沼气发电控制系统的分析与设计

吴永佳

摘要：伴随社会经济的快速发展以及工业化规模的扩大，环保问题以及可再生能源的利用越来越受到世人关注。其中，沼气作为制作方法简单且易获取清洁能源，将其应用在发电领域中，不仅可以节省成本支出，还可以确保发电机组的稳定运行。基于此，本文对沼气发电控制系统进行了研究，以期为社会发展创造良好的经济效益。

关键词：沼气发电;控制系统;系统设计;发电;并网

一、沼气的来源与收集及其发电工艺流程

（一）沼气的来源与收集

一般情况下，相关技术人员可利用厌氧发酵技术对居民生活垃圾和废弃有机物进行处理，然后再将得到的沼气予以利用并进行发电与并网，从而达到减轻环境污染、促进经济发展的目的。同时，也要注意沼气的收集。如，在利用柔性干式双膜气柜收集沼气的时候，需要避免沼气压力过大内膜撑破情况以及沼气泄露情况的出现，同时技术维修人员也要定期对其进行检查，进而保证气柜的完好性。

（二）沼气的发电工艺流程

沼气发电工艺流程，主要是在牛粪、酒糟、秸秆等有机物经过基本的处理后，其所产生的沼气含有大量甲烷和CO2等杂质气体，其不仅腐蚀性强，而且还会影响沼气燃烧，因此这也就需要技术人员提前做好脱硫脱水处理，进而确保燃烧发电在有序的条件下运行，并完成发电和并网。所以，为了确保发电机组的正常运行，需要在发电机组上安装调速系统并采用电控混合的方式，再依据气体甲烷浓度来自动控制空燃比，从而保证转速和输出功率的稳定性。

二、沼气发电控制系统的方案设计

（一）沼气发电机组型号的选择

现阶段，沼气发电机组由燃气轮机发电、蒸汽轮机发电以及燃气内燃机三种发电方式，不同发电机的也具有不同的优缺点。具体分析如下：

1、蒸汽轮机发电

蒸汽轮机，主要是利用燃烧后所形成的大量水蒸气推动蒸汽轮机发电。其具有投资成本低、寿命长等优点，但其系统工艺却相对复杂且水资源耗费严重。

2、燃气轮机发电

燃气轮机，主要是利用压缩机压缩气体并将其点燃，从而产生高温燃气并发电。其具有体积小、资源耗费小等优点。

3、燃气内燃机发电

燃气内燃机，主要是利用电火花塞将空气与混合气体点燃，然后在对再将其所释放的热气进行往复运动，进而达到发电的目的。其具有热效率高、启动时间快以及使用简单等优点。

通过以上三种发电方式的了解，燃气内燃机更符合现阶段的时代发展要求。

（二）沼气发电机组控制系统设计

沼气发电机组控制系统，一般由检测元件、控制器和执行元件三个部分构成。在设计的过程中，不仅根据特定工程的实际情况进行设计，还要充分考虑沼气发动机的参数性能、运行环境等因素，进而确定其结构配置并满足发电要求。

1、空气进气系统

无论沼气混合系统的浓度过浓或过稀，都会在影响沼气的燃烧情况的同时，使得发电状态受到影响。所以，这也就需要利用空气进气系统来保证进气量和空燃比。与此同时，也要做好进气量的预测工作，从而保证发电机系统的稳定运行。

2、沼气供气系统

气体燃料是燃气发动机工作运转的重要能量来源。想要减压高压沼气并避免波动，这也就需要设置二级减压阀，进而清除沼气在运输过程中可能夹带的杂质。另外，为防止管道因温度过低而结冰现象的出现，这也就需要适时加热管道内部的沼气，并在其通过二级阀的时候将其压力控制在0.6-0.8MPa之间，最后在根据PLC指令，将沼气与空气混合在一起。

3、发动机点火系统

点火系统，通过为气缸内部提供电火花燃烧混合气体，让点火能量和点火时刻得到控制。一般情况下，此系统主要由点火提前角和闭合角控制变量，如若提前角和闭合角出现问题，那么就会对发动机的正常运行造成非常严重的影响。所以，在发动机正常运行的条件下，传感器需将工况信号传输给PLC，然后再由PLC下达点火指令，进而保证各缸火花塞都可以被点火。

