摘  要 沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，本文介紹基于和利時(shí)公司 LK系列PLC的沼氣發(fā)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)為冗余熱備CPU配置，所有模塊均支持帶電插拔，大大提高了沼氣發(fā)電工藝過程穩(wěn)定性、安全性。

　　關(guān)鍵詞  沼氣；沼氣發(fā)電；垃圾厭氧發(fā)酵；LK；

　　1 概述

　　沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，是集環(huán)保和節(jié)能于一體的能源綜合利用新技術(shù)，它利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物（例如：酒糟液、禽畜糞、城市垃圾和污水等）經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣，驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并可充分利用發(fā)電機(jī)組的余熱用于沼氣生產(chǎn)，使綜合熱效率達(dá)80％左右，大大高于一般30~40%的發(fā)電效率，用戶的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

　　2 工藝流程介紹

　　2.1 垃圾厭氧發(fā)酵

圖  1  垃圾厭氧發(fā)酵工藝流程圖

　　厭氧發(fā)酵工藝一般由分選預(yù)處理、厭氧發(fā)酵、后處理(沼氣利用、殘?jiān)逊实?3部分組成，其主要工藝流程見圖l。處理的方法是：先將運(yùn)來的垃圾進(jìn)行機(jī)械和人工分檢，以分離不可發(fā)酵部分。分檢后的垃圾再進(jìn)入精分檢池內(nèi)進(jìn)行砂石和泥土分離，分檢后的大量有機(jī)物經(jīng)酸化發(fā)酵，多級厭氧，發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，沼氣凈化后用于發(fā)電，發(fā)電余熱和浮飄物燃燒后給厭氧間加溫，這樣可實(shí)現(xiàn)恒溫厭氧發(fā)酵，大大提高降解速度，減短滯留期。

　　2.2 沼氣發(fā)電系統(tǒng)

　　垃圾沼氣發(fā)電系統(tǒng)分為收集系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)四大部分。

圖  2  沼氣發(fā)電工藝流程圖

　　收集系統(tǒng)由井管、井頭、管網(wǎng)及冷凝水收集器等組成。

　　抽氣系統(tǒng)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)真空抽氣將填埋氣以負(fù)壓狀態(tài)由集氣井中抽出。

　　凈化系統(tǒng)包括冷凝水分離器及塵埃過濾器等，前者主要是去除沼氣中的水份，后者則主要去除沼氣中粒狀污染物，以避免其進(jìn)入發(fā)電系統(tǒng)中造成發(fā)電機(jī)的磨損。初步凈化后的氣體引至加壓風(fēng)機(jī)，壓力提升后進(jìn)入后冷卻器，經(jīng)過凝聚過濾器的進(jìn)一步過濾，過濾后的氣體再經(jīng)過兩個(gè)過濾器分兩路進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)輸出電能。

　　發(fā)電系統(tǒng)即將發(fā)出的電能送至電網(wǎng)。

　　3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)分為三級管理，包括管理級（中心控制室）、控制級（PLC控制站）及現(xiàn)場級。由1個(gè)中央控制室、2個(gè)PLC控制站（設(shè)于垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)）和現(xiàn)場被控設(shè)備組成。中央控制室上位機(jī)與PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

　　管理級（中心控制室）

　　管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對沼氣發(fā)電過程各部分的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)廠級的辦公自動(dòng)化。管理級提供人機(jī)接口，是整個(gè)控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面。

　　管理層采用客戶/服務(wù)器（Client/Server）的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器具有遠(yuǎn)程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報(bào)警功能、報(bào)表功能、通訊功能和冗余功能等。中央控制室中設(shè)備包括：兩臺安裝和利時(shí)公司FacView監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器作為上位機(jī)，兩臺服務(wù)器互為備用，實(shí)現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　控制級（PLC控制站）

　　控制級是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對厭氧發(fā)酵和沼氣發(fā)電過程進(jìn)行控制，同時(shí)將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。

圖  3  自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　控制級要求具有高可靠性，采用以和利時(shí)公司高性能、高可靠性的 LK系列PLC為主的控制系統(tǒng)。采用兩個(gè)LK冗余CPU模塊LK210，通過高速背板總線通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息同步，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備冗余。另外，CPU模塊作為PROFIBUS-DP主站，與遠(yuǎn)程分布式智能I/O通過冗余的PROFIBUS-DP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　現(xiàn)場控制級接受生產(chǎn)管理級的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級而運(yùn)行：若監(jiān)控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障或者并沒有投入使用或者通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場控制站仍繼續(xù)正常工作，對整個(gè)工藝過程沒有影響。

