基于秸秆沼气发电供暖的智能控制系统之科研实验平台探讨

刘　珊，乐　超，左文英

(1.黄冈师范学院 电子信息学院， 湖北 黄州 438000；2.上海石化工业学校 计算机系，上海 201512)



基于秸秆沼气发电供暖的智能控制系统之科研实验平台探讨

刘珊1，乐超2，左文英2

(1.黄冈师范学院 电子信息学院， 湖北 黄州 438000；2.上海石化工业学校 计算机系，上海 201512)

概要分析户用型秸秆沼气发电系统原理，结合物联网智能家居的理念，提出绿色能源系统的科研实验平台方案。基于该科研实验平台，概括分析秸秆沼气发电供暖的智能动控制思路。

沼气发电;沼气供暖;智能家居;物联网;单片机应用

绿色清洁能源产业正处于高速发展时代，推动关联工程学的迅速发展。回收使用农林秸秆弃料，发酵生产甲烷沼气，生产燃气，发电供暖，已经形成清洁能源产业链，大型商业项目纷纷建设投产。它充分展现跨学科工程技术成就，涉及机械工程、化工装备、生物工程、能源动力、电力电子、自动控制、物联网、农联网、智能家居等工程技术领域[1-4]。但是，一般科研院所的科研实验环境，以及单片机应用及自动控制的大学课程教学质量现状，缺乏小型实验平台，教材内容陈旧、教学实验落后，不能满足于清洁能源产业科研及专业人才培养的需求。本文探讨设计搭建户用型秸秆沼气发电供暖的自动控制系统，作为秸秆沼气发电清洁能源的科研教学小型实验平台。

1　户用型秸秆沼气发电智能系统的设计概要

该系统支撑智能家居的基础需求，水电气暖。秸秆沼气发电过程，如图1所示。沼气池A系统，农林牧的秸秆弃料，如稻草、麦秆、花生壳等，经过切碎，秸秆碎料后和水混合，再与发酵引物(例如，剩弃食物、人畜粪污)，形成浆料，存储于秸秆配料池。在沼气发酵罐内保温发酵，产生沼气。蒸汽锅炉B系统，沼气在蒸汽锅炉内燃烧，产生动力蒸汽，驱动汽轮机做工，同时热蒸汽用于发酵罐保温、家居取暖。汽轮变频发电C系统,汽轮机直接轴联永磁发电机，永磁发电机产生中频三相交流电能，电能通过变频逆变器，形成220V/50Hz的市电输出，供电家居与本系统。富裕电力储存蓄电池组，蓄电池组逆变电源作为本系统的备用交流供电源。调节控制器D，专门给沼气池A供应水，蒸汽，燃气等。主控E系统,通过物联网M2M方式，实现总体能效管理、无人值守免维护、智能控制各系统。在智能家居F系统中，住户使用手机终端的APP界面，通过3G/WIFI宽带 移动通信链路，远程监控配置处于室外的沼气发电装备。本智能控制系统，针对户用型沼气供电供暖系统的管理监控，提供无人值守免维护自动运行功能。智能控制平台，基于分布式物联网M2M方式，各子系统控制器承载各专用自动控制算法实现，子系统控制器的硬件与软件开发，统一地基于通用商业单片机的嵌入式系统，支持物联网M2M通信接口标准[5-8]。

图1　秸秆沼气发电供暖的物联网系统

注：A.沼气池发生系统 B.锅炉系统 C.汽轮机变频发电系统 D.调节控制器系统 E.主控系统F.智能家居系统。

1.秸秆二相厌氧发酵沼气装置 2.沼气蒸汽锅炉 3.微型蒸汽汽轮机 4.中频永磁发电机 5.电控调节阀(供水/蒸汽/燃气) 6.沼气发生工艺控制器 7.沼气锅炉运行控制器 8.蒸汽汽轮机运行控制器 9.变频发电逆变电源 10.管网输送调节控制器 11.变频供水装置 12.物联网通信控制器 13.沼气发电供暖主控器 14. 3G/WIFI通信模块 15.蓄电池组逆变电源 16.沼气灶具17.蒸汽取暖装置18.用水装置19.家电家居 20.智能家居电暖气水手机远程监控(3G/WIFI APP)

2　用户型秸秆二相厌氧发酵沼气工艺的自动控制设计

2.1秸秆沼气发酵工艺的自动控制设计

如图2所示，秸秆发酵沼气生产工艺，包括酸化溶解发酵、甲烷产气发酵两步骤，各自培养增殖两类发酵生物菌群，处于不同生物化学反应环境(原料品种、发酵引物、沼液温度、酸碱度、氨氮比、培养时间、生成气体、中间物浓度、反应生成物等)。在酸化发酵罐中，泵入原始秸秆切碎浆料，经过厌氧发酵酸化生化反应，溶解秸秆中的纤维木质成份，形成软化秸秆发酵中间物浆料。酸化中间物浆料，经过酸碱调节后，泵入甲烷产气发酵保温罐，生成沼气产物。发酵后的秸秆浆料，经过沉淀池，分离为不能产气的沼渣与富含甲烷产气菌落的沼泥。沼泥循环回送甲烷产气罐而作为甲烷发酵引物混入进秸秆中间物浆料，沼渣作为有机农肥排放。以上两相生化反应，皆产生甲烷气，以后者为产气主反应过程。

