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垃圾填埋氣發(fā)電中自動控制系統(tǒng)的研究

文檔作者：蘇寶楓任憲仁2 張召文檔來源： 1．城市建設(shè)研究院 2．北京市海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月19日
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技術(shù)與應(yīng)用
垃圾填埋氣發(fā)電中自動控制系統(tǒng)的研究
蘇寶楓 任憲仁2 張 召
(1．城市建設(shè)研究院，北京 100029；2．北京市海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，北京 100081)
摘要根據(jù)垃圾填埋氣發(fā)電的要求，采用西門子的可編程邏輯控制器和艾默生的集散控制系
統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)工藝過程的控制。工程實(shí)踐證明，利用PLC和DCS控制的垃圾填埋氣發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合本
文設(shè)計(jì)的控制算法，簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：填埋氣發(fā)電； 自動控制；PLC
Automatic Control System’S Research in Landfill LFG to Energy
SuBaofengl RenXianren2 ZhangZhaol
(1．China Urban Construction Design&amp;amp;Research Institute，Beij ing 1 00029；
2．Environmental Sanitation Service Center ofHaidian，Beijing 100081)
Abstract According to the requirements of the landfill LFG to energ~ we use program mable
logic controller of Siemens and distributed control system of Emerson to achieve the control process．
Proj ect proved that the use of LC and DCS in landfill LFG to energy system，with the control algorithm
designed in this paper，simplifies equipment and structures of the control system ，while achieving the
energy saving and reliable operation of the system ．
Key words： landfill LFG to energy； automatic control； PLC
垃圾填埋場是城市生活垃圾的最終處置環(huán)節(jié)，
垃圾填埋場中的可降解生物在穩(wěn)定化降解過程中產(chǎn)
生大量的垃圾填埋氣，其主要成分是甲烷和二氧化
碳，其中甲烷含量約45％~60％V／V，二氧化碳含量
約占40％~60％V／V[”，熱值與城市煤氣相當(dāng)，是一
種很好的可再生能源。目前，填埋氣發(fā)電已成為我
國治理垃圾填埋場污染排放、開發(fā)利用垃圾填埋氣
的主流技術(shù)。
現(xiàn)今， 自動化控制已進(jìn)入計(jì)算機(jī)智能化控制階
段，能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中相關(guān)參數(shù)的變化，及
時(shí)、自動地調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其一直運(yùn)行在
一個(gè)最佳的工作狀態(tài)。本項(xiàng)目采用PLC和DCS來實(shí)
現(xiàn)填埋氣發(fā)電系統(tǒng)的自動化控制。
1 填埋氣發(fā)電工藝系統(tǒng)概況
1．1 填埋氣發(fā)電工藝簡介
填埋氣發(fā)電主要由填埋氣收集系統(tǒng)、填埋氣預(yù)
處理系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)四部分組成，
其工藝流程如圖1所示，填埋氣由集氣井進(jìn)入集氣管
網(wǎng)，經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)行發(fā)電或者進(jìn)入火炬燃燒。
圖1 填埋氣發(fā)電工藝流程圖
1．2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，現(xiàn)場采集的數(shù)
據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁骺刂破鞯腜LC或DCS，再通過PLC
或DCS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)控制指令給相應(yīng)的
PLC或DCS，通過各控制器的PLC或DCS實(shí)現(xiàn)具體控