　　現(xiàn)場級

　　現(xiàn)場級是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場級主要由檢測儀表（如液位計(jì)、傳感器等）、控制設(shè)備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

　　4 工藝控制策略

　　4.1 垃圾發(fā)酵系統(tǒng)

　　LK PLC控制系統(tǒng)可根據(jù)沼氣發(fā)酵工藝的要求，對工藝的各參數(shù)進(jìn)行采集并加以順序或邏輯控制，PLC控制的單元包含預(yù)處理單元、厭氧發(fā)酵單元、沼氣凈化單元和沼氣存儲單元。

　　預(yù)處理單元

　　定量的糞污和水加入調(diào)料池中，液位達(dá)到高位；然后開啟攪拌機(jī)，同時(shí)打開鍋爐房內(nèi)蒸汽管道的閥門；當(dāng)調(diào)料池內(nèi)的溫度達(dá)到33℃時(shí)開啟提升泵；液位達(dá)到低位時(shí)，提升泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，攪拌機(jī)停止攪拌。

　　USR厭氧發(fā)酵單元

　　當(dāng)USR的溫度低于35℃時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。

　　沼氣凈化單元

　　當(dāng)緩沖罐接觸到高位行程開關(guān)時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)緩沖罐接觸到低位行程開關(guān)時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。沼氣凈化室和空壓機(jī)房內(nèi)甲烷泄露報(bào)警；同時(shí)進(jìn)行流量顯示。

　　沼氣存貯單元

　　高壓貯氣柜的壓力范圍為0～0.8MPa。

　　被控工程設(shè)備

　　（1）調(diào)料池進(jìn)料泵：1臺

　　（2）調(diào)料池?cái)嚢铏C(jī)：1臺

　　（3）貯肥池提升泵：1臺

　　（4）沼氣凈化室壓縮機(jī)組：1組（2臺，1用1備）

　　在自動(dòng)方式下，所有設(shè)備根據(jù)關(guān)聯(lián)的液位和行程開關(guān)狀態(tài)由PLC自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。

　　4.2 沼氣發(fā)電系統(tǒng)

　　沼氣系統(tǒng)

　　從氣柜來的沼氣經(jīng)沼氣加壓機(jī)加壓達(dá)到8～20kpa，溫度在10-25℃，濕度達(dá)到燃機(jī)的要求后進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。本系統(tǒng)配置了兩臺沼氣加壓機(jī)，兩臺加壓機(jī)出口管由一電動(dòng)閥連通，可以保證加壓機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)交叉?zhèn)溆谩?BR>
　　從燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)出來的煙氣為487℃，通過PID控制三通閥，選擇直接排放或余熱利用后排放。

　　冷卻系統(tǒng)

　　冷卻系統(tǒng)具有冬季和夏季兩種模式，冬季時(shí)余熱回收利用，利用循環(huán)水系統(tǒng)對儲水罐的水加熱后通過板式換熱器散熱，通過PID控制循環(huán)水出水溫度。夏季時(shí)熱量不回收利用，直接使用板式換熱器散熱。
　
　　中冷器II級換熱器

　　循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水泵加壓后進(jìn)入II級換熱器，當(dāng)回水溫度過高時(shí)，經(jīng)過屋頂散熱器散熱；否則直接進(jìn)入循環(huán)水泵。

　　余熱鍋爐系統(tǒng)

　　余熱鍋爐系統(tǒng)具有冬季和夏季兩種模式，冬季時(shí)余熱回收利用，通過鍋爐循環(huán)系統(tǒng)對儲水罐的水加熱，超溫時(shí)，煙氣直接排放，余熱鍋爐缺水和超溫時(shí)報(bào)警。夏季時(shí)余熱不回收利用，煙氣直接排放。

　　補(bǔ)水定壓系統(tǒng)

　　儲水罐、屋頂緊急散熱器循環(huán)系統(tǒng)以及夏季運(yùn)行時(shí)的鋼套水循環(huán)系統(tǒng)，在運(yùn)行開始前，系統(tǒng)要進(jìn)行補(bǔ)水。運(yùn)行時(shí)，低于警界水位后也要進(jìn)行補(bǔ)水。

　　燃機(jī)室內(nèi)環(huán)境的要求

　　室內(nèi)溫度高于40℃或低于10℃時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

　　5 系統(tǒng)功能

　　顯示功能

　　具有多窗口的PID圖、報(bào)警畫面、趨勢圖、指導(dǎo)畫面、控制畫面、參數(shù)修改畫面、故障診斷畫面、動(dòng)態(tài)畫面等各種監(jiān)視畫面。

