沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

吳永佳

摘要：伴隨社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，環(huán)保問題以及可再生能源的利用越來越受到世人關(guān)注。其中，沼氣作為制作方法簡單且易獲取清潔能源，將其應(yīng)用在發(fā)電領(lǐng)域中，不僅可以節(jié)省成本支出，還可以確保發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行?；诖?，本文對沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以期為社會發(fā)展創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電;控制系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計;發(fā)電;并網(wǎng)

一、沼氣的來源與收集及其發(fā)電工藝流程

（一）沼氣的來源與收集

一般情況下，相關(guān)技術(shù)人員可利用厭氧發(fā)酵技術(shù)對居民生活垃圾和廢棄有機(jī)物進(jìn)行處理，然后再將得到的沼氣予以利用并進(jìn)行發(fā)電與并網(wǎng)，從而達(dá)到減輕環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的。同時，也要注意沼氣的收集。如，在利用柔性干式雙膜氣柜收集沼氣的時候，需要避免沼氣壓力過大內(nèi)膜撐破情況以及沼氣泄露情況的出現(xiàn)，同時技術(shù)維修人員也要定期對其進(jìn)行檢查，進(jìn)而保證氣柜的完好性。

（二）沼氣的發(fā)電工藝流程

沼氣發(fā)電工藝流程，主要是在牛糞、酒糟、秸稈等有機(jī)物經(jīng)過基本的處理后，其所產(chǎn)生的沼氣含有大量甲烷和CO2等雜質(zhì)氣體，其不僅腐蝕性強(qiáng)，而且還會影響沼氣燃燒，因此這也就需要技術(shù)人員提前做好脫硫脫水處理，進(jìn)而確保燃燒發(fā)電在有序的條件下運(yùn)行，并完成發(fā)電和并網(wǎng)。所以，為了確保發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，需要在發(fā)電機(jī)組上安裝調(diào)速系統(tǒng)并采用電控混合的方式，再依據(jù)氣體甲烷濃度來自動控制空燃比，從而保證轉(zhuǎn)速和輸出功率的穩(wěn)定性。

二、沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)的方案設(shè)計

（一）沼氣發(fā)電機(jī)組型號的選擇

現(xiàn)階段，沼氣發(fā)電機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電以及燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三種發(fā)電方式，不同發(fā)電機(jī)的也具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。具體分析如下：

1、蒸汽輪機(jī)發(fā)電

蒸汽輪機(jī)，主要是利用燃燒后所形成的大量水蒸氣推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。其具有投資成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)工藝卻相對復(fù)雜且水資源耗費(fèi)嚴(yán)重。

2、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電

燃?xì)廨啓C(jī)，主要是利用壓縮機(jī)壓縮氣體并將其點(diǎn)燃，從而產(chǎn)生高溫燃?xì)獠l(fā)電。其具有體積小、資源耗費(fèi)小等優(yōu)點(diǎn)。

3、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，主要是利用電火花塞將空氣與混合氣體點(diǎn)燃，然后在對再將其所釋放的熱氣進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)而達(dá)到發(fā)電的目的。其具有熱效率高、啟動時間快以及使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。

通過以上三種發(fā)電方式的了解，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)更符合現(xiàn)階段的時代發(fā)展要求。

（二）沼氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計

沼氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，一般由檢測元件、控制器和執(zhí)行元件三個部分構(gòu)成。在設(shè)計的過程中，不僅根據(jù)特定工程的實際情況進(jìn)行設(shè)計，還要充分考慮沼氣發(fā)動機(jī)的參數(shù)性能、運(yùn)行環(huán)境等因素，進(jìn)而確定其結(jié)構(gòu)配置并滿足發(fā)電要求。

1、空氣進(jìn)氣系統(tǒng)

無論沼氣混合系統(tǒng)的濃度過濃或過稀，都會在影響沼氣的燃燒情況的同時，使得發(fā)電狀態(tài)受到影響。所以，這也就需要利用空氣進(jìn)氣系統(tǒng)來保證進(jìn)氣量和空燃比。與此同時，也要做好進(jìn)氣量的預(yù)測工作，從而保證發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2、沼氣供氣系統(tǒng)

氣體燃料是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)的重要能量來源。想要減壓高壓沼氣并避免波動，這也就需要設(shè)置二級減壓閥，進(jìn)而清除沼氣在運(yùn)輸過程中可能夾帶的雜質(zhì)。另外，為防止管道因溫度過低而結(jié)冰現(xiàn)象的出現(xiàn)，這也就需要適時加熱管道內(nèi)部的沼氣，并在其通過二級閥的時候?qū)⑵鋲毫刂圃?.6-0.8MPa之間，最后在根據(jù)PLC指令，將沼氣與空氣混合在一起。

3、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)，通過為氣缸內(nèi)部提供電火花燃燒混合氣體，讓點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時刻得到控制。一般情況下，此系統(tǒng)主要由點(diǎn)火提前角和閉合角控制變量，如若提前角和閉合角出現(xiàn)問題，那么就會對發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行造成非常嚴(yán)重的影響。所以，在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行的條件下，傳感器需將工況信號傳輸給PLC，然后再由PLC下達(dá)點(diǎn)火指令，進(jìn)而保證各缸火花塞都可以被點(diǎn)火。

