MAOMAO华电自动化《计控课设报告.doc

课程设计(综合实验)报告（2013 - 2014 年度第 2 学期）名 称： 计算机控制技术与系统 题 目：大型禽畜养殖场废弃物发酵沼气发电及综合利用技术分析院 系： 自动化 班 级：学 号：学生姓名：指导教师： 设计周数： 第十七周 成 绩： 日期： 2014年 6月 19 日一、课程设计(综合实验)的目的与要求1通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用任务的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、设计（实验）正文（一）生物质能源得以发展的原因： 为了满足国家对节能环保和温室气体减排的要求,电力行业正在积极开发和利用可再生能源。使用可再生能源替代传统能源发电,能够有效的减少温室气体的排放量。随着我国经济快速发展,出现了越来越多的规模化养殖场,规模化的养殖场对于集中处理畜牧垃圾、实现其无害化、资源化、能源化是很有优势的。规模化养殖场进行沼气发电一方面减少禽畜粪污无组织排放到大气中的温室气体;另一方替代了原来由传统能源发电产生的温室气体,实现了温室气体的双向减排。对规模化养殖场沼气发电工程进行合理规划,可以减少环境污染、提高系统性能、提高资源利用率并增加经济收益。在可再生能源中,生物质能源以其取之不尽、用之不竭、电能质量好、可靠性高、污染少等特点使其成为目前世界上应用最广泛的可再生能源。生物质能与传统化石燃料相比,不仅属于清洁能源,同时也是唯一一种可再生碳源,因此生物质发电是一种“零碳排放”的绿色发电技术,而且不用担心生物质能源有一天会枯竭目前从人类利用的生物质能的来源看,可将其分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和牲畜粪便五大类。其中被直接利用作为燃料的有农作物的秸秆、薪柴等;间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等,这种间接利用通过微生物的作用生成沼气,或釆用热解法直接造气、制液或加工成生物碳。沼气发电在西欧一些国家占10%左右,预计21世纪末增长到25%。中国具有丰富的沼气资源,根据中国科学院地理科学与资源研究所中国自然资源与环境数据库估算,我国人畜粪便资源如果能够全部用于沼气发电的话,能够产生沼气的理论值约为1.3X1011立方米,折合成标准煤为9300多万吨。随着人民生活水平的提高,对肉、奶、蛋、皮、毛等畜牧业产品需求激增,使得规模化养殖场大量出现。与以往传统模式的养殖业相比,规模化养殖场提高了养殖效率,降低了养殖成本,更加有利于养殖垃圾的收集与利用,减少其对环境的污染,同时也便于引入沼气工程。（二）禽畜养殖场沼气发电工程及管理养殖场沼气发电流程图：1.搅拌溶解工序（1）粪尿及冲洗水由吸粪车运至沉砂池。沉砂池应根据沉砂量定期清砂。（2）水处理工将堆粪场内混合的粪污水，放入搅拌溶解池内并开启搅拌机进行搅拌，使粪污水进一步均匀混合。2.脱渣工序（1）水处理工在接班后需检查脱渣系统水泵运转是否正常、管路是否畅通。（2）待粪污水在搅拌溶解池内充分搅拌均匀后，由水处理工打开污水泵开关，将粪污水泵入到脱渣机内对粪污进行脱渣处理。水处理工根据污水进水量的变化和工艺运行情况，调节进水量，保证处理效果，以达到脱渣效率最大化。（3）进料泵启动后再开启固液分离机，防止固液分离机内干物堵塞筛网。固液分离机使用中需要随时观察出渣水分对配重进行调整，防止粪液冲出。（4）水泵在运行中，必须严格执行巡回检查制度，应注意观察各种仪表显示是否正常稳定，水泵机组不得有异常的噪声或振动。3.沉砂渠工序（1）脱渣后粪污水进入沉砂渠，操作人员根据设置与水量变化，应调节沉砂渠进水量。宜保持设计流速。（2）沉砂渠应定时排砂或连续排砂。（3）粪污水经沉砂渠进入搅拌计量池内，经充分搅拌均匀后，由水处理工打开污水泵开关，将污水泵入到 USR 反应器内进行厌氧反应。（4）水处理工在污水泵入到 USR 反应器内的同时并根据流量表的流量记录污水流量。（5）粪污水含固率控制在 2%5%，过高易堵塞水泵及管线。4.升流式固体反应器反应工序（1）升流式固体反应器（Upflow Solid Reactor，USR）内反应温度控制在35左右，温度过高或过低都会导致产甲烷菌活性下降，产气率下降。