劉　珊，樂　超，左文英

(1.黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院， 湖北 黃州 438000；2.上海石化工業(yè)學(xué)校 計算機(jī)系，上海 201512)

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基于秸稈沼氣發(fā)電供暖的智能控制系統(tǒng)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(xué)院 電子信息學(xué)院， 湖北 黃州 438000；2.上海石化工業(yè)學(xué)校 計算機(jī)系，上海 201512)

概要分析戶用型秸稈沼氣發(fā)電系統(tǒng)原理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智能家居的理念，提出綠色能源系統(tǒng)的科研實驗平臺方案?；谠摽蒲袑嶒炂脚_，概括分析秸稈沼氣發(fā)電供暖的智能動控制思路。

沼氣發(fā)電;沼氣供暖;智能家居;物聯(lián)網(wǎng);單片機(jī)應(yīng)用

綠色清潔能源產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時代，推動關(guān)聯(lián)工程學(xué)的迅速發(fā)展?；厥帐褂棉r(nóng)林秸稈棄料，發(fā)酵生產(chǎn)甲烷沼氣，生產(chǎn)燃?xì)?，發(fā)電供暖，已經(jīng)形成清潔能源產(chǎn)業(yè)鏈，大型商業(yè)項目紛紛建設(shè)投產(chǎn)。它充分展現(xiàn)跨學(xué)科工程技術(shù)成就，涉及機(jī)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(lián)網(wǎng)、農(nóng)聯(lián)網(wǎng)、智能家居等工程技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。但是，一般科研院所的科研實驗環(huán)境，以及單片機(jī)應(yīng)用及自動控制的大學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量現(xiàn)狀，缺乏小型實驗平臺，教材內(nèi)容陳舊、教學(xué)實驗落后，不能滿足于清潔能源產(chǎn)業(yè)科研及專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。本文探討設(shè)計搭建戶用型秸稈沼氣發(fā)電供暖的自動控制系統(tǒng)，作為秸稈沼氣發(fā)電清潔能源的科研教學(xué)小型實驗平臺。

1　戶用型秸稈沼氣發(fā)電智能系統(tǒng)的設(shè)計概要

該系統(tǒng)支撐智能家居的基礎(chǔ)需求，水電氣暖。秸稈沼氣發(fā)電過程，如圖1所示。沼氣池A系統(tǒng)，農(nóng)林牧的秸稈棄料，如稻草、麥稈、花生殼等，經(jīng)過切碎，秸稈碎料后和水混合，再與發(fā)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(fā)酵罐內(nèi)保溫發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣。蒸汽鍋爐B系統(tǒng)，沼氣在蒸汽鍋爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生動力蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)做工，同時熱蒸汽用于發(fā)酵罐保溫、家居取暖。汽輪變頻發(fā)電C系統(tǒng),汽輪機(jī)直接軸聯(lián)永磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(tǒng)。富裕電力儲存蓄電池組，蓄電池組逆變電源作為本系統(tǒng)的備用交流供電源。調(diào)節(jié)控制器D，專門給沼氣池A供應(yīng)水，蒸汽，燃?xì)獾?。主控E系統(tǒng),通過物聯(lián)網(wǎng)M2M方式，實現(xiàn)總體能效管理、無人值守免維護(hù)、智能控制各系統(tǒng)。在智能家居F系統(tǒng)中，住戶使用手機(jī)終端的APP界面，通過3G/WIFI寬帶 移動通信鏈路，遠(yuǎn)程監(jiān)控配置處于室外的沼氣發(fā)電裝備。本智能控制系統(tǒng)，針對戶用型沼氣供電供暖系統(tǒng)的管理監(jiān)控，提供無人值守免維護(hù)自動運行功能。智能控制平臺，基于分布式物聯(lián)網(wǎng)M2M方式，各子系統(tǒng)控制器承載各專用自動控制算法實現(xiàn)，子系統(tǒng)控制器的硬件與軟件開發(fā)，統(tǒng)一地基于通用商業(yè)單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，支持物聯(lián)網(wǎng)M2M通信接口標(biāo)準(zhǔn)[5-8]。

