郝春梅，任繩鳳，常 婧

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜、多變的微生物學(xué)過程，僅靠自然發(fā)酵是難以實現(xiàn)的.對于大中型沼氣工程，人工操作繁瑣，勞動強度大，容易造成操作失誤，影響發(fā)酵過程的順利進行，致使產(chǎn)氣率下降或產(chǎn)氣停滯.同時，養(yǎng)殖場沼氣工程對常規(guī)能源需求量大，能耗高，制約了養(yǎng)殖場自身的可持續(xù)發(fā)展[1-3].因此，對沼氣發(fā)酵工藝過程進行智能化監(jiān)測控制，為微生物甲烷菌提供一個良好的生長與繁殖環(huán)境，才能使產(chǎn)氣率穩(wěn)定并維持在一個較高水平.方雷[4]等人利用單片機對沼氣工程進行監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)采用匯編語言，不便于操作.吳功平[5]等采用一種非標(biāo)準(zhǔn)的PID控制算法實現(xiàn)對發(fā)酵池內(nèi)進行監(jiān)控，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.張影微[6]等人利用PLC和組態(tài)軟件結(jié)合兩相厭氧發(fā)酵工藝設(shè)計了厭氧發(fā)酵工藝自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)酵過程參數(shù)的實時監(jiān)測.本文針對某大中型奶牛養(yǎng)殖場沼氣發(fā)酵的整個系統(tǒng)，結(jié)合養(yǎng)殖場實際的用能情況，建立一套智能化的運行管理模式，實現(xiàn)從配料、進料、換料、發(fā)酵、罐體增溫到沼氣綜合利用等方面的智能化運行.

1 智能化運行管理模式設(shè)計

1.1 沼氣生產(chǎn)工藝運行流程

智能化沼氣工程的工藝運行流程如圖1所示，圖中，1～8為電磁閥；①～⑦為污泥泵.糞污和沖洗水流入原料儲存池內(nèi)，系統(tǒng)不需要進料時，開啟電磁閥1和污泥泵①，將儲存原料送入固液篩分室，篩分后的固體物質(zhì)用于墊床，液體經(jīng)一、二次沉淀后用于牛圈的沖洗和對原料的稀釋.系統(tǒng)需要進料時，將原料送入配料罐，加水使料液濃度為8%，然后進入發(fā)酵罐.厭氧發(fā)酵罐的溫度保持在35℃，該溫度是中溫厭氧發(fā)酵的最適宜溫度[7-9].在罐體下部設(shè)置兩臺采用抽吸式攪拌的污泥泵，每天進料后開啟15 min，使料液混合均勻.在發(fā)酵初期，發(fā)酵罐內(nèi)有機酸的積累，使發(fā)酵料液的pH下降，一般為6.5～7.系統(tǒng)產(chǎn)氣后，發(fā)酵料液的pH值，穩(wěn)定在7～7.5[10].產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格的厭氧菌，只能在無氧的環(huán)境下生存和繁殖，中溫發(fā)酵當(dāng)氧化還原電位低于-300 mV時，才能保證發(fā)酵罐內(nèi)為厭氧環(huán)境.厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣體，經(jīng)凈化后，用于養(yǎng)殖場發(fā)電、采暖并為系統(tǒng)提供熱能.

圖1 智能化沼氣工程的運行工藝流程

1.2 控制系統(tǒng)組成

針對大中型養(yǎng)殖場沼氣工程建立PLC和組態(tài)軟件的智能化管理系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成如圖2所示.PLC是專門用于工業(yè)控制的計算機，編程的可靠性高、操作方便.本系統(tǒng)下位機PLC選擇西門子S7-300，其功能多且強大，運行速度快，具有較多I/O擴展模塊化，結(jié)構(gòu)緊湊，易于用戶掌握.組態(tài)軟件具有強大的顯示組態(tài)功能，使界面生動、直觀，實現(xiàn)上位機與下位機的雙向通信，豐富的控制功能，滿足用戶的現(xiàn)場和測控要求.本系統(tǒng)通過AI模塊將傳感器采集的現(xiàn)場模擬信號傳送到PLC，上位機發(fā)出指控命令，并搭載組態(tài)軟件，對控制參數(shù)進行設(shè)定與修改，再通過AO模塊將PLC系統(tǒng)指令發(fā)送到閥門，實現(xiàn)調(diào)節(jié)污泥泵的啟停、電磁閥門的開度等硬件設(shè)備的控制.

