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案例頻道 摘 要 沼氣燃燒發電是隨著沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，本文介紹基于和利時公司 LK系列PLC的沼氣發電自動化控制系統，該系統為冗余熱備CPU配置，所有模塊均支持帶電插拔，大大提高了沼氣發電工藝過程穩定性、安全性。
關鍵詞 沼氣；沼氣發電；垃圾厭氧發酵；LK；
1 概述
沼氣燃燒發電是隨著沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，是集環保和節能于一體的能源綜合利用新技術，它利用工業、農業或城鎮生活中的大量有機廢棄物（例如：酒糟液、禽畜糞、城市垃圾和污水等）經厭氧發酵處理產生的沼氣，驅動沼氣發電機組發電，并可充分利用發電機組的余熱用于沼氣生產，使綜合熱效率達80％左右，大大高于一般30~40%的發電效率，用戶的經濟效益顯著。
2 工藝流程介紹
2.1 垃圾厭氧發酵
圖 1 垃圾厭氧發酵工藝流程圖
厭氧發酵工藝一般由分選預處理、厭氧發酵、后處理(沼氣利用、殘渣堆肥等)3部分組成，其主要工藝流程見圖l。處理的方法是：先將運來的垃圾進行機械和人工分檢，以分離不可發酵部分。分檢后的垃圾再進入精分檢池內進行砂石和泥土分離，分檢后的大量有機物經酸化發酵，多級厭氧，發酵產生沼氣，沼氣凈化后用于發電，發電余熱和浮飄物燃燒后給厭氧間加溫，這樣可實現恒溫厭氧發酵，大大提高降解速度，減短滯留期。
2.2 沼氣發電系統
垃圾沼氣發電系統分為收集系統、抽氣系統、凈化系統、發電系統四大部分。
圖 2 沼氣發電工藝流程圖
收集系統由井管、井頭、管網及冷凝水收集器等組成。
抽氣系統采用羅茨鼓風機真空抽氣將填埋氣以負壓狀態由集氣井中抽出。
凈化系統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，以避免其進入發電系統中造成發電機的磨損。初步凈化后的氣體引至加壓風機，壓力提升后進入后冷卻器，經過凝聚過濾器的進一步過濾，過濾后的氣體再經過兩個過濾器分兩路進入燃氣機輸出電能。
發電系統即將發出的電能送至電網。
3 自動化控制系統設計
控制系統分為三級管理，包括管理級（中心控制室）、控制級（PLC控制站）及現場級。由1個中央控制室、2個PLC控制站（設于垃圾厭氧發酵系統、沼氣發電系統）和現場被控設備組成。中央控制室上位機與PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實時的工業以太網，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為屏蔽雙絞線。
管理級（中心控制室）
管理級是系統的核心部分，完成對沼氣發電過程各部分的管理和控制，并實現廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統與外部信息交換的界面。
管理層采用客戶/服務器（Client/Server）的體系結構。服務器具有遠程控制操作功能、狀態顯示功能、數據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。中央控制室中設備包括：兩臺安裝和利時公司FacView監控組態軟件的冗余服務器作為上位機，兩臺服務器互為備用，實現冗余，提高系統的可靠性。
控制級（PLC控制站）
控制級是實現系統功能的關鍵，也是管理級與現場級之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對厭氧發酵和沼氣發電過程進行控制，同時將現場狀態輸送到管理層。
圖 3 自動化控制系統結構圖
控制級要求具有高可靠性，采用以和利時公司高性能、高可靠性的 LK系列PLC為主的控制系統。采用兩個LK冗余CPU模塊LK210，通過高速背板總線通訊，進行數據信息同步，實現雙機熱備冗余。另外，CPU模塊作為PROFIBUS-DP主站，與遠程分布式智能I/O通過冗余的PROFIBUS-DP進行數據通信。
現場控制級接受生產管理級的調度，但并不依賴于生產管理級而運行：若監控計算機出現故障或者并沒有投入使用或者通信網絡出現故障，現場控制站仍繼續正常工作，對整個工藝過程沒有影響。
現場級
現場級是實現系統功能的基礎。現場級主要由檢測儀表（如液位計、傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統設備的狀態、傳感器參數進行監測，并把監測到的數據上傳；接受控制級的指令對執行機構進行控制。
4 工藝控制策略
4.1 垃圾發酵系統