制，形成一個(gè)可靠、快捷的局域網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)信
息通過相應(yīng)的控制器經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至中央控制
室主控機(jī)處理，處理結(jié)果隨時(shí)向各控制器發(fā)送各種
控制指令，完成生產(chǎn)調(diào)度過程 ]。·
201 1年第8期電|毒l技求J 57
技術(shù)與應(yīng)用
圖2 計(jì)算機(jī)檢測控制系統(tǒng)框圖
中央控制室的上位機(jī)系統(tǒng)采用客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié) 2．2 預(yù)處理、火炬控制器的控制及算法實(shí)現(xiàn)
構(gòu)，服務(wù)器用于記錄、打印、備份整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù) 1)檢測、控制內(nèi)容
據(jù)，客戶機(jī)作為操作員接口，用于對工藝過程的操作 預(yù)處理、火炬系統(tǒng)主要檢測、控制內(nèi)容如下：
和監(jiān)視。上位機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過100Mbps的工業(yè) 主要檢測冷干機(jī)入口的壓力，羅茨風(fēng)機(jī)出口的壓
以太網(wǎng)進(jìn)行通信，上位機(jī)系統(tǒng)由2臺服務(wù)器、l臺工程 力，精濾器入口、出口的壓力，預(yù)處理系統(tǒng)出口的壓力，
師站、2臺操作員站、1臺監(jiān)視站組成。 沼氣總管(進(jìn)入發(fā)電機(jī)組和火炬之前的沼氣管)的流量、
本系統(tǒng)共有4個(gè)控制站：預(yù)處理、火炬控制器選 壓力、溫度以及氧氣、甲烷的濃度。其中冷干機(jī)入口的
用西門子的PLC進(jìn)行控制，l一4號發(fā)電機(jī)控制器、5 壓力，羅茨風(fēng)機(jī)出口的壓力，精濾器入口、出口的壓力
一8號發(fā)電機(jī)控制器、電氣控制器均選用艾默生的 就地顯示；預(yù)處理系統(tǒng)出口的壓力由壓力變送器將信號
DCS進(jìn)行控制。 上傳由此來控制羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；沼氣總管的流量變送
下面以預(yù)處理、火炬控制器為例，來介紹PLC 器、壓力變送器及溫度變送器將沼氣流量和溫壓補(bǔ)償信
在填埋氣發(fā)電系統(tǒng)中的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。 號經(jīng)控制柜上流量積算儀計(jì)算補(bǔ)償后由RS485通信線引
2 預(yù)處理、火炬系統(tǒng)的檢測與控制
2．1 預(yù)處理、火炬系統(tǒng)的工藝和控制器構(gòu)成
填埋氣相對濕度和H2S含量較大，同時(shí)含有的粉
塵量也難以滿足填埋氣發(fā)電機(jī)組的工作要求，所以
需要對填埋氣進(jìn)行預(yù)處理。填埋氣首先經(jīng)過預(yù)處理
系統(tǒng)進(jìn)行脫硫、脫水等處理，然后再進(jìn)行發(fā)電，最
大限度地減少填埋氣對發(fā)沼氣電機(jī)組的腐蝕，延長
沼氣發(fā)電機(jī)組的使用年限。預(yù)處理系統(tǒng)工藝如圖3
所示，填埋氣首先進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行脫硫，然后進(jìn)入
冷干機(jī)降低填埋氣溫度、初步脫水。變頻羅茨風(fēng)機(jī)
可以穩(wěn)定輸出氣體的壓力，調(diào)節(jié)氣體流量， 以滿足
火炬燃燒和沼氣發(fā)電機(jī)組對氣體壓力、流量等的要
求。最后填埋氣在精濾器的作用下進(jìn)一步脫水，達(dá)
到沼氣發(fā)電機(jī)組對氣體成分的要求。
圖3 預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程圖
58 I電l置l技玳201 1年第8期
至上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)顯示。沼氣總管中氧氣、甲烷的濃度
分別由氧氣濃度分析儀和甲烷濃度分析儀送至PLC(即
預(yù)處理、火炬控制器)，并在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。
羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和故障信號，熱水循環(huán)泵的運(yùn)
行和故障信號，變頻器的運(yùn)行和故障信號，火炬的
運(yùn)行和溫度信號，都可經(jīng)PLC在主控機(jī)畫面上顯示。
羅茨風(fēng)機(jī)1、2互為備用，設(shè)就地控制柜，既可
以就地控制，又可以在中控室實(shí)現(xiàn)羅茨風(fēng)機(jī)的起停，
壓力自動變速調(diào)節(jié)。
預(yù)處理、火炬控制器系統(tǒng)框圖如圖4所示。
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圖4 預(yù)處理、火炬控制器系統(tǒng)框圖
2)羅茨風(fēng)機(jī)的控制算法
模糊控制就是把各種傳感器測到的精確量轉(zhuǎn)換
成適于模糊運(yùn)算的模糊量，然后將這些量在模糊控