圖2 控制系統(tǒng)組成

2 智能化運行管理模式實施方案

2.1 進出料系統(tǒng)

發(fā)酵原料濃度的高低直接影響著系統(tǒng)產(chǎn)氣率，但并非料液濃度越高產(chǎn)氣量越高.當(dāng)料液濃度較高時，有機負荷增加，減弱了微生物的活動能力，造成原料的分解緩慢，延長了發(fā)酵周期，同時制約了攪拌作用的效果，降低了產(chǎn)氣速率；而料液濃度過低時，有機物含量較少，造成了反應(yīng)容器的浪費，降低了產(chǎn)氣效率.因此，可對發(fā)酵罐的進出料系統(tǒng)進行控制，保持發(fā)酵原料濃度為8%，縮短發(fā)酵周期、提高產(chǎn)氣效率.

本系統(tǒng)采用電磁閥和污泥泵連鎖運行的保護措施，在發(fā)酵罐與配料罐上分別安裝液位傳感器，通過控制污泥泵的開啟時間，來調(diào)節(jié)料液流量.當(dāng)發(fā)酵系統(tǒng)需要進料時，開啟電磁閥4和污泥泵③，通過控制污泥泵③的開啟時間控制配料罐的料液量，達到設(shè)定值，關(guān)閉電磁閥4和污泥泵③.同時開啟電磁閥2，加循環(huán)水使料液濃度為8%，當(dāng)配料罐的液位達到PLC控制柜設(shè)置的最高液位時，開啟電磁閥5，向發(fā)酵罐進料；當(dāng)配料罐內(nèi)的液位低于最低液位值時，完成一次進料，直至發(fā)酵罐達到PLC控制柜設(shè)置的最高值，停止進料.進料過程控制流程如圖3所示.

本系統(tǒng)采用連續(xù)發(fā)酵方式，根據(jù)控制水力停留時間計算每日的排料量，同時加入同量的料液，以維持穩(wěn)定的發(fā)酵條件和產(chǎn)氣速率[11-12].出料時開啟電磁閥6和污泥泵⑤，根據(jù)總排料量和泵的流量控制開啟時間.排料結(jié)束，開啟配料、進料系統(tǒng)，通過控制泵開啟時間來控制每天的進料量，完成一次換料.換料過程控制流程如圖4所示.

圖4 換料過程控制流程

2.2 發(fā)酵系統(tǒng)

影響厭氧發(fā)酵效率的因素包括污泥濃度、發(fā)酵原料、營養(yǎng)比等基礎(chǔ)因素和溫度、pH值、氧化還原電位、抑制物及促進劑等環(huán)境因素.基礎(chǔ)因素影響厭氧生物反應(yīng)效率的高低，但環(huán)境因素決定厭氧消化過程的成敗.因此，對發(fā)酵系統(tǒng)進行監(jiān)控，為微生物提供一個良好的生長、繁殖環(huán)境也是至關(guān)重要的.系統(tǒng)通過在發(fā)酵罐內(nèi)布置傳感器對溫度、pH值、氧化還原電位等參數(shù)進行監(jiān)測與控制，傳感器將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過節(jié)點模塊傳到PLC，上位機發(fā)出指令，再通過PLC調(diào)節(jié)電磁閥的開度，使微生物處于一適宜的環(huán)境，從而更大限度地提高系統(tǒng)的產(chǎn)氣率，控制過程如圖5-6所示.

圖5 發(fā)酵罐內(nèi)pH的控制流程

圖6 發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制流程

2.3 罐體增溫系統(tǒng)

通過對養(yǎng)殖場傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵工藝進行優(yōu)化，在保證高效產(chǎn)氣的前提下盡量減少對不可再生能源以及電能等的使用，多利用余熱、廢熱等可再生能源作為系統(tǒng)的熱源，實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保[13-14].

根據(jù)養(yǎng)殖場不同季節(jié)的用能情況，夏季需要開啟風(fēng)扇為牲畜降溫，對電負荷需求量大，系統(tǒng)產(chǎn)出的沼氣主要用來發(fā)電，利用發(fā)電余熱為罐體增溫.冬季既要為對公樓和住宿樓供暖，又要為發(fā)酵罐增溫，對熱負荷的需求量大，系統(tǒng)產(chǎn)出的沼氣主要用來滿足供暖需求.過渡季節(jié)，系統(tǒng)產(chǎn)出的沼氣主要用來發(fā)電，利用余熱為罐體增溫，養(yǎng)殖場沼氣工程冷熱電聯(lián)產(chǎn)如圖7所示.因此，將沼氣工程罐體增溫系統(tǒng)的運行管理分為供暖期與非供暖期兩種模式.

