垃圾填埋氣發(fā)電中自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

蘇寶楓 任憲仁 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）

垃圾填埋場(chǎng)是城市生活垃圾的最終處置環(huán)節(jié)，垃圾填埋場(chǎng)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[1]，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(guó)治理垃圾填埋場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(chǎng)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)。現(xiàn)場(chǎng)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[2]。

圖2 計(jì)算機(jī)檢測(cè)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)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)據(jù)，客戶機(jī)作為操作員接口，用于對(duì)工藝過程的操作和監(jiān)視。上位機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，上位機(jī)系統(tǒng)由2臺(tái)服務(wù)器、1臺(tái)工程師站、2臺(tái)操作員站、1臺(tái)監(jiān)視站組成。

本系統(tǒng)共有4個(gè)控制站：預(yù)處理、火炬控制器選用西門子的PLC進(jìn)行控制，1－4號(hào)發(fā)電機(jī)控制器、5－8號(hào)發(fā)電機(jī)控制器、電氣控制器均選用艾默生的DCS進(jìn)行控制。

下面以預(yù)處理、火炬控制器為例，來介紹PLC在填埋氣發(fā)電系統(tǒng)中的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

2 預(yù)處理、火炬系統(tǒng)的檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)發(fā)沼氣電機(jī)組的腐蝕，延長(zhǎng)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(duì)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(duì)氣體成分的要求。

2.2 預(yù)處理、火炬控制器的控制及算法實(shí)現(xiàn)

1）檢測(cè)、控制內(nèi)容

預(yù)處理、火炬系統(tǒng)主要檢測(cè)、控制內(nèi)容如下：

主要檢測(cè)冷干機(jī)入口的壓力，羅茨風(fēng)機(jī)出口的壓力，精濾器入口、出口的壓力，預(yù)處理系統(tǒng)出口的壓力，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、壓力、溫度以及氧氣、甲烷的濃度。其中冷干機(jī)入口的壓力，羅茨風(fēng)機(jī)出口的壓力，精濾器入口、出口的壓力就地顯示；預(yù)處理系統(tǒng)出口的壓力由壓力變送器將信號(hào)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器、壓力變送器及溫度變送器將沼氣流量和溫壓補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)控制柜上流量積算儀計(jì)算補(bǔ)償后由RS485通信線引至上位機(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(hào)，熱水循環(huán)泵的運(yùn)行和故障信號(hào)，變頻器的運(yùn)行和故障信號(hào)，火炬的運(yùn)行和溫度信號(hào)，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(dòng)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。

圖3 預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程圖

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(cè)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，yT為風(fēng)機(jī)出口壓力給定，y為風(fēng)機(jī)出口壓力。

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(dòng)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(hào)，變頻器根據(jù)該信號(hào)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(chǎng)儀表檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣總管中氣體壓力和流量的控制，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[3]?，F(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化水平和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、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(dòng)控制系統(tǒng)，極大地方便了對(duì)全廠工藝系統(tǒng)、設(shè)備的監(jiān)測(cè)、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(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)。

[1]趙有才,宋玉.生活垃圾處理與資源化技術(shù)手冊(cè)[M].北京∶ 冶金工業(yè)出版社,2007∶239-243.

[2]張磊.淺談污水處理廠自動(dòng)化控制[J].測(cè)控技術(shù),2005,24(12)∶9-11.

[3]崔江華. PLC和Wincc系統(tǒng)在環(huán)形加熱爐中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2001(1)∶59-61.