圖1　秸稈沼氣發(fā)電供暖的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

注：A.沼氣池發(fā)生系統(tǒng) B.鍋爐系統(tǒng) C.汽輪機(jī)變頻發(fā)電系統(tǒng) D.調(diào)節(jié)控制器系統(tǒng) E.主控系統(tǒng)F.智能家居系統(tǒng)。

1.秸稈二相厭氧發(fā)酵沼氣裝置 2.沼氣蒸汽鍋爐 3.微型蒸汽汽輪機(jī) 4.中頻永磁發(fā)電機(jī) 5.電控調(diào)節(jié)閥(供水/蒸汽/燃?xì)? 6.沼氣發(fā)生工藝控制器 7.沼氣鍋爐運行控制器 8.蒸汽汽輪機(jī)運行控制器 9.變頻發(fā)電逆變電源 10.管網(wǎng)輸送調(diào)節(jié)控制器 11.變頻供水裝置 12.物聯(lián)網(wǎng)通信控制器 13.沼氣發(fā)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(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控(3G/WIFI APP)

2　用戶型秸稈二相厭氧發(fā)酵沼氣工藝的自動控制設(shè)計

2.1秸稈沼氣發(fā)酵工藝的自動控制設(shè)計

如圖2所示，秸稈發(fā)酵沼氣生產(chǎn)工藝，包括酸化溶解發(fā)酵、甲烷產(chǎn)氣發(fā)酵兩步驟，各自培養(yǎng)增殖兩類發(fā)酵生物菌群，處于不同生物化學(xué)反應(yīng)環(huán)境(原料品種、發(fā)酵引物、沼液溫度、酸堿度、氨氮比、培養(yǎng)時間、生成氣體、中間物濃度、反應(yīng)生成物等)。在酸化發(fā)酵罐中，泵入原始秸稈切碎漿料，經(jīng)過厭氧發(fā)酵酸化生化反應(yīng)，溶解秸稈中的纖維木質(zhì)成份，形成軟化秸稈發(fā)酵中間物漿料。酸化中間物漿料，經(jīng)過酸堿調(diào)節(jié)后，泵入甲烷產(chǎn)氣發(fā)酵保溫罐，生成沼氣產(chǎn)物。發(fā)酵后的秸稈漿料，經(jīng)過沉淀池，分離為不能產(chǎn)氣的沼渣與富含甲烷產(chǎn)氣菌落的沼泥。沼泥循環(huán)回送甲烷產(chǎn)氣罐而作為甲烷發(fā)酵引物混入進(jìn)秸稈中間物漿料，沼渣作為有機(jī)農(nóng)肥排放。以上兩相生化反應(yīng)，皆產(chǎn)生甲烷氣，以后者為產(chǎn)氣主反應(yīng)過程。

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

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

圖2　秸稈兩相厭氧發(fā)酵沼氣系統(tǒng)

注：1.秸稈漿料配料池 2.漿料輸送泵 3.酸化發(fā)酵罐 4.堿中和池 5.甲烷產(chǎn)氣發(fā)酵罐 6.沉淀分離池 7.沼渣農(nóng)肥池 8.發(fā)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(huán)攪拌射流泵

2.2戶用型沼氣蒸汽汽輪機(jī)變頻發(fā)電的自動控制設(shè)計

如圖3所示，基于安全維護(hù)、結(jié)構(gòu)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(jī)、小功率盤式永磁三相中頻發(fā)電機(jī)(P<5kW,f<300Hz)。蒸汽回路循環(huán)使用軟化水，鍋爐生產(chǎn)低壓飽和蒸汽(T<250 ℃)，蒸汽直接驅(qū)動葉輪做功，汽輪機(jī)軸直接聯(lián)結(jié)發(fā)電機(jī)軸(無需減速恒頻機(jī)構(gòu))。產(chǎn)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(fù)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(diào)壓轉(zhuǎn)換，輸出電壓穩(wěn)定與相位穩(wěn)定的相交流電能[13-17]。