在非供暖期用電負荷較大，沼氣主要用于發(fā)電，并采用余熱鍋爐收集發(fā)電機組高溫尾氣余熱為罐體增溫，如圖8所示.控制過程：沼氣用于發(fā)電后，收集高溫尾氣通入余熱鍋爐與循環(huán)水換熱，進行余熱回收，出水進入蓄熱水箱，為發(fā)酵罐增溫.通過對發(fā)酵罐的溫度傳感器的監(jiān)測，控制電磁閥的啟停，調(diào)節(jié)流入罐體的循環(huán)水流量，使發(fā)酵罐溫度保持在35℃.

圖7 養(yǎng)殖場沼氣工程冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

在供暖期，供熱需求較高時，系統(tǒng)運行沼氣鍋爐，對煙氣進行余熱回收利用，在滿足冬季采暖需求的同時，又可為發(fā)酵罐體增溫，如圖9所示.控制過程：沼氣經(jīng)凈化后送入沼氣鍋爐，為養(yǎng)殖場辦公樓供暖，回水接板式換熱器，為發(fā)酵罐增溫，循環(huán)水返回沼氣鍋爐加熱.利用二次網(wǎng)循環(huán)熱水加熱沼氣罐，在罐內(nèi)設(shè)置的溫度傳感器，監(jiān)測罐內(nèi)溫度變化，控制電磁閥的啟停，調(diào)節(jié)流入罐體的循環(huán)水流量，使發(fā)酵罐溫度保持在35℃.

圖8 非供暖期發(fā)酵罐體增溫控制系統(tǒng)線路

圖9 供暖期發(fā)酵罐體增溫控制系統(tǒng)線路

3 智能化沼氣工程運行管理系統(tǒng)分析

3.1 運行成本分析

智能化沼氣工程運行管理系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的人工管理系統(tǒng)，增加了智能化的運行設(shè)備.智能化運行管理初投資較大，但避免了傳統(tǒng)沼氣工程完全依賴于人工操作、經(jīng)驗控制造成的低產(chǎn)出低利用率的弊端.利用現(xiàn)代化的控制管理方法保證了發(fā)酵過程的穩(wěn)定，降低了勞動成本，提高了沼氣工程的產(chǎn)氣率，節(jié)省了運行成本.

3.2 產(chǎn)出效益分析

本系統(tǒng)中沼氣發(fā)酵罐容積1 000 m3，原料濃度8%，采用35℃連續(xù)發(fā)酵方式，系統(tǒng)產(chǎn)氣穩(wěn)定后，日產(chǎn)沼氣可達800 m3.非供暖期養(yǎng)殖場耗電量高，沼氣全部用于發(fā)電，1 m3純甲烷可發(fā)電3.3度，正常情況下沼氣中甲烷含量約為60%，則1m3沼氣的發(fā)電量為1.98度.計算可得，整個非供暖期的發(fā)電量為338 976 kW·h，電價按0.648元/kW·h計，則可收益21.96萬元.供暖期沼氣全部用于沼氣鍋爐采暖，滿足辦公樓及宿舍樓共2 000 m2的供暖需要.原養(yǎng)殖場均采用燃煤鍋爐供暖，不僅每天需要消耗大量的不可再生能源煤，而且煤的燃燒還會帶來SO2、粉塵等污染.據(jù)養(yǎng)殖場實際數(shù)據(jù)，平均每天需燒煤1.5 t，則整個供暖期要消耗煤180 t，按600元/t計，則可節(jié)省10.8萬元.沼液和沼渣對外銷售的收益由養(yǎng)殖場提供的價格計算得到，沼液為 15元/m3，年產(chǎn)沼液1萬余m3，沼液年銷售收入15萬元；沼渣的價格為200元/m3，年產(chǎn)沼渣3 000余m3，沼渣年銷售收入60萬元.綜上可得，沼氣、沼液和沼渣的總計年收入為107.76萬元.

4 結(jié)論

（1）通過對進出料系統(tǒng)的控制，維持罐內(nèi)料液濃度為8%；利用傳感器對發(fā)酵罐內(nèi)進行監(jiān)測，使發(fā)酵過程中罐內(nèi)溫度為35℃，pH為7～7.5，氧化還原電位低于-300 mV，保證發(fā)酵過程各個階段的發(fā)酵環(huán)境，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效.

（2）根據(jù)養(yǎng)殖場不同季節(jié)的用能情況，在非供暖期，利用沼氣發(fā)電，采用余熱鍋爐回收發(fā)電機高溫余熱為發(fā)酵罐體增溫；在非供暖期，利用沼氣鍋爐供暖，并通過板式換熱器，回收鍋爐回水熱量為發(fā)酵罐體增溫.

（3）相比傳統(tǒng)沼氣工程運行管理系統(tǒng)，智能化運行管理系統(tǒng)能產(chǎn)出良好的經(jīng)濟效益，具有較高的推廣價值.

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