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，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(guān)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。

填埋氣發(fā)電工藝系統(tǒng)概況

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(yù)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

2 計算機控制系統(tǒng)

圖2 計算機檢測控制系統(tǒng)框圖

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(yīng)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(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處理，處理結(jié)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。

中央控制室的上位機系統(tǒng)采用客戶機／服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)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(wù)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(yù)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(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)用實現(xiàn)。

預(yù)處理、火炬系統(tǒng)的檢測與控制

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(yù)處理。填埋氣首先經(jīng)過預(yù)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(yù)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(fēng)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。

圖3 預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程圖

2 預(yù)處理、火炬控制器的控制及算法實現(xiàn)

2.1 檢測、控制內(nèi)容

預(yù)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(fēng)機出口的壓力，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(fēng)機出口的壓力，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上傳由此來控制羅茨風(fēng)機轉(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償信號經(jīng)控制柜上流量積算儀計算補償后由RS485通訊線引至上位機進行相應(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），并在上位機上進行顯示。

羅茨風(fēng)機的運行、故障信號，熱水循環(huán)泵的運行、故障信號，變頻器的運行、故障信號，火炬的運行、溫度信號經(jīng)PLC在主控機進行畫面顯示。

羅茨風(fēng)機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現(xiàn)羅茨風(fēng)機的啟停，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。

圖4 預(yù)處理、火炬控制器系統(tǒng)框圖

2.2 羅茨風(fēng)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(zhuǎn)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(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)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(fēng)機模糊控制原理如圖5所示，y_T風(fēng)機出口壓力給定，y風(fēng)機出口壓力。

圖5 模糊控制原理圖

羅茨鼓風(fēng)機的特點是風(fēng)機轉(zhuǎn)速和風(fēng)機出口氣體流量成正比關(guān)系，當風(fēng)機轉(zhuǎn)速一定、進口壓力稍有波動時，風(fēng)機出口氣體流量不變。

本系統(tǒng)中，羅茨風(fēng)機采用壓力變頻調(diào)速。風(fēng)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(zhuǎn)速進而改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速，最終達到調(diào)節(jié)風(fēng)機出口流量以及節(jié)能的目的。風(fēng)機控制的系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 羅茨風(fēng)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(fēng)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，提搞了填埋氣發(fā)電項目的自動化水平和系統(tǒng)監(jiān)測、控制的精度。

結(jié)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(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)備維護成本，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，易于實現(xiàn)。

（本文選編自《電氣技術(shù)》，作者為蘇寶楓、任憲仁 等。）