沼气工程的自动化应用
摘要:本文以北京市昌平区东新城沼气集中供气工程为例，该工程利用三菱PLC可编程控制系统对沼气工程的进料系统、发酵系统、沼气净化系统和沼气存储系统等实施监测与控制，提高了沼气工程的管理水平，降低了工人的劳动量，降低了运行成本。
关键词:沼气;集中供气;PLC
1 沼气工程的控制系统
目前，国内大多数沼气集中供气工程都是采用继电器逻辑控制，这类系统方式单一，自动化程度较低，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，并且电气线路复杂，可靠性不高，不便维修。同时由于一些较重要的数据不能适时记录和统计，继而使得沼气工程的运行不能方便快捷，并易造成劳动力、原料等资源的浪费。另外，由于沼气站运行过程中的工艺参数（如：调料池内物料的温度、USR反应器内的温度、沼气净化室内沼气的流量等）不能在线显示，为了比较精确地控制运行条件，需要操作人员进行现场监测，因此，增加了劳动强度，并且不便管理。
北京市昌平区东新城沼气集中供气工程利用三菱PLC（Programmable Logical Controller）可编程控制系统对沼气工程的进料系统、发酵系统、沼气净化系统和沼气存储系统等实施监测与控制，降低了工人的劳动量，减少了运行成本，提高了沼气工程的管理水平。
2 沼气集中供气工程实例
东新城沼气工程以猪粪为原料，采用厌氧发酵工艺生产沼气，日产沼气400m3，同时供400户居民炊用，沼渣、沼液用作有机肥还田。该工程以沼气为纽带，通过“废水—沼气—有机肥”模式，将养殖业、种植业和可再生能源开发结合起来，形成了一个良好的产业链。该工程采用三菱可编程控制设计，实现了沼气工程系统的自动控制，并且实现了整个系统的优化控制。沼气生产工艺控制流程见下图：
 工艺控制流程图 |
3 自动化控制单元和被控工程设备
自控系统采用“集中监测、控制”的设计原则，结合工艺需求和自控产品选择遵循的原则，使用力控组态软件作为上位监控软件、三菱PLC作为控制系统。其控制要求为：
（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）。
三菱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。
3.1 自动化控制单元
（1）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。
（2）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。
（3）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；流量同时进行显示。
（4）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。
3.2 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 自动化控制硬件结构和软件结构
（1）自动化控制硬件结构
PC电脑（台式机），内装力控6.0组态软件，并配有运行加密狗。三菱PLC：FX2N，热电阻模块FX2N-4AD-PT，模拟量模块FX2N-4AD，通讯电缆一根。
（2）自动化控制软件结构
力控组太软件上主要显示点：调料池液位、调料池温度、USR反应器上部温度、USR反应器中部温度、沼气贮气柜压力、集气箱行程开关、沼气流量。由于物料是临时放置，所以屏幕上操作以手动操作为主。
5 结语
沼气工程与可编程控制系统PLC结合，可实现继电保护和控制系统的操作，提高系统的自动化水平和可靠性，同时也更加便于系统的集中控制和监测，方便系统的信息化管理，降低运行成本，提高工作效率，预防安全事故的发生，具有很高的实际应用价值。
参考文献:
[1] NY/T1220.1-2006,沼气工程技术规范[S].
[2] 廖常初.PLC应用技术问答[M].北京：机械工业出版社，2006.
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