发酵生化反应存在两类敏感高峰温区，中温区30～35 ℃及高温区50～55 ℃。蒸汽作为发酵罐的辅助热源，与沼液循环换热，避免室外气候温度的干扰，保证反应罐体恒温。在罐体中，浆料自灌顶泵入，沉落过程中逐渐发生发酵反应，罐体外辅助沼液循环泵，沼液经双向斜射流方式冲击罐体沼液，形成浆料的均匀搅拌发酵，避免发酵物的结壳堵塞[9-12]。

沼气生化反应工艺控制器，基于单片机电路，控制器软件依据发酵控制工艺算法，依据沼气储存罐的气压与储量，启动/停止发酵生化反应，自动维持供料与排料，维持发酵罐生化反应环境(恒定反应温度、沼液液位、原料进给量、反应物浓度等)，并且依据秸秆原料品种与气候条件，启用不同的发酵生化工艺流程运行模式。

图2　秸秆两相厌氧发酵沼气系统

注：1.秸秆浆料配料池 2.浆料输送泵 3.酸化发酵罐 4.碱中和池 5.甲烷产气发酵罐 6.沉淀分离池 7.沼渣农肥池 8.发酵污泥池 9.沼气输送泵 10.沼气流量计 11.沼气储罐 12.蒸汽热交换器 13.沼液循环搅拌射流泵

2.2户用型沼气蒸汽汽轮机变频发电的自动控制设计

如图3所示，基于安全维护、结构简化、体积小型的分析，采用户用型暖气锅炉、户用型微型脉冲叶轮蒸汽汽轮机、小功率盘式永磁三相中频发电机(P<5kW,f<300Hz)。蒸汽回路循环使用软化水，锅炉生产低压饱和蒸汽(T<250 ℃)，蒸汽直接驱动叶轮做功，汽轮机轴直接联结发电机轴(无需减速恒频机构)。产生中频三相交流电电能，输出电流、电压、频率、相位随锅炉蒸汽压力流量、供电负载功率、功率因子等因素而变化波动。中频三相电能输送变频逆变功率模块(IGBT),采用交-直-交的变频调压转换，输出电压稳定与相位稳定的相交流电能[13-17]。

图3　沼气锅炉汽轮机发电系统

蒸汽汽轮机变频发电的控制器，基于单片机硬件电路，采集锅炉蒸汽压力、流量、温度的传感器数据，软件算法依据供电负载的功率消耗与功率因子变化趋势，自动调节锅炉的沼气与空气的进气量，自动控制锅炉燃烧温度稳定、蒸汽压力稳定、输出电能有功功率因子最佳工况。并且依据逆变器的母线直流电压、负载电流输出、电流相位，调控功率管IGBT的SPWM信号输入，控制稳定输出电压相位、电压值。控制器监控功能上报运行状态数据、故障报警、接收主控单元的锅炉点火、停机、发电、断路指令。 当电能处于低消费状态时，富余电能充电蓄电池组；当沼气缺乏时，主控中心控制器，启动蓄电池组逆变交流电源输出，替代发电机供电。

2.3基于智能沼气发电取暖智能控制的单片机应用与自动控制科研平台的设计思路

当前，大型秸秆沼气发电商业项目，已经实现电气自动化运营。相对而言，户用型沼气装置，仍停留于人工维持操作的简陋发酵装置状态，没有智能控制功能，需要人工在户外承担进料与排渣繁重劳作。并且由于不能恒温发酵与无搅拌措施，以及季节气候变化因素，导致沼气发酵反应断续停止，不能正常稳定持续产气。用户体念使用不便不省心不省力，极大阻碍户用型沼气能源的推广使用。因此，针对户用型沼气装置，有必要提供自动化运行功能，通过科研实验来寻求低成本单片机产品解决方案。实验平台的智能控制系统如图4描绘。

图4　秸秆沼气发电供暖的智能控制系统

3　结论

户用型沼气、锅炉、汽轮机、变频逆变电源等装备，市场皆有产品出售(淘宝网购)。搭建开发基于单片机的智能控制科研实验平台，技术方案可行、投资规模可控。该科研实验平台所涉及单片机应用解决案例，来自当今工农业领域中的产品设计实践，基本全部涵盖产品设计所需的单片机应用知识与技能，例如，各行业的控制电路与软件，行业传感器的数据采集、信号调理，各类工农业领域应用问题的自动控制算法等。基于该科研实验平台的研发工作，覆盖诸多学科,包括机械工程、生物农业、新能源工程、环保工程、电机控制、电力电子、化学化工工程、自动控制、单片机应用、硬件与软件产品设计、智能家居应用、物联网通信等，该平台的科研工作可以充分发挥大学的跨学科研发资源优势，推进各学科联合开发产品技术，具有显著的产学研成果的市场价值。将该平台分解为众多的子智能控制系统算法及其软件、硬件模块，作为单片机应用与自动控制的科研教学课题设计项目，科研工作具有极高的科研教学与市场价值。

本论文结合新能源开发的行业热点，并且遵循学校转型发展的要求，提出了创新型发展方案。但如需进一步研究与实施，需要大量资金投入。短期对于现状的改善可能看不到实际效果， 但作为此领域的改良，学校科研平台的建设，具有一定的科研价值和现实意义。

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责任编辑王菊平

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

刘珊，女，浙江宁海人，讲师，硕士，主要研究方向为应用电子、电子信息工程及电子信息科学与技术专业的理论实验教学。

2014年度教育厅科研项目(XD2014329)；黄冈师范学院校青年科研基金项目(2014026903)；黄冈师范学院校教研项目(zj201406)；黄冈师范学院实验中心项目(SYSFDGDZ2011-2014)。