（2）化学耗氧量（Chemical Oxygen Demand，COD），COD 去除率应85%，含固率1000mg/t，如果过高，产甲烷菌会受抑制，产生率下降，应减少进料量并加强内回流，pH 值应控制在 6.58.5。（3）内回流。各反应器回流泵隔3h开启，运行3h再关闭。水泵开启后，要巡查其是否运行正常，出现异常情况，要及时维修并向上级汇报。（4）外回流。放回搅拌池的水量不能过大，严禁只外放不进水。（5）排渣。排渣时要保证反应器各排渣管放渣量均匀，严禁只用一组排渣管排渣。每个反应器一次排渣不能超过100m3。USR 对粪污内有机质降解后，会有部分难以降解和不可降解的无机质截留漂浮或沉积在反应器内部，应对反应器内的浮渣进行排渣及清理，根据浮渣产生量，可以一个季度打捞清理一次。反应器何时排渣及排渣量根据化验结果确定，沼渣浓度70g/L时，就需要进行排渣。浓度30g/L 时必须停止排渣。（6）粪污处理的各个连接管道和明渠，至少应半年彻底清理一次，确保污水处理系统正常运行。（7）营养物与微量元素。5.沼气收集工序（1）沼气通过三相分离器，经水封间，最后到达贮气柜。水封间为防爆间，一定要注意防爆要求。水封器水位要经常检查，控制压力在 3.5kPa 左右。（3）贮气柜安全放空设备要每季检查一次。沼气柜水封槽内水的 pH 值应定期测定，当 pH6 时，应换水。（4）沼气管线低洼处要定期排水。气柜低位时，严禁排水。（5）沼气柜应定期检查维护。操作人员应按时记录沼气柜的贮气量和压力。6.脱硫工序（1）脱硫处理采用干法净化系统（氧化铁），使硫化氢浓度200mg/L。（2）脱硫装置中的脱硫剂应定期再生或更换。脱硫塔要定期排水。7.沼气发电工序（1）操作人员每小时应巡视一次，检查发电机组的运行情况，并做运行记录，分析运行状态，发现问题应及时进行调整或上报主管部门。（2）发动机在运行中，操作人员应随时掌握负载的变化情况，并应对发动机的最大负荷进行限制。（3）操作人员必须经常检查沼气发电机进气管路，防止漏气及冷凝水过多而影响供气。沼气过滤装置应定期清洗。（4）发电机系统运行中，遇有紧急情况可采用紧急停车保护。（5）在发电、供电等各项操作中，必须执行有关电器设备操作票制度。（6）发电机组备用或待修时，应将循环水的进、出闸阀关闭，放空主机及附属设备内的水。发电机系统的冷却用水，必须使用合格的软化水或循环水中加入阻垢剂。必要时，应对循环水进行更换。（7）发电机房内的电气设备应每年调整和检测一次。沼气发电机系统必须每周检查一次。沼气发动机系统宜分日保养、周保养，运转额定小时保养。每次保养必须填写保养记录。（8）发电机余热利用系统的管道、换热器和保温设施应定期检修。沼气进气管路上的电磁阀应定期检修。沼气稳压罐、启动电瓶应定期检测。发电机的启动系统应定期进行检修。主和附属设备内的水垢应及时消除。（9）油温、水温等降到常温时，方可维修发电机。每立方米沼气的发电量宜1.5kWh。（10 各种机械设备应保持清洁，无漏水、漏气、漏油等。根据机电设备要求，应定时检查，加或更换润滑油或润滑脂。（11）操作和维修人员，必须经过技术培训和生产实践并考核合格后方可上岗。（三）沼气发电技术现状沼气发电始于上世纪70 年代初期，是一项系统工程，它包括沼气生产、净化与储存、气发电及上网等多项单元技术的优化组合。（1）国外沼气发电技术现状。沼气发电行业在国外发达国家受到了广泛的重视和积极的推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。德国是目前世界上沼气工程发展最为成功的国家之一，沼气主要用于发电上网。截止至 2008 年，德国已建成沼气工程3900 处，总装机容量达 1400 MW。其中装机容量在 2 MW的沼气厂有 40 家，最小装机容量为 50kW。美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平，装机容量已达 7.5MW，现有 61 个填埋场使用内燃机发电。捷克 Tedom公司生产的燃气内燃发电机目前已遍布欧洲地区，并将发电、供热于一体，体内部包含了发动机、发电机、余热回收换热装置及自控系统。（2）国内沼气发电技术现状。沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，是将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，它一种有效利用沼气的重要方式。