圖3　沼氣鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

蒸汽汽輪機(jī)變頻發(fā)電的控制器，基于單片機(jī)硬件電路，采集鍋爐蒸汽壓力、流量、溫度的傳感器數(shù)據(jù)，軟件算法依據(jù)供電負(fù)載的功率消耗與功率因子變化趨勢，自動調(diào)節(jié)鍋爐的沼氣與空氣的進(jìn)氣量，自動控制鍋爐燃燒溫度穩(wěn)定、蒸汽壓力穩(wěn)定、輸出電能有功功率因子最佳工況。并且依據(jù)逆變器的母線直流電壓、負(fù)載電流輸出、電流相位，調(diào)控功率管IGBT的SPWM信號輸入，控制穩(wěn)定輸出電壓相位、電壓值。控制器監(jiān)控功能上報運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報警、接收主控單元的鍋爐點火、停機(jī)、發(fā)電、斷路指令。 當(dāng)電能處于低消費狀態(tài)時，富余電能充電蓄電池組；當(dāng)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(fā)電機(jī)供電。

2.3基于智能沼氣發(fā)電取暖智能控制的單片機(jī)應(yīng)用與自動控制科研平臺的設(shè)計思路

當(dāng)前，大型秸稈沼氣發(fā)電商業(yè)項目，已經(jīng)實現(xiàn)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(fā)酵裝置狀態(tài)，沒有智能控制功能，需要人工在戶外承擔(dān)進(jìn)料與排渣繁重勞作。并且由于不能恒溫發(fā)酵與無攪拌措施，以及季節(jié)氣候變化因素，導(dǎo)致沼氣發(fā)酵反應(yīng)斷續(xù)停止，不能正常穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)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(jī)產(chǎn)品解決方案。實驗平臺的智能控制系統(tǒng)如圖4描繪。

圖4　秸稈沼氣發(fā)電供暖的智能控制系統(tǒng)

3　結(jié)論

戶用型沼氣、鍋爐、汽輪機(jī)、變頻逆變電源等裝備，市場皆有產(chǎn)品出售(淘寶網(wǎng)購)。搭建開發(fā)基于單片機(jī)的智能控制科研實驗平臺，技術(shù)方案可行、投資規(guī)?？煽亍Ｔ摽蒲袑嶒炂脚_所涉及單片機(jī)應(yīng)用解決案例，來自當(dāng)今工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的產(chǎn)品設(shè)計實踐，基本全部涵蓋產(chǎn)品設(shè)計所需的單片機(jī)應(yīng)用知識與技能，例如，各行業(yè)的控制電路與軟件，行業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理，各類工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用問題的自動控制算法等?；谠摽蒲袑嶒炂脚_的研發(fā)工作，覆蓋諸多學(xué)科,包括機(jī)械工程、生物農(nóng)業(yè)、新能源工程、環(huán)保工程、電機(jī)控制、電力電子、化學(xué)化工工程、自動控制、單片機(jī)應(yīng)用、硬件與軟件產(chǎn)品設(shè)計、智能家居應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)通信等，該平臺的科研工作可以充分發(fā)揮大學(xué)的跨學(xué)科研發(fā)資源優(yōu)勢，推進(jìn)各學(xué)科聯(lián)合開發(fā)產(chǎn)品技術(shù)，具有顯著的產(chǎn)學(xué)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(tǒng)算法及其軟件、硬件模塊，作為單片機(jī)應(yīng)用與自動控制的科研教學(xué)課題設(shè)計項目，科研工作具有極高的科研教學(xué)與市場價值。

本論文結(jié)合新能源開發(fā)的行業(yè)熱點，并且遵循學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，提出了創(chuàng)新型發(fā)展方案。但如需進(jìn)一步研究與實施，需要大量資金投入。短期對于現(xiàn)狀的改善可能看不到實際效果， 但作為此領(lǐng)域的改良，學(xué)?？蒲衅脚_的建設(shè)，具有一定的科研價值和現(xiàn)實意義。

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責(zé)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(yīng)用電子、電子信息工程及電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的理論實驗教學(xué)。

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