沼氣工程的自動(dòng)化應(yīng)用
摘要:本文以北京市昌平區(qū)東新城沼氣集中供氣工程為例，該工程利用三菱PLC可編程控制系統(tǒng)對(duì)沼氣工程的進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)和沼氣存儲(chǔ)系統(tǒng)等實(shí)施監(jiān)測(cè)與控制，提高了沼氣工程的管理水平，降低了工人的勞動(dòng)量，降低了運(yùn)行成本。
關(guān)鍵詞:沼氣;集中供氣;PLC
1 沼氣工程的控制系統(tǒng)
目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)沼氣集中供氣工程都是采用繼電器邏輯控制，這類系統(tǒng)方式單一，自動(dòng)化程度較低，只能處理一些開關(guān)量問(wèn)題，無(wú)法處理系統(tǒng)的模擬量，并且電氣線路復(fù)雜，可靠性不高，不便維修。同時(shí)由于一些較重要的數(shù)據(jù)不能適時(shí)記錄和統(tǒng)計(jì)，繼而使得沼氣工程的運(yùn)行不能方便快捷，并易造成勞動(dòng)力、原料等資源的浪費(fèi)。另外，由于沼氣站運(yùn)行過(guò)程中的工藝參數(shù)（如：調(diào)料池內(nèi)物料的溫度、USR反應(yīng)器內(nèi)的溫度、沼氣凈化室內(nèi)沼氣的流量等）不能在線顯示，為了比較精確地控制運(yùn)行條件，需要操作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，因此，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，并且不便管理。
北京市昌平區(qū)東新城沼氣集中供氣工程利用三菱PLC（Programmable Logical Controller）可編程控制系統(tǒng)對(duì)沼氣工程的進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)和沼氣存儲(chǔ)系統(tǒng)等實(shí)施監(jiān)測(cè)與控制，降低了工人的勞動(dòng)量，減少了運(yùn)行成本，提高了沼氣工程的管理水平。
2 沼氣集中供氣工程實(shí)例
東新城沼氣工程以豬糞為原料，采用厭氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)沼氣，日產(chǎn)沼氣400m3，同時(shí)供400戶居民炊用，沼渣、沼液用作有機(jī)肥還田。該工程以沼氣為紐帶，通過(guò)“廢水—沼氣—有機(jī)肥”模式，將養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)和可再生能源開發(fā)結(jié)合起來(lái)，形成了一個(gè)良好的產(chǎn)業(yè)鏈。該工程采用三菱可編程控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了沼氣工程系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。沼氣生產(chǎn)工藝控制流程見下圖：
 工藝控制流程圖 |
3 自動(dòng)化控制單元和被控工程設(shè)備
自控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測(cè)、控制”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合工藝需求和自控產(chǎn)品選擇遵循的原則，使用力控組態(tài)軟件作為上位監(jiān)控軟件、三菱PLC作為控制系統(tǒng)。其控制要求為：
（1）溫度控制：厭氧發(fā)酵需要在特定的溫度下進(jìn)行，所以需要保持USR反應(yīng)器的溫度（35℃）恒定。
（2）報(bào)警功能：系統(tǒng)具有故障報(bào)警功能（水泵、空壓機(jī)等的啟、停故障）和超限報(bào)警（調(diào)料池內(nèi)高、低液位、高壓貯氣柜的壓力報(bào)警和USR反應(yīng)器內(nèi)的溫度報(bào)警）。
三菱PLC控制系統(tǒng)可根據(jù)沼氣發(fā)酵工藝的要求，對(duì)工藝的各參數(shù)進(jìn)行采集并加以順序或邏輯控制。根據(jù)沼氣工藝的特點(diǎn)和需要，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(chǔ)單元。為便于對(duì)重點(diǎn)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和操作控制，系統(tǒng)還設(shè)置了終端顯示操作器。另外，系統(tǒng)還設(shè)置了手動(dòng)操作功能，并配有硬手動(dòng)/自動(dòng)切換，以便在開車和設(shè)備檢修期間，能對(duì)工藝設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)硬手動(dòng)操作。
3.1 自動(dòng)化控制單元
（1）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?jī)?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（開啟提升泵的條件是：溫度和液位同時(shí)滿足上述要求），將攪拌好的并且溫度達(dá)到33℃的物料提升到USR厭氧反應(yīng)器里，當(dāng)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。
（2）USR厭氧發(fā)酵單元
物料在USR內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，溫度顯示儀（2個(gè)）顯示其溫度，當(dāng)USR的溫度低于35℃時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。
（3）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)。沼氣凈化室內(nèi)安裝有甲烷泄露報(bào)警儀，空壓機(jī)房?jī)?nèi)安裝有甲烷泄露報(bào)警儀，報(bào)警信號(hào)均可傳送到控制室進(jìn)行報(bào)警；流量同時(shí)進(jìn)行顯示。
（4）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。
3.2 被控工程設(shè)備
（1）調(diào)料池進(jìn)料泵：1臺(tái)，380V/3kW；手動(dòng)方式：手動(dòng)控制泵的起停；自動(dòng)方式：自動(dòng)控制泵的起停；要求：由PLC根據(jù)液位自動(dòng)控制泵的起停。
（2）調(diào)料池?cái)嚢铏C(jī)：1臺(tái)，380V/2.2kW；手動(dòng)方式：手動(dòng)控制攪拌機(jī)的起停；自動(dòng)方式：自動(dòng)控制攪拌機(jī)的起停；要求：由PLC根據(jù)液位自動(dòng)控制攪拌機(jī)的起停。
（3）貯肥池提升泵：1臺(tái)，380V/3kW；手動(dòng)方式：手動(dòng)控制泵的起停；自動(dòng)方式：自動(dòng)控制泵的起停；要求：由PLC根據(jù)液位自動(dòng)控制泵的起停。
（4）沼氣凈化室壓縮機(jī)組：1組（2臺(tái)，1用1備），380V/5.5kW；手動(dòng)方式：當(dāng)行程開關(guān)不起作用時(shí)，手動(dòng)控制壓縮機(jī)的起停；自動(dòng)方式：當(dāng)緩沖罐的鐘罩接觸到行程開關(guān)的高位時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)開啟，當(dāng)接觸到行程開關(guān)的低位時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)停止；要求：由PLC根據(jù)液位自動(dòng)控制壓縮機(jī)的起停。
4 自動(dòng)化控制硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)
（1）自動(dòng)化控制硬件結(jié)構(gòu)
PC電腦（臺(tái)式機(jī)），內(nèi)裝力控6.0組態(tài)軟件，并配有運(yùn)行加密狗。三菱PLC：FX2N，熱電阻模塊FX2N-4AD-PT，模擬量模塊FX2N-4AD，通訊電纜一根。
（2）自動(dòng)化控制軟件結(jié)構(gòu)
力控組太軟件上主要顯示點(diǎn)：調(diào)料池液位、調(diào)料池溫度、USR反應(yīng)器上部溫度、USR反應(yīng)器中部溫度、沼氣貯氣柜壓力、集氣箱行程開關(guān)、沼氣流量。由于物料是臨時(shí)放置，所以屏幕上操作以手動(dòng)操作為主。
5 結(jié)語(yǔ)
沼氣工程與可編程控制系統(tǒng)PLC結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)的操作，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可靠性，同時(shí)也更加便于系統(tǒng)的集中控制和監(jiān)測(cè)，方便系統(tǒng)的信息化管理，降低運(yùn)行成本，提高工作效率，預(yù)防安全事故的發(fā)生，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
[1] NY/T1220.1-2006,沼氣工程技術(shù)規(guī)范[S].
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