　　安全功能

　　分別設(shè)定操作員和系統(tǒng)員的進(jìn)入口令。在運(yùn)行環(huán)境下，屏蔽Windows所有熱鍵，從而鎖定系統(tǒng)自由進(jìn)出。系統(tǒng)上電后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。在多重上位機(jī)監(jiān)控平臺時(shí)設(shè)定操作站的優(yōu)先級保證控制室內(nèi)操作站與現(xiàn)場人機(jī)接口同時(shí)操作的安全性。

　　歷史數(shù)據(jù)管理

　　對所有采集數(shù)據(jù)任意設(shè)定存取間隙和存取方式。

　　打印報(bào)表

　　按用戶定義的報(bào)表格式進(jìn)行定時(shí)、報(bào)警和隨機(jī)打印。

　　事件記錄

　　事件和內(nèi)部時(shí)鐘可按時(shí)間順序區(qū)分和管理，并可及時(shí)顯示和打印。定期記錄包括交接班記錄、日報(bào)、和月報(bào)。

　　監(jiān)控TAG及調(diào)試

　　采用結(jié)構(gòu)化TAG定義。既可通過TAG定義隨時(shí)修改每個(gè)測點(diǎn)的有效狀態(tài)、報(bào)警管理、歷史數(shù)據(jù)、死區(qū)與PLC通訊參數(shù)等，同時(shí)按修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的TAG值來執(zhí)行調(diào)試操作。

　　數(shù)據(jù)庫接口與數(shù)據(jù)通訊

　　具備開放性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可接受任何任務(wù)的訪問并與其交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具備復(fù)制和分發(fā)功能，將信息分送給其它的通用數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，同時(shí)應(yīng)支持SQL、ODBC或OLE DB的應(yīng)用程序。所有數(shù)據(jù)可用符號代表，如：VAVLE、MOTOR等，需要時(shí)可對變量的每次改變進(jìn)行監(jiān)視和處理。

　　控制操作功能

　　可按組態(tài)通過鼠標(biāo)指定畫面上的對象進(jìn)行開關(guān)或增減操作。回路響應(yīng)時(shí)間不大于2秒。

　　控制系統(tǒng)采用程控、遠(yuǎn)控、就地控制相結(jié)合的方式，對于電動(dòng)門、氣動(dòng)門、泵、風(fēng)機(jī)等控制對象除了在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)方控制外，保留就地操作手段。

　　對于程序控制系統(tǒng)具有自動(dòng)、半自動(dòng)、步操、鍵操、及就地手操五種操作方式。在手動(dòng)方式下操作員啟停電動(dòng)機(jī)、開關(guān)閥門及其它設(shè)備時(shí)，LCD畫面提供操作指導(dǎo)。

　　現(xiàn)場設(shè)備故障，影響程控前進(jìn)時(shí)，在滿足相關(guān)約束下，運(yùn)行人員干預(yù)可進(jìn)行跳步操作。

　　6 結(jié)束語

　　沼氣發(fā)電是集環(huán)保和節(jié)能于一體的能源綜合利用新技術(shù)，采用以和利時(shí)公司高性能、高可靠性的LK系列可編程控制器（PLC）為主的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，大大提高了沼氣發(fā)電運(yùn)行過程的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，同時(shí)使系統(tǒng)維護(hù)更加方便快捷，該系統(tǒng)已在北京德清源沼氣發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用，至今運(yùn)行情況良好，得到了用戶的好評。

　　參考文獻(xiàn)

　　[ 1 ]  沈劍山. 中國輕工業(yè)出版社. 生物質(zhì)能源沼氣發(fā)電.

　　[ 2 ]  中國農(nóng)業(yè)部/美國能源部項(xiàng)目專家組. 中國生物質(zhì)能技術(shù)商業(yè)化策略設(shè)計(jì). 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社.

　　[ 3 ]  王平洋. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化與智能技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化.

　　[ 4 ]  方承遠(yuǎn). 《工廠電器控制技術(shù)》. 機(jī)械工業(yè)出版社.

　　[ 5 ]  顧戰(zhàn)松. 《可編程控制器原理與應(yīng)用》. 國防工業(yè)出版社.

　　[ 6 ]  和利時(shí)公司.  LK大型可編程控制器硬件手冊. 2008.