基于秸稈沼氣發電供暖的智能控制系統之科研實驗平臺探討

劉　珊，樂　超，左文英

(1.黃岡師范學院 電子信息學院， 湖北 黃州 438000；2.上海石化工業學校 計算機系，上海 201512)

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基于秸稈沼氣發電供暖的智能控制系統之科研實驗平臺探討

劉珊1，樂超2，左文英2

(1.黃岡師范學院 電子信息學院， 湖北 黃州 438000；2.上海石化工業學校 計算機系，上海 201512)

概要分析戶用型秸稈沼氣發電系統原理，結合物聯網智能家居的理念，提出綠色能源系統的科研實驗平臺方案。基于該科研實驗平臺，概括分析秸稈沼氣發電供暖的智能動控制思路。

沼氣發電;沼氣供暖;智能家居;物聯網;單片機應用

綠色清潔能源產業正處于高速發展時代，推動關聯工程學的迅速發展。回收使用農林秸稈棄料，發酵生產甲烷沼氣，生產燃氣，發電供暖，已經形成清潔能源產業鏈，大型商業項目紛紛建設投產。它充分展現跨學科工程技術成就，涉及機械工程、化工裝備、生物工程、能源動力、電力電子、自動控制、物聯網、農聯網、智能家居等工程技術領域[1-4]。但是，一般科研院所的科研實驗環境，以及單片機應用及自動控制的大學課程教學質量現狀，缺乏小型實驗平臺，教材內容陳舊、教學實驗落后，不能滿足于清潔能源產業科研及專業人才培養的需求。本文探討設計搭建戶用型秸稈沼氣發電供暖的自動控制系統，作為秸稈沼氣發電清潔能源的科研教學小型實驗平臺。

1　戶用型秸稈沼氣發電智能系統的設計概要

該系統支撐智能家居的基礎需求，水電氣暖。秸稈沼氣發電過程，如圖1所示。沼氣池A系統，農林牧的秸稈棄料，如稻草、麥稈、花生殼等，經過切碎，秸稈碎料后和水混合，再與發酵引物(例如，剩棄食物、人畜糞污)，形成漿料，存儲于秸稈配料池。在沼氣發酵罐內保溫發酵，產生沼氣。蒸汽鍋爐B系統，沼氣在蒸汽鍋爐內燃燒，產生動力蒸汽，驅動汽輪機做工，同時熱蒸汽用于發酵罐保溫、家居取暖。汽輪變頻發電C系統,汽輪機直接軸聯永磁發電機，永磁發電機產生中頻三相交流電能，電能通過變頻逆變器，形成220V/50Hz的市電輸出，供電家居與本系統。富裕電力儲存蓄電池組，蓄電池組逆變電源作為本系統的備用交流供電源。調節控制器D，專門給沼氣池A供應水，蒸汽，燃氣等。主控E系統,通過物聯網M2M方式，實現總體能效管理、無人值守免維護、智能控制各系統。在智能家居F系統中，住戶使用手機終端的APP界面，通過3G/WIFI寬帶 移動通信鏈路，遠程監控配置處于室外的沼氣發電裝備。本智能控制系統，針對戶用型沼氣供電供暖系統的管理監控，提供無人值守免維護自動運行功能。智能控制平臺，基于分布式物聯網M2M方式，各子系統控制器承載各專用自動控制算法實現，子系統控制器的硬件與軟件開發，統一地基于通用商業單片機的嵌入式系統，支持物聯網M2M通信接口標準[5-8]。

圖1　秸稈沼氣發電供暖的物聯網系統

注：A.沼氣池發生系統 B.鍋爐系統 C.汽輪機變頻發電系統 D.調節控制器系統 E.主控系統F.智能家居系統。

1.秸稈二相厭氧發酵沼氣裝置 2.沼氣蒸汽鍋爐 3.微型蒸汽汽輪機 4.中頻永磁發電機 5.電控調節閥(供水/蒸汽/燃氣) 6.沼氣發生工藝控制器 7.沼氣鍋爐運行控制器 8.蒸汽汽輪機運行控制器 9.變頻發電逆變電源 10.管網輸送調節控制器 11.變頻供水裝置 12.物聯網通信控制器 13.沼氣發電供暖主控器 14. 3G/WIFI通信模塊 15.蓄電池組逆變電源 16.沼氣灶具17.蒸汽取暖裝置18.用水裝置19.家電家居 20.智能家居電暖氣水手機遠程監控(3G/WIFI APP)

