垃圾填埋場是城市生活垃圾的最終處置環節，垃圾填埋場中的可降解生物在穩定化降解過程中產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，填埋氣發電已成為我國治理垃圾填埋場污染排放、開發利用垃圾填埋氣的主流技術。

現今，自動化控制已進入計算機智能化控制階段，能夠根據系統運行過程中相關參數的變化，及時、自動地調整系統的運行狀態，使其一直運行在一個最佳的工作狀態。本項目采用PLC和DCS來實現填埋氣發電系統的自動化控制。

填埋氣發電工藝系統概況

1 填埋氣發電工藝簡介

填埋氣發電主要由填埋氣收集系統、填埋氣預處理系統、火炬系統和發電機組系統四部分組成，其工藝流程如圖1所示，填埋氣由集氣井進入集氣管網，經過預處理后進行發電或者進入火炬燃燒。

圖1 填埋氣發電工藝流程圖

2 計算機控制系統

圖2 計算機檢測控制系統框圖

計算機控制系統框圖如圖2所示，現場采集的數據實時傳輸到各控制器的PLC或DCS，再通過PLC或DCS傳輸到上位機，上位機控制指令給相應的PLC或DCS，通過各控制器的PLC或DCS實現具體控制，形成一個可靠、快捷的局域網絡。現場數據信息通過相應的控制器經工業以太網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送各種控制指令，完成生產調度過程。

中央控制室的上位機系統采用客戶機／服務器結構，服務器用于記錄、打印、備份整個生產過程的數據，客戶機作為操作員接口，用于對工藝過程的操作和監視。上位機系統和控制系統通過100Mbps的工業以太網進行通信，上位機系統由2臺服務器、1臺工程師站、2臺操作員站、1臺監視站組成。

本系統共有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號發電機控制器、5～8號發電機控制器、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在填埋氣發電系統中的具體應用實現。

預處理、火炬系統的檢測與控制

1 預處理、火炬系統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。填埋氣首先經過預處理系統進行脫硫、脫水等處理，然后再進行發電，最大限度地減少填埋氣對發沼氣電機組的腐蝕，延長沼氣發電機組的使用年限。

預處理系統工藝如圖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定輸出氣體的壓力，調節氣體流量，以滿足火炬燃燒和沼氣發電機組對氣體壓力、流量等的要求。最后填埋氣在精濾器的作用下進一步脫水，達到沼氣發電機組對氣體成分的要求。

圖3 預處理系統工藝流程圖

2 預處理、火炬控制器的控制及算法實現

2.1 檢測、控制內容

預處理、火炬系統主要檢測、控制內容如下：

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，預處理系統出口的壓力，沼氣總管（進入發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、故障信號，熱水循環泵的運行、故障信號，變頻器的運行、故障信號，火炬的運行、溫度信號經PLC在主控機進行畫面顯示。

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羅茨風機的啟停，壓力自動變速調節。

預處理、火炬控制器系統框圖如圖4所示。

圖4 預處理、火炬控制器系統框圖

2.2 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，以便于各執行器進行具體的操作控制，本系統的羅茨鼓風機模糊控制原理如圖5所示，y_T風機出口壓力給定，y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。

本系統中，羅茨風機采用壓力變頻調速。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節信號，變頻器根據該信號改變電機轉速進而改變風機轉速，最終達到調節風機出口流量以及節能的目的。風機控制的系統框圖如圖6所示。

圖6 羅茨風機壓力模糊控制系統框圖

PLC能夠根據現場儀表檢測的數據進行監測，通過對羅茨風機的控制實現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電機組的要求。利用PLC作控制系統不僅節省了大量的人力物力，而且保證了系統運行的可靠性[3]。現場情況表明，本系統運行穩定，控制效果理想，提搞了填埋氣發電項目的自動化水平和系統監測、控制的精度。

結論

填埋氣發電是實現垃圾減量化、資源化、無害化處理在的一種重要手段。工程實踐證明，填埋氣發電中合理使用自動控制系統，極大地方便了對全廠工藝系統、設備的監測、控制和管理，提高了生產效率，降低了事故率，改善了生產條件，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。

（本文選編自《電氣技術》，作者為蘇寶楓、任憲仁 等。）