（三）控制系统与硬件选型

1、控制系统的组成

一般情况下，控制系统主要是根据各个传感器所检测的变量信息来分析发动机工况，然后在按照实际需求下发指令并达到控制要求的目的。

2、硬件选型

控制系统主要由PLC、传感器、组态软件等硬件组成，不同硬件在系统内部通过发挥不同的作用促进发电机组的稳定运行。其中，PLC作为该系统的主要器件，可根据发动机的工作需求对其进行分析和处理，然后再将处理所得到信号下发给不同的执行器件。

（四）电气控制回路设计

因PLC体积较小，且各个模块之间相互连接，所以这也就需要将其固定在机架上。该系统一般由主机架和扩展机架组成。一般数字输入和输出模块线比较简单，因此，本文不再详细说明。

三、发电机组余热利用及发电机组并网分析

（一）发电机组余热利用和回收

1、发电机组余热利用

该系统所产生的余热主要分为发动机冷却系统余热和发动机尾气余热两个部分，所以为了确保系统热效率的最大化，需要选择符合实际情况的余热回收装置和连接方式。一般情况下，沼气发动机在正常工作的情况下会产生大量热量，因此这也就需要对其采取冷却降温的处理措施，进而保证发动机的正常工作状态、需要注意的是，发动机冷却系统温度需控制在70-80℃，一旦温度出现过高或过低的情况，那么都会影响其使用寿命。

2、发电机组余热回收

发动机在运转过程中，其无论是机身还是燃烧所产生的烟气都会携带大量的热量，所以，相关工作人员可以利用回收装置处理这些热量，如为周边居民提供热水等，进而节约资源利用率。其中，余热回收装置的好坏都会直接影响整个发电机组的运行效果，目前沼气发电机组尾气余热回收装置选用气-水换热器结构，其主要由热管、套管和管壳式换热器组成。为了减少热量的损失，相关技术人员需要选择尾气余热回收装置来处理尾气余热，进而达到尾气余热回收的目的。

3、冷却系余热回收装置

沼气发动机冷却系余热回收有两种方式，分别是冷却系余热回收装置和液-液交换器换热方式。为了提高余热回收的利用率并保证发动机的正常运行，这也就需要设置余热回收控制系统。通过在冷却系板式换热器和排气二级换热器间加设阀门并改变阀门大小，对于控制进水量和水温都有着非常良好的效果。

该系统沼气燃烧所发电不仅要满足自身所需，同时也要满足并网要求，所以一旦自身耗电量过大，那么就需要及时补充电网电量。一般发电机组并网分别高压和低压并网两种方式。相关技术人员在实际运作过程中可通过合闸的控制来输送电能并完成并网。需要注意的是，一旦沼气气量不足，相关工作人员需要断开发电机组和电网，这种现象被称为解列。

所以在设计发电机组并网的时候，需要结合实际情况为沼气发电机组设置单独的控制柜，并采取远程监控措施使发电机相序和电网相序调节一致。并在调节一致以后，通过调节发动机转速来调节发电机转速，进而确保发电机组电压、频率与电网相同时可以完成合闸并网。其中，并网方案：沼气发电机组——发电机控制柜——计量及出线断路器柜——升压变压器（0.4KV/10KV）——计量及 PT 柜——并网保护柜——高压隔离开关——电网。

结论：

综上所述，在社会经济与工业化快速发展的大背景下，不仅环境污染问题愈发严重，而且可再生能源也越来越少，所以为了促进社会可持续发展并响应国家号召，本文对沼气发电控制系统--发电与并网进行了研究与分析，以期在充分利用清洁能源的同时，减少可再生能源的使用，从而保障电力供应的稳定性并促进国民经济的发展。

参考文献：

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[2]赵阳. 基于西门子S7-300PLC沼气发电控制系统的设计与实现[D]. 北方民族大学， 2017.

[3]刘洋， 牛小燕. PLC在沼氣发电控制系统中的应用[J]. 电子世界， 2017（16）：1.