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HOLLiAS 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；HOLLiAS LK PLC；
1 概述
沼氣是一種具有較高熱值的可燃氣體，與其它燃氣相比，其抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料，傳統上大多利用沼氣進行取暖、炊事和照。
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
垃圾厭氧發酵技術是從城市污水處理廠對污泥的厭氧消化處理技術發展而來的，它是將垃圾放置在可加溫和攪拌的密封反應器(消化池)內完成反應過程，從而有效縮短發酵周期，并保證垃圾滲瀝液和產生的氣體不泄漏于環境中。垃圾厭氧發酵產出的氣體主要為生物氣，可用于發電。
厭氧發酵工藝主要用來處理有機生活垃圾。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，這樣可實現中恒溫厭氧發酵，大大提高降解速度，減短滯留期。沼渣可用于作高效有機肥或燃料，砂、石及泥土可作建筑原料等。
研究證明，消耗1kgCOD可產生甲烷0.35m3，粗略估算每千克垃圾可產生沼氣0.35m3，根據垃圾總量可以粗略的算出產生沼氣的總量。
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。
收集系統由井管、井頭、管網及冷凝水收集器等組成。由于垃圾填埋區面積較大，設計成若干個集氣系統，每個集氣系統影響半徑為30～40米，然后再將收集的填埋氣再集中到集氣總管中。
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。其抽氣量可由閥門加以調控，抽氣壓力由羅茨鼓風機調節，以獲得穩定的產氣量。
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
沼氣發電自動化控制系統實現對垃圾厭氧發酵系統和沼氣發電系統過程的工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、聯鎖和報警以及報表打印，通過使用一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時間控制，回路調節及上位監視和管理作用。
整個系統主干傳輸網采用100Mbps工業以太網，支持IEEE802.3規約和標準的TCP/IP協議；也可采用工業級專用控制局域網，該控制網具備確定性和可重復性及I/O共享，實現數據的高速傳輸和實時控制。
整個系統由1個中央控制室、2個現場PLC控制站（設于垃圾厭氧發酵系統、沼氣發電系統）組成?，F場PLC控制站，由HOLLiAS LK系列可編程序控制器（PLC）系統及檢測儀表組成，對沼氣發電各過程進行分散控制；再由中央控制室上位機實行集中監控管理。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。
現場的PLC控制站為雙機熱備冗余，PLC采集現場信號，然后通過工業以太網與控制監控計算機進行數據通信，控制方式采用“全開放全分布”方式。
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。
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。
考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，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。
管理級的工程師操作站及其他各臺計算機作為客戶機，與冗余服務器進行數據通訊，生產管理人員可在各自辦公室實時監視現場的運行情況。這種配置最主要的優點是保證數據的完整性和監控操作的連續性。如果一個FacView服務器出現故障，該服務器的客戶機自動從發生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客戶機始終可以監控生產過程，修復后的服務器回到系統后，自動實現歸檔數據的匹配。
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。因此，控制級采用以和利時公司高性能、高可靠性的HOLLiAS LK系列PLC為主的控制系統，其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對污水處理生產過程進行控制，同時將現場狀態輸送到管理層。
控制級要求具有高可靠性，所以在系統的PLC系統中要采用冗余技術?？刂破魇钦麄€系統的核心，所以在控制級中，采用兩個LK冗余CPU模塊LK210，一個為主機，一個為從機。兩個CPU模塊之間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。
LK系列PLC的CPU模塊上集成多種通信接口，包括冗余以太網接口、冗余PROFIBUS-DP總線接口、串口，控制級PLC系統通過高速冗余工業以太網與管理級上位機進行通信。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。
LK系列PLC模塊接線端子集成在背板上，與模塊本體分離，且所有模塊均支持帶電插拔，因此維護人員在維修時更換模塊非常方便、快捷。
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。
將現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控制。
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。
4工藝控制策略
4.1 垃圾發酵系統
（1）溫度控制：厭氧發酵需要在特定的溫度下進行，所以需要保持USR反應器的溫度（35℃）恒定。
（2）報警功能：系統具有故障報警功能（水泵、空壓機等的啟、停故障）和超限報警（調料池內高、低液位、高壓貯氣柜的壓力報警和USR反應器內的溫度報警）。
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。根據沼氣工藝的特點和需要，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。為便于對重點工藝環節進行現場觀測和操作控制，系統還設置了終端顯示操作器。另外，系統還設置了手動操作功能，并配有硬手動/自動切換，以便在開車和設備檢修期間，能對工藝設備進行現場硬手動操作。
