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HOLLiAS 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；HOLLiAS LK PLC；
1 概述
沼气是一种具有较高热值的可燃气体，与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料，传统上大多利用沼气进行取暖、炊事和照。
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
垃圾厌氧发酵技术是从城市污水处理厂对污泥的厌氧消化处理技术发展而来的，它是将垃圾放置在可加温和搅拌的密封反应器(消化池)内完成反应过程，从而有效缩短发酵周期，并保证垃圾渗沥液和产生的气体不泄漏于环境中。垃圾厌氧发酵产出的气体主要为生物气，可用于发电。
厌氧发酵工艺主要用来处理有机生活垃圾。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，这样可实现中恒温厌氧发酵，大大提高降解速度，减短滞留期。沼渣可用于作高效有机肥或燃料，砂、石及泥土可作建筑原料等。
研究证明，消耗1kgCOD可产生甲烷0.35m3，粗略估算每千克垃圾可产生沼气0.35m3，根据垃圾总量可以粗略的算出产生沼气的总量。
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。
收集系统由井管、井头、管网及冷凝水收集器等组成。由于垃圾填埋区面积较大，设计成若干个集气系统，每个集气系统影响半径为30～40米，然后再将收集的填埋气再集中到集气总管中。
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。其抽气量可由阀门加以调控，抽气压力由罗茨鼓风机调节，以获得稳定的产气量。
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
沼气发电自动化控制系统实现对垃圾厌氧发酵系统和沼气发电系统过程的工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、联锁和报警以及报表打印，通过使用一系列通讯链，完成整个工艺流程所必需的数据采集，数据通讯，顺序控制，时间控制，回路调节及上位监视和管理作用。
整个系统主干传输网采用100Mbps工业以太网，支持IEEE802.3规约和标准的TCP/IP协议；也可采用工业级专用控制局域网，该控制网具备确定性和可重复性及I/O共享，实现数据的高速传输和实时控制。
整个系统由1个中央控制室、2个现场PLC控制站（设于垃圾厌氧发酵系统、沼气发电系统）组成。现场PLC控制站，由HOLLiAS LK系列可编程序控制器（PLC）系统及检测仪表组成，对沼气发电各过程进行分散控制；再由中央控制室上位机实行集中监控管理。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。
现场的PLC控制站为双机热备冗余，PLC采集现场信号，然后通过工业以太网与控制监控计算机进行数据通信，控制方式采用“全开放全分布”方式。
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。
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。
考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，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。
管理级的工程师操作站及其他各台计算机作为客户机，与冗余服务器进行数据通讯，生产管理人员可在各自办公室实时监视现场的运行情况。这种配置最主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。如果一个FacView服务器出现故障，该服务器的客户机自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配。
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。因此，控制级采用以和利时公司高性能、高可靠性的HOLLiAS LK系列PLC为主的控制系统，其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。
控制级要求具有高可靠性，所以在系统的PLC系统中要采用冗余技术。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中，采用两个LK冗余CPU模块LK210，一个为主机，一个为从机。两个CPU模块之间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。
LK系列PLC的CPU模块上集成多种通信接口，包括冗余以太网接口、冗余PROFIBUS-DP总线接口、串口，控制级PLC系统通过高速冗余工业以太网与管理级上位机进行通信。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。
LK系列PLC模块接线端子集成在背板上，与模块本体分离，且所有模块均支持带电插拔，因此维护人员在维修时更换模块非常方便、快捷。
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。
将现场控制箱上的“就地/远程”旋钮切换至“就地”位置，通过箱上的“启动/停止”按钮实现就地手动控制。
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。
4工艺控制策略
4.1 垃圾发酵系统
（1）温度控制：厌氧发酵需要在特定的温度下进行，所以需要保持USR反应器的温度（35℃）恒定。
（2）报警功能：系统具有故障报警功能（水泵、空压机等的启、停故障）和超限报警（调料池内高、低液位、高压贮气柜的压力报警和USR反应器内的温度报警）。
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。根据沼气工艺的特点和需要，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。为便于对重点工艺环节进行现场观测和操作控制，系统还设置了终端显示操作器。另外，系统还设置了手动操作功能，并配有硬手动/自动切换，以便在开车和设备检修期间，能对工艺设备进行现场硬手动操作。