LK PLC控制系統可根據沼氣發酵工藝的要求，對工藝的各參數進行采集并加以順序或邏輯控制，PLC控制的單元包含預處理單元、厭氧發酵單元、沼氣凈化單元和沼氣存儲單元。
預處理單元
定量的糞污和水加入調料池中，液位達到高位；然后開啟攪拌機，同時打開鍋爐房內蒸汽管道的閥門；當調料池內的溫度達到33℃時開啟提升泵；液位達到低位時，提升泵停止運轉，攪拌機停止攪拌。
USR厭氧發酵單元
當USR的溫度低于35℃時，報警器開始報警。
沼氣凈化單元
當緩沖罐接觸到高位行程開關時，壓縮機啟動；當緩沖罐接觸到低位行程開關時，壓縮機停止運轉。沼氣凈化室和空壓機房內甲烷泄露報警；同時進行流量顯示。
沼氣存貯單元
高壓貯氣柜的壓力范圍為0～0.8MPa。
被控工程設備
（1）調料池進料泵：1臺
（2）調料池攪拌機：1臺
（3）貯肥池提升泵：1臺
（4）沼氣凈化室壓縮機組：1組（2臺，1用1備）
在自動方式下，所有設備根據關聯的液位和行程開關狀態由PLC自動控制設備的運轉和停止。
4.2 沼氣發電系統
沼氣系統
從氣柜來的沼氣經沼氣加壓機加壓達到8～20kpa，溫度在10-25℃，濕度達到燃機的要求后進入燃氣發電機。本系統配置了兩臺沼氣加壓機，兩臺加壓機出口管由一電動閥連通，可以保證加壓機和燃氣發動機交叉備用。
從燃氣發動機出來的煙氣為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
冷卻系統具有冬季和夏季兩種模式，冬季時余熱回收利用，利用循環水系統對儲水罐的水加熱后通過板式換熱器散熱，通過PID控制循環水出水溫度。夏季時熱量不回收利用，直接使用板式換熱器散熱。
中冷器II級換熱器
循環水經循環水泵加壓后進入II級換熱器，當回水溫度過高時，經過屋頂散熱器散熱；否則直接進入循環水泵。
余熱鍋爐系統
余熱鍋爐系統具有冬季和夏季兩種模式，冬季時余熱回收利用，通過鍋爐循環系統對儲水罐的水加熱，超溫時，煙氣直接排放，余熱鍋爐缺水和超溫時報警。夏季時余熱不回收利用，煙氣直接排放。
補水定壓系統
儲水罐、屋頂緊急散熱器循環系統以及夏季運行時的鋼套水循環系統，在運行開始前，系統要進行補水。運行時，低于警界水位后也要進行補水。
燃機室內環境的要求
室內溫度高于40℃或低于10℃時，發出報警。
5 系統功能
顯示功能
具有多窗口的PID圖、報警畫面、趨勢圖、指導畫面、控制畫面、參數修改畫面、故障診斷畫面、動態畫面等各種監視畫面。
安全功能
分別設定操作員和系統員的進入口令。在運行環境下，屏蔽Windows所有熱鍵，從而鎖定系統自由進出。系統上電后自動恢復運行狀態。在多重上位機監控平臺時設定操作站的優先級保證控制室內操作站與現場人機接口同時操作的安全性。
歷史數據管理
對所有采集數據任意設定存取間隙和存取方式。
打印報表
按用戶定義的報表格式進行定時、報警和隨機打印。
事件記錄
事件和內部時鐘可按時間順序區分和管理，并可及時顯示和打印。定期記錄包括交接班記錄、日報、和月報。
監控TAG及調試
采用結構化TAG定義。既可通過TAG定義隨時修改每個測點的有效狀態、報警管理、歷史數據、死區與PLC通訊參數等，同時按修改實時數據庫的TAG值來執行調試操作。
數據庫接口與數據通訊
具備開放性的實時數據可接受任何任務的訪問并與其交換數據。系統具備復制和分發功能，將信息分送給其它的通用數據庫應用程序，同時應支持SQL、ODBC或OLE DB的應用程序。所有數據可用符號代表，如：VAVLE、MOTOR等，需要時可對變量的每次改變進行監視和處理。
控制操作功能
可按組態通過鼠標指定畫面上的對象進行開關或增減操作。回路響應時間不大于2秒。
控制系統采用程控、遠控、就地控制相結合的方式，對于電動門、氣動門、泵、風機等控制對象除了在控制室進行遠方控制外，保留就地操作手段。
對于程序控制系統具有自動、半自動、步操、鍵操、及就地手操五種操作方式。在手動方式下操作員啟停電動機、開關閥門及其它設備時，LCD畫面提供操作指導。
現場設備故障，影響程控前進時，在滿足相關約束下，運行人員干預可進行跳步操作。
6 結束語
沼氣發電是集環保和節能于一體的能源綜合利用新技術，采用以和利時公司高性能、高可靠性的LK系列可編程控制器（PLC）為主的自動化控制系統，大大提高了沼氣發電運行過程的穩定性、可靠性和安全性，同時使系統維護更加方便快捷，該系統已在北京德清源沼氣發電項目應用，至今運行情況良好，得到了用戶的好評。
參考文獻
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[ 5 ] 顧戰松. 《可編程控制器原理與應用》. 國防工業出版社.
[ 6 ] 和利時公司. LK大型可編程控制器硬件手冊. 2008.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號