北京和利时智能技术有限公司

　　摘  要 沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，本文介绍基于和利时公司 LK系列PLC的沼气发电自动化控制系统，该系统为冗余热备CPU配置，所有模块均支持带电插拔，大大提高了沼气发电工艺过程稳定性、安全性。

　　关键词  沼气；沼气发电；垃圾厌氧发酵；LK；

　　1 概述

　　沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术，它利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物（例如：酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等）经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动沼气发电机组发电，并可充分利用发电机组的余热用于沼气生产，使综合热效率达80％左右，大大高于一般30~40%的发电效率，用户的经济效益显著。

　　2 工艺流程介绍

　　2.1 垃圾厌氧发酵

图  1  垃圾厌氧发酵工艺流程图

　　厌氧发酵工艺一般由分选预处理、厌氧发酵、后处理(沼气利用、残渣堆肥等)3部分组成，其主要工艺流程见图l。处理的方法是：先将运来的垃圾进行机械和人工分检，以分离不可发酵部分。分检后的垃圾再进入精分检池内进行砂石和泥土分离，分检后的大量有机物经酸化发酵，多级厌氧，发酵产生沼气，沼气净化后用于发电，发电余热和浮飘物燃烧后给厌氧间加温，这样可实现恒温厌氧发酵，大大提高降解速度，减短滞留期。

　　2.2 沼气发电系统

　　垃圾沼气发电系统分为收集系统、抽气系统、净化系统、发电系统四大部分。

图  2  沼气发电工艺流程图

　　收集系统由井管、井头、管网及冷凝水收集器等组成。

　　抽气系统采用罗茨鼓风机真空抽气将填埋气以负压状态由集气井中抽出。

　　净化系统包括冷凝水分离器及尘埃过滤器等，前者主要是去除沼气中的水份，后者则主要去除沼气中粒状污染物，以避免其进入发电系统中造成发电机的磨损。初步净化后的气体引至加压风机，压力提升后进入后冷却器，经过凝聚过滤器的进一步过滤，过滤后的气体再经过两个过滤器分两路进入燃气机输出电能。

　　发电系统即将发出的电能送至电网。

　　3 自动化控制系统设计

　　控制系统分为三级管理，包括管理级（中心控制室）、控制级（PLC控制站）及现场级。由1个中央控制室、2个PLC控制站（设于垃圾厌氧发酵系统、沼气发电系统）和现场被控设备组成。中央控制室上位机与PLC控制站之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，通讯速率为100Mbps，传输介质为屏蔽双绞线。

　　管理级（中心控制室）

　　管理级是系统的核心部分，完成对沼气发电过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面。

　　管理层采用客户/服务器（Client/Server）的体系结构。服务器具有远程控制操作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。中央控制室中设备包括：两台安装和利时公司FacView监控组态软件的冗余服务器作为上位机，两台服务器互为备用，实现冗余，提高系统的可靠性。

　　控制级（PLC控制站）

　　控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对厌氧发酵和沼气发电过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。

图  3  自动化控制系统结构图

　　控制级要求具有高可靠性，采用以和利时公司高性能、高可靠性的 LK系列PLC为主的控制系统。采用两个LK冗余CPU模块LK210，通过高速背板总线通讯，进行数据信息同步，实现双机热备冗余。另外，CPU模块作为PROFIBUS-DP主站，与远程分布式智能I/O通过冗余的PROFIBUS-DP进行数据通信。

　　现场控制级接受生产管理级的调度，但并不依赖于生产管理级而运行：若监控计算机出现故障或者并没有投入使用或者通信网络出现故障，现场控制站仍继续正常工作，对整个工艺过程没有影响。

　　现场级

　　现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由检测仪表（如液位计、传感器等）、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。

　　4 工艺控制策略

　　4.1 垃圾发酵系统

　　LK PLC控制系统可根据沼气发酵工艺的要求，对工艺的各参数进行采集并加以顺序或逻辑控制，PLC控制的单元包含预处理单元、厌氧发酵单元、沼气净化单元和沼气存储单元。

　　预处理单元

　　定量的粪污和水加入调料池中，液位达到高位；然后开启搅拌机，同时打开锅炉房内蒸汽管道的阀门；当调料池内的温度达到33℃时开启提升泵；液位达到低位时，提升泵停止运转，搅拌机停止搅拌。