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（开启提升泵的条件是：温度和液位同时满足上述要求），将搅拌好的并且温度达到33℃的物料提升到USR厌氧反应器里，当液位达到低位时，提升泵停止运转，搅拌机停止搅拌。
USR厌氧发酵单元
物料在USR内进行厌氧发酵，温度显示仪（2个）显示其温度，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。沼气净化室内安装有甲烷泄露报警仪，空压机房内安装有甲烷泄露报警仪，报警信号均可传送到控制室进行报警；同时进行流量显示。
沼气存贮单元
高压贮气罐需要安装压力显示。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，380V/3kW；手动方式：手动控制泵的起停；自动方式：自动控制泵的起停；要求：由PLC根据液位自动控制泵的起停。
（2）调料池搅拌机：1台，380V/2.2kW；手动方式：手动控制搅拌机的起停；自动方式：自动控制搅拌机的起停；要求：由PLC根据液位自动控制搅拌机的起停。
（3）贮肥池提升泵：1台，380V/3kW；手动方式：手动控制泵的起停；自动方式：自动控制泵的起停；要求：由PLC根据液位自动控制泵的起停。
（4）沼气净化室压缩机组：1组（2台，1用1备），380V/5.5kW；手动方式：当行程开关不起作用时，手动控制压缩机的起停；自动方式：当缓冲罐的钟罩接触到行程开关的高位时，压缩机自动开启，当接触到行程开关的低位时，压缩机自动停止；要求：由PLC根据液位自动控制压缩机的起停。
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，温度保持在10-25℃，湿度达到燃机的要求，然后进入燃气发电机。本系统配置了两台沼气加压机，正常运行时是一台加压机对一台燃气发动机。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。
燃气发动机组前有一套阀门组，由颜巴赫供货。
从燃气发动机出来的烟气487℃，通过PID控制三通阀，一路进入余热锅炉，换热后进入烟囱排放；一路不经过余热锅炉直接排放。烟囱上有两个串连的消声器。
沼气吹扫介质为氮气。系统中已设置吹扫接口。
冷却系统
润滑油换热器、中冷器I级换热器、钢套水换热器冷却系统。
制气系统设置一个储水罐，作为制气系统的热源。
冬季时：这部分的热回收利用。
用户为制气系统，从储水罐的下部来的水70℃以下，经循环水泵、板式换热器进入燃气发动机内的三个换热器，板式换热器设有旁通，进水温度70℃以下时，循环水从旁通通过；反之，从板式换热器通过，板式换热器的冷却系统自动启动，包括循环水泵和屋顶紧急散热器。
循环水经过三个换热器加热后，出水温度90℃，然后进入储水罐的上部。通过PID进行控制。
夏季时：这部分的热不回收利用。
关闭循环水进出储水罐的阀门，循环系统为密闭系统，三个换热器靠板式换热器散热，板式换热器由屋顶紧急换热器散热。
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，当回水温度高时，经过屋顶散热器散热；不高时，不经过屋顶散热器，直接进入循环水泵。
余热锅炉系统
冬季时：烟气部分的余热回收利用。
用户为制气系统，从储水罐的下部来的70℃以下水，经锅炉循环水泵进入余热锅炉，加热后为90℃，进入储水罐上部。当温度超过95℃时，报警并旋转三通阀，烟气直接排放。
夏季时：这部分的热不回收利用，烟气直接排放。为了防止三通阀关闭不严，锅炉内要有一定的循环水。
补水定压系统
站内设有软化水系统、补水定压系统。
运行开始前，储水罐要进行补水，补水高度由杭州制气提供要求。运行时，由于水的损失，储水罐液面高度降低，低到警界水位后也要进行补水。
在夏季运行时，由于钢套水的热不回收，进出除水罐的阀门关闭，所以钢套水循环系统是独立的，在运行前要进行补水，由于水的损失，造成压力下降，降到警界压力时，要补水。
运行开始前，屋顶紧急散热器循环系统也要进行补水，当运行时，由于水的损失，造成压力下降，降到警界压力时，也要补水。II级中冷器系统补水由颜巴赫负责。
运行控制
从沼气柜来的沼气必须是经过处理的，能够达到燃气发动机组的进气要求。
燃气发动机组启动前，需要做以下工作：
Ø 循环水系统已经补水，并已运行。
Ø 沼气经过加压机加压后达到燃气发电机要求。沼气压力调节通过加压机前后的旁路调节阀PV101A,B来调节，当出口压力满足8-20kP范围内。同时温度保持在+10-25℃。
运行中锅炉需要报警的地方：
Ø 余热锅炉缺水
Ø 余热锅炉超温
燃机室内环境的要求
室内温度要求：+10-40℃，室内温度TE301，TE302检测到温度高于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。调用任一画面的击键次数不大于3次，任何LCD画面能在1秒的时间内完全显示出来。任何操作指令均在1秒或更短的时间内完全被执行，从发出操作指令到返回信号输入至LCD上显示的总时间小于2秒。
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。对交接班记录和日报，系统在每一小时的时间间隔内，提供200个预选变量的记录。月报，则在每一天的时间间隔内，提供200个预选变量的记录。在每一个交接班后，或每一天结束时，或每一个月结束时，应自动进行记录打印。或根据运行人员指令召唤打印。
系统记录运行人员在集控室进行的所有操作项目及每次操作的精确时间。通过对运行人员操作行为的准确记录，可便于分析运行人员的操作意图，分析事故原因。
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。
在一台操作员站上生成的任何显示画面和趋势图等，均应能通过网络加载到另一台操作员站。程控系统PLC控制程序的组态和修改可在工程师站上进行，并通过网络下载到程序控制系统的PLC中。通过网络，操作员站能调出系统内任一PLC站的系统组态信息和有关数据，还可以使买方人员将组态的数据从操作员站下载到PLC站。此外，当重新组态的数据被确认后，系统能自动地刷新其内存。
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画面应提供操作指导。
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。
5 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
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