制器中加以運(yùn)算，最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)
換為精確量，以便于各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制，
本系統(tǒng)的羅茨鼓風(fēng)機(jī)模糊控制原理如圖5所示，)， 為
風(fēng)機(jī)出口壓力給定，Y為風(fēng)機(jī)出口壓力。
模糊控 i ~liT
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圖5 模糊控制原理圖
羅茨鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)出口氣體
流量成正比關(guān)系，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定、進(jìn)口壓力稍有
波動時(shí)，風(fēng)機(jī)出口氣體流量不變。
在本系統(tǒng)中，羅茨風(fēng)機(jī)采用壓力變頻調(diào)速。風(fēng)
機(jī)出口的實(shí)際壓力與給定壓力進(jìn)行比較，由模糊控
制器得出調(diào)節(jié)信號，變頻器根據(jù)該信號改變電機(jī)轉(zhuǎn)
速進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口流量
以及節(jié)能的目的。風(fēng)機(jī)控制的系統(tǒng)框圖如圖6所示。
圖6 羅茨風(fēng)機(jī)壓力模糊控制系統(tǒng)框圖
PLC能夠根據(jù)現(xiàn)場儀表檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，
通過對羅茨風(fēng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對沼氣總管中氣體壓力
技術(shù)與應(yīng)用
和流量的控制，滿足下一步的沼氣發(fā)電機(jī)組的要求。
利用PLC作控制系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的人力物力，
而且保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性【 。現(xiàn)場情況表明，
本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果理想，提高了填埋氣發(fā)
電項(xiàng)目的自動化水平和系統(tǒng)監(jiān)測、控制的精度。
3 結(jié)論
填埋氣發(fā)電是實(shí)現(xiàn)垃圾減量化、資源化、無害
化處理在的一種重要手段。工程實(shí)踐證明，填埋氣
發(fā)電中合理使用自動控制系統(tǒng)，極大地方便了對全
廠工藝系統(tǒng)、設(shè)備的監(jiān)測、控制和管理，提高了生
產(chǎn)效率，降低了事故率，改善了生產(chǎn)條件，大大地
降低了儀表、設(shè)備維護(hù)成本，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，
易于實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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【J]．電氣技術(shù)，2001(1)：59．61．
作者簡介
蘇寶楓(1982。)，女，河北保定人，助理工程師，主要從事工業(yè)自
動化的設(shè)計(jì)工作。
(上接第19頁)
三相動力電源，其造價(jià)高，移動也不方便，蓄電池
充滿80％～1o0％只需II段速， II段速不需太大的
m 、 ， 只需單相電源，攜帶方便，造價(jià)低， 電
動車用戶自備一臺即可，將電池100％充滿目的是防
止電池接受電量的活性力衰減，而長期在雙向電流
充電環(huán)境中蓄電池的接受電量活性力已隨時(shí)得到鍛
煉，只須電動車用戶在休閑時(shí)段不定期地對電池進(jìn)
行80％～100％充滿以充分利用電池的儲能量，行駛
距離盡可能長些又兼?zhèn)浞乐闺姵厝萘克p作用)。
2)走雙向電流充電技術(shù)路徑，進(jìn)入了理性地對
蓄電池充電社會環(huán)境后，蓄電池循環(huán)周期使用壽命
真實(shí)(相比恒流充電)地能與燃油發(fā)動機(jī)使用壽命
比長論短后，才會真實(shí)地促進(jìn)電動汽車發(fā)展。
3)走雙向電流充電技術(shù)路徑，進(jìn)入了理性地對
蓄電池充電社會環(huán)境后，使電能從直流電流源
倒進(jìn)蓄電池 的的轉(zhuǎn)換效率即使僅提升10％，對整
個(gè)社會來說也是一個(gè)大的節(jié)能量值，最終會真實(shí)地
轉(zhuǎn)變成促進(jìn)電動車發(fā)展因素之一。
作者簡介
李維民(1948一)，男，籍貫重慶市，電氣工程師，主要從事工業(yè)計(jì)
量儀表與電氣化自動控制方面的研究。
黃子言(1987一)，男，四川I瀘州人，本科，現(xiàn)從事工業(yè)計(jì)量儀表與
電氣化自動控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)。
201 1年第8期電 技 l 59

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