2　用戶型秸稈二相厭氧發酵沼氣工藝的自動控制設計

2.1秸稈沼氣發酵工藝的自動控制設計

如圖2所示，秸稈發酵沼氣生產工藝，包括酸化溶解發酵、甲烷產氣發酵兩步驟，各自培養增殖兩類發酵生物菌群，處于不同生物化學反應環境(原料品種、發酵引物、沼液溫度、酸堿度、氨氮比、培養時間、生成氣體、中間物濃度、反應生成物等)。在酸化發酵罐中，泵入原始秸稈切碎漿料，經過厭氧發酵酸化生化反應，溶解秸稈中的纖維木質成份，形成軟化秸稈發酵中間物漿料。酸化中間物漿料，經過酸堿調節后，泵入甲烷產氣發酵保溫罐，生成沼氣產物。發酵后的秸稈漿料，經過沉淀池，分離為不能產氣的沼渣與富含甲烷產氣菌落的沼泥。沼泥循環回送甲烷產氣罐而作為甲烷發酵引物混入進秸稈中間物漿料，沼渣作為有機農肥排放。以上兩相生化反應，皆產生甲烷氣，以后者為產氣主反應過程。

發酵生化反應存在兩類敏感高峰溫區，中溫區30～35 ℃及高溫區50～55 ℃。蒸汽作為發酵罐的輔助熱源，與沼液循環換熱，避免室外氣候溫度的干擾，保證反應罐體恒溫。在罐體中，漿料自灌頂泵入，沉落過程中逐漸發生發酵反應，罐體外輔助沼液循環泵，沼液經雙向斜射流方式沖擊罐體沼液，形成漿料的均勻攪拌發酵，避免發酵物的結殼堵塞[9-12]。

沼氣生化反應工藝控制器，基于單片機電路，控制器軟件依據發酵控制工藝算法，依據沼氣儲存罐的氣壓與儲量，啟動/停止發酵生化反應，自動維持供料與排料，維持發酵罐生化反應環境(恒定反應溫度、沼液液位、原料進給量、反應物濃度等)，并且依據秸稈原料品種與氣候條件，啟用不同的發酵生化工藝流程運行模式。

圖2　秸稈兩相厭氧發酵沼氣系統

注：1.秸稈漿料配料池 2.漿料輸送泵 3.酸化發酵罐 4.堿中和池 5.甲烷產氣發酵罐 6.沉淀分離池 7.沼渣農肥池 8.發酵污泥池 9.沼氣輸送泵 10.沼氣流量計 11.沼氣儲罐 12.蒸汽熱交換器 13.沼液循環攪拌射流泵

2.2戶用型沼氣蒸汽汽輪機變頻發電的自動控制設計

如圖3所示，基于安全維護、結構簡化、體積小型的分析，采用戶用型暖氣鍋爐、戶用型微型脈沖葉輪蒸汽汽輪機、小功率盤式永磁三相中頻發電機(P<5kW,f<300Hz)。蒸汽回路循環使用軟化水，鍋爐生產低壓飽和蒸汽(T<250 ℃)，蒸汽直接驅動葉輪做功，汽輪機軸直接聯結發電機軸(無需減速恒頻機構)。產生中頻三相交流電電能，輸出電流、電壓、頻率、相位隨鍋爐蒸汽壓力流量、供電負載功率、功率因子等因素而變化波動。中頻三相電能輸送變頻逆變功率模塊(IGBT),采用交-直-交的變頻調壓轉換，輸出電壓穩定與相位穩定的相交流電能[13-17]。