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（開啟提升泵的條件是：溫度和液位同時滿足上述要求），將攪拌好的并且溫度達到33℃的物料提升到USR厭氧反應器里，當液位達到低位時，提升泵停止運轉，攪拌機停止攪拌。
USR厭氧發酵單元
物料在USR內進行厭氧發酵，溫度顯示儀（2個）顯示其溫度，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。沼氣凈化室內安裝有甲烷泄露報警儀，空壓機房內安裝有甲烷泄露報警儀，報警信號均可傳送到控制室進行報警；同時進行流量顯示。
沼氣存貯單元
高壓貯氣罐需要安裝壓力顯示。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，380V/3kW；手動方式：手動控制泵的起停；自動方式：自動控制泵的起停；要求：由PLC根據液位自動控制泵的起停。
（2）調料池攪拌機：1臺，380V/2.2kW；手動方式：手動控制攪拌機的起停；自動方式：自動控制攪拌機的起停；要求：由PLC根據液位自動控制攪拌機的起停。
（3）貯肥池提升泵：1臺，380V/3kW；手動方式：手動控制泵的起停；自動方式：自動控制泵的起停；要求：由PLC根據液位自動控制泵的起停。
（4）沼氣凈化室壓縮機組：1組（2臺，1用1備），380V/5.5kW；手動方式：當行程開關不起作用時，手動控制壓縮機的起停；自動方式：當緩沖罐的鐘罩接觸到行程開關的高位時，壓縮機自動開啟，當接觸到行程開關的低位時，壓縮機自動停止；要求：由PLC根據液位自動控制壓縮機的起停。
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，溫度保持在10-25℃，濕度達到燃機的要求，然后進入燃氣發電機。本系統配置了兩臺沼氣加壓機，正常運行時是一臺加壓機對一臺燃氣發動機。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。
燃氣發動機組前有一套閥門組，由顏巴赫供貨。
從燃氣發動機出來的煙氣487℃，通過PID控制三通閥，一路進入余熱鍋爐，換熱后進入煙囪排放；一路不經過余熱鍋爐直接排放。煙囪上有兩個串連的消聲器。
沼氣吹掃介質為氮氣。系統中已設置吹掃接口。
冷卻系統
潤滑油換熱器、中冷器I級換熱器、鋼套水換熱器冷卻系統。
制氣系統設置一個儲水罐，作為制氣系統的熱源。
冬季時：這部分的熱回收利用。
用戶為制氣系統，從儲水罐的下部來的水70℃以下，經循環水泵、板式換熱器進入燃氣發動機內的三個換熱器，板式換熱器設有旁通，進水溫度70℃以下時，循環水從旁通通過；反之，從板式換熱器通過，板式換熱器的冷卻系統自動啟動，包括循環水泵和屋頂緊急散熱器。
循環水經過三個換熱器加熱后，出水溫度90℃，然后進入儲水罐的上部。通過PID進行控制。
夏季時：這部分的熱不回收利用。
關閉循環水進出儲水罐的閥門，循環系統為密閉系統，三個換熱器靠板式換熱器散熱，板式換熱器由屋頂緊急換熱器散熱。
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，當回水溫度高時，經過屋頂散熱器散熱；不高時，不經過屋頂散熱器，直接進入循環水泵。
余熱鍋爐系統
冬季時：煙氣部分的余熱回收利用。
用戶為制氣系統，從儲水罐的下部來的70℃以下水，經鍋爐循環水泵進入余熱鍋爐，加熱后為90℃，進入儲水罐上部。當溫度超過95℃時，報警并旋轉三通閥，煙氣直接排放。
夏季時：這部分的熱不回收利用，煙氣直接排放。為了防止三通閥關閉不嚴，鍋爐內要有一定的循環水。
補水定壓系統
站內設有軟化水系統、補水定壓系統。
運行開始前，儲水罐要進行補水，補水高度由杭州制氣提供要求。運行時，由于水的損失，儲水罐液面高度降低，低到警界水位后也要進行補水。
在夏季運行時，由于鋼套水的熱不回收，進出除水罐的閥門關閉，所以鋼套水循環系統是獨立的，在運行前要進行補水，由于水的損失，造成壓力下降，降到警界壓力時，要補水。
運行開始前，屋頂緊急散熱器循環系統也要進行補水，當運行時，由于水的損失，造成壓力下降，降到警界壓力時，也要補水。II級中冷器系統補水由顏巴赫負責。
運行控制
從沼氣柜來的沼氣必須是經過處理的，能夠達到燃氣發動機組的進氣要求。
燃氣發動機組啟動前，需要做以下工作：
Ø 循環水系統已經補水，并已運行。
Ø 沼氣經過加壓機加壓后達到燃氣發電機要求。沼氣壓力調節通過加壓機前后的旁路調節閥PV101A,B來調節，當出口壓力滿足8-20kP范圍內。同時溫度保持在+10-25℃。
運行中鍋爐需要報警的地方：
Ø 余熱鍋爐缺水
Ø 余熱鍋爐超溫
燃機室內環境的要求
室內溫度要求：+10-40℃，室內溫度TE301，TE302檢測到溫度高于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。調用任一畫面的擊鍵次數不大于3次，任何LCD畫面能在1秒的時間內完全顯示出來。任何操作指令均在1秒或更短的時間內完全被執行，從發出操作指令到返回信號輸入至LCD上顯示的總時間小于2秒。
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。對交接班記錄和日報，系統在每一小時的時間間隔內，提供200個預選變量的記錄。月報，則在每一天的時間間隔內，提供200個預選變量的記錄。在每一個交接班后，或每一天結束時，或每一個月結束時，應自動進行記錄打印?；蚋鶕\行人員指令召喚打印。
系統記錄運行人員在集控室進行的所有操作項目及每次操作的精確時間。通過對運行人員操作行為的準確記錄，可便于分析運行人員的操作意圖，分析事故原因。
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。
在一臺操作員站上生成的任何顯示畫面和趨勢圖等，均應能通過網絡加載到另一臺操作員站。程控系統PLC控制程序的組態和修改可在工程師站上進行，并通過網絡下載到程序控制系統的PLC中。通過網絡，操作員站能調出系統內任一PLC站的系統組態信息和有關數據，還可以使買方人員將組態的數據從操作員站下載到PLC站。此外，當重新組態的數據被確認后，系統能自動地刷新其內存。
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?；芈讽憫獣r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畫面應提供操作指導。
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。
5 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。
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