蘇寶楓 任憲仁 張 召

（1.城市建設研究院，北京 100029；2.北京市海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生服務中心，北京 100081）

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[1]，熱值與城市煤氣相當，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。

現(xiàn)今，自動化控制已進入計算機智能化控制階段，能夠根據(jù)系統(tǒng)運行過程中相關參數(shù)的變化，及時、自動地調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使其一直運行在一個最佳的工作狀態(tài)。本項目采用PLC和DCS來實現(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)、填埋氣預處理系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)和發(fā)電機組系統(tǒng)四部分組成，其工藝流程如圖1所示，填埋氣由集氣井進入集氣管網(wǎng)，經(jīng)過預處理后進行發(fā)電或者進入火炬燃燒。

圖1 填埋氣發(fā)電工藝流程圖

1.2 計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)礁骺刂破鞯腜LC或DCS，再通過PLC或DCS傳輸?shù)缴衔粰C，上位機控制指令給相應的PLC或DCS，通過各控制器的PLC或DCS實現(xiàn)具體控制，形成一個可靠、快捷的局域網(wǎng)絡。現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息通過相應的控制器經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至中央控制室主控機處理，處理結果隨時向各控制器發(fā)送各種控制指令，完成生產(chǎn)調(diào)度過程[2]。

圖2 計算機檢測控制系統(tǒng)框圖

中央控制室的上位機系統(tǒng)采用客戶機/服務器結構，服務器用于記錄、打印、備份整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，客戶機作為操作員接口，用于對工藝過程的操作和監(jiān)視。上位機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，上位機系統(tǒng)由2臺服務器、1臺工程師站、2臺操作員站、1臺監(jiān)視站組成。

本系統(tǒng)共有4個控制站：預處理、火炬控制器選用西門子的PLC進行控制，1－4號發(fā)電機控制器、5－8號發(fā)電機控制器、電氣控制器均選用艾默生的DCS進行控制。

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

2 預處理、火炬系統(tǒng)的檢測與控制

2.1 預處理、火炬系統(tǒng)的工藝和控制器構成

填埋氣相對濕度和H2S含量較大，同時含有的粉塵量也難以滿足填埋氣發(fā)電機組的工作要求，所以需要對填埋氣進行預處理。填埋氣首先經(jīng)過預處理系統(tǒng)進行脫硫、脫水等處理，然后再進行發(fā)電，最大限度地減少填埋氣對發(fā)沼氣電機組的腐蝕，延長沼氣發(fā)電機組的使用年限。預處理系統(tǒng)工藝如圖3所示，填埋氣首先進入脫硫塔進行脫硫，然后進入冷干機降低填埋氣溫度、初步脫水。變頻羅茨風機可以穩(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一步脫水，達到沼氣發(fā)電機組對氣體成分的要求。

2.2 預處理、火炬控制器的控制及算法實現(xiàn)

1）檢測、控制內(nèi)容

預處理、火炬系統(tǒng)主要檢測、控制內(nèi)容如下：

主要檢測冷干機入口的壓力，羅茨風機出口的壓力，精濾器入口、出口的壓力，預處理系統(tǒng)出口的壓力，沼氣總管（進入發(fā)電機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。其中冷干機入口的壓力，羅茨風機出口的壓力，精濾器入口、出口的壓力就地顯示；預處理系統(tǒng)出口的壓力由壓力變送器將信號上傳由此來控制羅茨風機轉速；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償信號經(jīng)控制柜上流量積算儀計算補償后由RS485通信線引至上位機進行相應顯示。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（即預處理、火炬控制器），并在上位機上進行顯示。

羅茨風機的運行和故障信號，熱水循環(huán)泵的運行和故障信號，變頻器的運行和故障信號，火炬的運行和溫度信號，都可經(jīng)PLC在主控機畫面上顯示。

羅茨風機1、2互為備用，設就地控制柜，既可以就地控制，又可以在中控室實現(xiàn)羅茨風機的起停，壓力自動變速調(diào)節(jié)。

預處理、火炬控制器系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖3 預處理系統(tǒng)工藝流程圖

圖4 預處理、火炬控制器系統(tǒng)框圖

2）羅茨風機的控制算法

模糊控制就是把各種傳感器測到的精確量轉換成適于模糊運算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以運算，最后再將運算結果中的模糊量轉換為精確量，以便于各執(zhí)行器進行具體的操作控制，本系統(tǒng)的羅茨鼓風機模糊控制原理如圖5所示，yT為風機出口壓力給定，y為風機出口壓力。

圖5 模糊控制原理圖

羅茨鼓風機的特點是風機轉速和風機出口氣體流量成正比關系，當風機轉速一定、進口壓力稍有波動時，風機出口氣體流量不變。

在本系統(tǒng)中，羅茨風機采用壓力變頻調(diào)速。風機出口的實際壓力與給定壓力進行比較，由模糊控制器得出調(diào)節(jié)信號，變頻器根據(jù)該信號改變電機轉速進而改變風機轉速，最終達到調(diào)節(jié)風機出口流量以及節(jié)能的目的。風機控制的系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 羅茨風機壓力模糊控制系統(tǒng)框圖

PLC能夠根據(jù)現(xiàn)場儀表檢測的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，通過對羅茨風機的控制實現(xiàn)對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)運行的可靠性[3]?，F(xiàn)場情況表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制效果理想，提高了填埋氣發(fā)電項目的自動化水平和系統(tǒng)監(jiān)測、控制的精度。

3 結論

填埋氣發(fā)電是實現(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、設備維護成本，結構簡單，運行可靠，易于實現(xiàn)。

[1]趙有才,宋玉.生活垃圾處理與資源化技術手冊[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化控制[J].測控技術,2005,24(12)∶9-11.

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