（三）控制系統(tǒng)與硬件選型

1、控制系統(tǒng)的組成

一般情況下，控制系統(tǒng)主要是根據(jù)各個傳感器所檢測的變量信息來分析發(fā)動機(jī)工況，然后在按照實際需求下發(fā)指令并達(dá)到控制要求的目的。

2、硬件選型

控制系統(tǒng)主要由PLC、傳感器、組態(tài)軟件等硬件組成，不同硬件在系統(tǒng)內(nèi)部通過發(fā)揮不同的作用促進(jìn)發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。其中，PLC作為該系統(tǒng)的主要器件，可根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作需求對其進(jìn)行分析和處理，然后再將處理所得到信號下發(fā)給不同的執(zhí)行器件。

（四）電氣控制回路設(shè)計

因PLC體積較小，且各個模塊之間相互連接，所以這也就需要將其固定在機(jī)架上。該系統(tǒng)一般由主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架組成。一般數(shù)字輸入和輸出模塊線比較簡單，因此，本文不再詳細(xì)說明。

三、發(fā)電機(jī)組余熱利用及發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)分析

（一）發(fā)電機(jī)組余熱利用和回收

1、發(fā)電機(jī)組余熱利用

該系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱主要分為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)余熱和發(fā)動機(jī)尾氣余熱兩個部分，所以為了確保系統(tǒng)熱效率的最大化，需要選擇符合實際情況的余熱回收裝置和連接方式。一般情況下，沼氣發(fā)動機(jī)在正常工作的情況下會產(chǎn)生大量熱量，因此這也就需要對其采取冷卻降溫的處理措施，進(jìn)而保證發(fā)動機(jī)的正常工作狀態(tài)、需要注意的是，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度需控制在70-80℃，一旦溫度出現(xiàn)過高或過低的情況，那么都會影響其使用壽命。

2、發(fā)電機(jī)組余熱回收

發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其無論是機(jī)身還是燃燒所產(chǎn)生的煙氣都會攜帶大量的熱量，所以，相關(guān)工作人員可以利用回收裝置處理這些熱量，如為周邊居民提供熱水等，進(jìn)而節(jié)約資源利用率。其中，余熱回收裝置的好壞都會直接影響整個發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效果，目前沼氣發(fā)電機(jī)組尾氣余熱回收裝置選用氣-水換熱器結(jié)構(gòu)，其主要由熱管、套管和管殼式換熱器組成。為了減少熱量的損失，相關(guān)技術(shù)人員需要選擇尾氣余熱回收裝置來處理尾氣余熱，進(jìn)而達(dá)到尾氣余熱回收的目的。

3、冷卻系余熱回收裝置

沼氣發(fā)動機(jī)冷卻系余熱回收有兩種方式，分別是冷卻系余熱回收裝置和液-液交換器換熱方式。為了提高余熱回收的利用率并保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行，這也就需要設(shè)置余熱回收控制系統(tǒng)。通過在冷卻系板式換熱器和排氣二級換熱器間加設(shè)閥門并改變閥門大小，對于控制進(jìn)水量和水溫都有著非常良好的效果。

該系統(tǒng)沼氣燃燒所發(fā)電不僅要滿足自身所需，同時也要滿足并網(wǎng)要求，所以一旦自身耗電量過大，那么就需要及時補(bǔ)充電網(wǎng)電量。一般發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)分別高壓和低壓并網(wǎng)兩種方式。相關(guān)技術(shù)人員在實際運(yùn)作過程中可通過合閘的控制來輸送電能并完成并網(wǎng)。需要注意的是，一旦沼氣氣量不足，相關(guān)工作人員需要斷開發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)，這種現(xiàn)象被稱為解列。

所以在設(shè)計發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的時候，需要結(jié)合實際情況為沼氣發(fā)電機(jī)組設(shè)置單獨(dú)的控制柜，并采取遠(yuǎn)程監(jiān)控措施使發(fā)電機(jī)相序和電網(wǎng)相序調(diào)節(jié)一致。并在調(diào)節(jié)一致以后，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確保發(fā)電機(jī)組電壓、頻率與電網(wǎng)相同時可以完成合閘并網(wǎng)。其中，并網(wǎng)方案：沼氣發(fā)電機(jī)組——發(fā)電機(jī)控制柜——計量及出線斷路器柜——升壓變壓器（0.4KV/10KV）——計量及 PT 柜——并網(wǎng)保護(hù)柜——高壓隔離開關(guān)——電網(wǎng)。

結(jié)論：

綜上所述，在社會經(jīng)濟(jì)與工業(yè)化快速發(fā)展的大背景下，不僅環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，而且可再生能源也越來越少，所以為了促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展并響應(yīng)國家號召，本文對沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)--發(fā)電與并網(wǎng)進(jìn)行了研究與分析，以期在充分利用清潔能源的同時，減少可再生能源的使用，從而保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性并促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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