　　USR厌氧发酵单元

　　当USR的温度低于35℃时，报警器开始报警。

　　沼气净化单元

　　当缓冲罐接触到高位行程开关时，压缩机启动；当缓冲罐接触到低位行程开关时，压缩机停止运转。沼气净化室和空压机房内甲烷泄露报警；同时进行流量显示。

　　沼气存贮单元

　　高压贮气柜的压力范围为0～0.8MPa。

　　被控工程设备

　　（1）调料池进料泵：1台

　　（2）调料池搅拌机：1台

　　（3）贮肥池提升泵：1台

　　（4）沼气净化室压缩机组：1组（2台，1用1备）

　　在自动方式下，所有设备根据关联的液位和行程开关状态由PLC自动控制设备的运转和停止。

　　4.2 沼气发电系统

　　沼气系统

　　从气柜来的沼气经沼气加压机加压达到8～20kpa，温度在10-25℃，湿度达到燃机的要求后进入燃气发电机。本系统配置了两台沼气加压机，两台加压机出口管由一电动阀连通，可以保证加压机和燃气发动机交叉备用。

　　从燃气发动机出来的烟气为487℃，通过PID控制三通阀，选择直接排放或余热利用后排放。

　　冷却系统

　　冷却系统具有冬季和夏季两种模式，冬季时余热回收利用，利用循环水系统对储水罐的水加热后通过板式换热器散热，通过PID控制循环水出水温度。夏季时热量不回收利用，直接使用板式换热器散热。
　
　　中冷器II级换热器

　　循环水经循环水泵加压后进入II级换热器，当回水温度过高时，经过屋顶散热器散热；否则直接进入循环水泵。

　　余热锅炉系统

　　余热锅炉系统具有冬季和夏季两种模式，冬季时余热回收利用，通过锅炉循环系统对储水罐的水加热，超温时，烟气直接排放，余热锅炉缺水和超温时报警。夏季时余热不回收利用，烟气直接排放。

　　补水定压系统

　　储水罐、屋顶紧急散热器循环系统以及夏季运行时的钢套水循环系统，在运行开始前，系统要进行补水。运行时，低于警界水位后也要进行补水。

　　燃机室内环境的要求

　　室内温度高于40℃或低于10℃时，发出报警。

　　5 系统功能

　　显示功能

　　具有多窗口的PID图、报警画面、趋势图、指导画面、控制画面、参数修改画面、故障诊断画面、动态画面等各种监视画面。

　　安全功能

　　分别设定操作员和系统员的进入口令。在运行环境下，屏蔽Windows所有热键，从而锁定系统自由进出。系统上电后自动恢复运行状态。在多重上位机监控平台时设定操作站的优先级保证控制室内操作站与现场人机接口同时操作的安全性。

　　历史数据管理

　　对所有采集数据任意设定存取间隙和存取方式。

　　打印报表

　　按用户定义的报表格式进行定时、报警和随机打印。

　　事件记录

　　事件和内部时钟可按时间顺序区分和管理，并可及时显示和打印。定期记录包括交接班记录、日报、和月报。

　　监控TAG及调试

　　采用结构化TAG定义。既可通过TAG定义随时修改每个测点的有效状态、报警管理、历史数据、死区与PLC通讯参数等，同时按修改实时数据库的TAG值来执行调试操作。

　　数据库接口与数据通讯

　　具备开放性的实时数据可接受任何任务的访问并与其交换数据。系统具备复制和分发功能，将信息分送给其它的通用数据库应用程序，同时应支持SQL、ODBC或OLE DB的应用程序。所有数据可用符号代表，如：VAVLE、MOTOR等，需要时可对变量的每次改变进行监视和处理。

　　控制操作功能

　　可按组态通过鼠标指定画面上的对象进行开关或增减操作。回路响应时间不大于2秒。

　　控制系统采用程控、远控、就地控制相结合的方式，对于电动门、气动门、泵、风机等控制对象除了在控制室进行远方控制外，保留就地操作手段。

　　对于程序控制系统具有自动、半自动、步操、键操、及就地手操五种操作方式。在手动方式下操作员启停电动机、开关阀门及其它设备时，LCD画面提供操作指导。

　　现场设备故障，影响程控前进时，在满足相关约束下，运行人员干预可进行跳步操作。

　　6 结束语

　　沼气发电是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术，采用以和利时公司高性能、高可靠性的LK系列可编程控制器（PLC）为主的自动化控制系统，大大提高了沼气发电运行过程的稳定性、可靠性和安全性，同时使系统维护更加方便快捷，该系统已在北京德清源沼气发电项目应用，至今运行情况良好，得到了用户的好评。

　　参考文献

　　[ 1 ]  沈剑山. 中国轻工业出版社. 生物质能源沼气发电.

　　[ 2 ]  中国农业部/美国能源部项目专家组. 中国生物质能技术商业化策略设计. 北京：中国环境科学出版社.

　　[ 3 ]  王平洋. 电力系统自动化与智能技术[J]. 电力系统自动化.

　　[ 4 ]  方承远. 《工厂电器控制技术》. 机械工业出版社.

　　[ 5 ]  顾战松. 《可编程控制器原理与应用》. 国防工业出版社.

　　[ 6 ]  和利时公司.  LK大型可编程控制器硬件手册. 2008.