐患。因此根据沼气工程的产气特点, 方法2也可缩短测量时间 (1小时, 2小时, 3小时等) , 增加测量次数。

  上述两种方法都无需沼气工程已安装流量计, 克服了现有测量方法度不高、适用性不广和测量值不具备横向可比性等缺陷, 在不同温度和大气压下对沼气工程产气量的测量结果准确可靠, 采用经检定或校准后的仪器, 可实现第三方无损检测。