圖3　沼氣鍋爐汽輪機發電系統

蒸汽汽輪機變頻發電的控制器，基于單片機硬件電路，采集鍋爐蒸汽壓力、流量、溫度的傳感器數據，軟件算法依據供電負載的功率消耗與功率因子變化趨勢，自動調節鍋爐的沼氣與空氣的進氣量，自動控制鍋爐燃燒溫度穩定、蒸汽壓力穩定、輸出電能有功功率因子最佳工況。并且依據逆變器的母線直流電壓、負載電流輸出、電流相位，調控功率管IGBT的SPWM信號輸入，控制穩定輸出電壓相位、電壓值。控制器監控功能上報運行狀態數據、故障報警、接收主控單元的鍋爐點火、停機、發電、斷路指令。 當電能處于低消費狀態時，富余電能充電蓄電池組；當沼氣缺乏時，主控中心控制器，啟動蓄電池組逆變交流電源輸出，替代發電機供電。

2.3基于智能沼氣發電取暖智能控制的單片機應用與自動控制科研平臺的設計思路

當前，大型秸稈沼氣發電商業項目，已經實現電氣自動化運營。相對而言，戶用型沼氣裝置，仍停留于人工維持操作的簡陋發酵裝置狀態，沒有智能控制功能，需要人工在戶外承擔進料與排渣繁重勞作。并且由于不能恒溫發酵與無攪拌措施，以及季節氣候變化因素，導致沼氣發酵反應斷續停止，不能正常穩定持續產氣。用戶體念使用不便不省心不省力，極大阻礙戶用型沼氣能源的推廣使用。因此，針對戶用型沼氣裝置，有必要提供自動化運行功能，通過科研實驗來尋求低成本單片機產品解決方案。實驗平臺的智能控制系統如圖4描繪。

圖4　秸稈沼氣發電供暖的智能控制系統

3　結論

戶用型沼氣、鍋爐、汽輪機、變頻逆變電源等裝備，市場皆有產品出售(淘寶網購)。搭建開發基于單片機的智能控制科研實驗平臺，技術方案可行、投資規模可控。該科研實驗平臺所涉及單片機應用解決案例，來自當今工農業領域中的產品設計實踐，基本全部涵蓋產品設計所需的單片機應用知識與技能，例如，各行業的控制電路與軟件，行業傳感器的數據采集、信號調理，各類工農業領域應用問題的自動控制算法等。基于該科研實驗平臺的研發工作，覆蓋諸多學科,包括機械工程、生物農業、新能源工程、環保工程、電機控制、電力電子、化學化工工程、自動控制、單片機應用、硬件與軟件產品設計、智能家居應用、物聯網通信等，該平臺的科研工作可以充分發揮大學的跨學科研發資源優勢，推進各學科聯合開發產品技術，具有顯著的產學研成果的市場價值。將該平臺分解為眾多的子智能控制系統算法及其軟件、硬件模塊，作為單片機應用與自動控制的科研教學課題設計項目，科研工作具有極高的科研教學與市場價值。

本論文結合新能源開發的行業熱點，并且遵循學校轉型發展的要求，提出了創新型發展方案。但如需進一步研究與實施，需要大量資金投入。短期對于現狀的改善可能看不到實際效果， 但作為此領域的改良，學校科研平臺的建設，具有一定的科研價值和現實意義。

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責任編輯王菊平

Exploration on a lab-based solution to the micro-programmed control unit intelligent controlsystem applied for straw biogas power generator and heating supply

LIU Shan，YUE Chao，ZUO Wen-ying

(1.School of Electronic Information, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China;2. Department of Computer Science, Shanghai Petrochemical Industrial School, Shanghai 201512, China)

This paper briefly analyzes the principles of the system of household power generator with straw biogas. Inspired by the idea of internet of things and smart housing, the paper proposes a lab-based solution to the green power system. Based on the solution, an intelligent control system for straw biogas power generator and heating supply are explored.

gas power generator; gas heating supply; smart housing; internet of things; microcontroller

TN249

A

1003-8078(2016)03-0084-04

2015-04-27

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.21

劉珊，女，浙江寧海人，講師，碩士，主要研究方向為應用電子、電子信息工程及電子信息科學與技術專業的理論實驗教學。

2014年度教育廳科研項目(XD2014329)；黃岡師范學院校青年科研基金項目(2014026903)；黃岡師范學院校教研項目(zj201406)；黃岡師范學院實驗中心項目(SYSFDGDZ2011-2014)。