目前，用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机。在国内，四川省率先开展了沼气发电的研究。1972年，中江县开始用沼气作燃料带动小型汽油发电机发电；而后，德阳县农机所、绵阳地区农机所相继研制成功了沼气发动机发电；此后，先后有一些科研机构在沼气发动机的改装和提高热效率方面进行了研究工作。我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式。目前，对“沼气柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多，如中国农机研究院与四川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的S195- 1型双燃料发动机；上海新中动力机厂研制的20/27G双燃料机等。成都科技大学等单位还对双燃料机的调速、供气系统以及提高热效率等方面进行了研究。潍坊柴油机厂研制出功率为 120 kW的6160A- 3型全烧式沼气发动机，贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出60kW的6135AD(Q)型全烧沼气发动机发电机组；此外，还有重庆、上海、南通等一些机构进行了这方面的研究、研制工作。（四）沼气发电综合利用工程效益（1）经济效益对大型沼气发电综合利用工程而言，投资回收期、内部收益率、销售利润率及资产报酬率是重要的经济评价指标。沼气热电联产工程项目从立项到建成投产需要 7 12 个月时间，而且沼气热电联产技术及运行模式成熟，可以方便的复制1。用畜禽粪便发展沼气热电联产工程项目运行成本低，回收期短，项目的建设投资回收期为6 8 年，内部收益率税前通常在 15% 以上。销售利润率反映企业销售收入的获利水平，资产报酬率衡量企业运用全部资产的获利能力。对大型沼气发电工程项目而言，其经济收入主要体现在发电、供热及有机肥三个方面。因此，单位粪便发电量、单位粪便供热率及单位粪便产有机肥量是从生产能力的角度反映大型沼气发电工程的经济效益的指标。( 2) 社会效益大型沼气发电综合利用工程将会开辟一个新的经济增长领域。加快该工程项目的推广，可在一定程度上替代化石能源，减少污染物排放、保护环境，优化产业结构，增加地方财政收入的同时，还会为农村劳动力提供更多的就业机会，进而为我国经济社会环境的可持续发展做出贡献。( 3) 环境效益牧场的粪便污水都可被规模化沼气发电工程合理利用，达到预期建设目标后，每年可向电网提供一定的电量，与燃煤火电厂相比，可节约大量的煤炭等化石能源的使用，同时也减少了大量污染物的排量，如 COx、NOx等。大型沼气发电综合利用工程的废气主要为低浓度的 SOx及废热锅炉排出的烟气。噪音主要源于料液提升泵、有机肥生产车间粉碎机和发电系统，因而在使用过程中必须减震降噪处理，以使噪音达到国家规定的标准范围内。大型沼气发电综合利用工程经济、社会及环境效益的具体指标体系如下图：（五）沼气发电存在的问题沼气工程建设模式主要有两种，一是能源环保型; 二是能源生态型。这些模式提高了养殖业的经济效益，养猪废弃物的循环利用，减少了养猪污水对外排放，改善了环境。但能源生态型沼气工程模式存在占地面积大，污水停留时间长，大量沼液难以处理的问题; 能源环保型沼气工程模式为实现达标排放，需要较高的工程费用和运行成本，有效运行难以维继而陷入困境，甚至被闲置。能源投入已成为制约沼气工程正常运行的瓶颈。当前大中型沼气工程的重点仍是产气，对污水的处理处于自由排放的状态，没有彻底解决畜禽养殖的污染问题。（六）沼气发电在大型禽畜养殖场的应用前景：（1）沼气发电效益盘活沼气工程 规模养殖场多数远离村庄，敷设输气管网的建设费用和维护成本较高，沼气一般无法实施集中供气作为城镇居民的生活燃料。若沼气作为锅炉燃料替代原煤直接燃烧，其经济价值很低。另外，规模养殖场又多是用电大户。1000m3厌氧发酵装置，按每天产沼气 0. 20 0. 25m3计算，则每天可发电 320 400kWh( 1m3沼气可发电 1. 5kWh) ，因此，沼气发电既提高了沼气自身的经济价值，又为企业缓解了电力紧缺的矛盾。从国内目前的实际情况看，许多沼气工程陷入困境，甚至被闲置，造成国家投资的巨大损失，其根本原因是缺乏经济效益。沼气发电为沼气工程注入了新的活力，带来了更多的经济效益。沼气发电机组的推广使用可以促进农村沼气事业的发展，从而促进农村畜牧业与种植业的链接，促进能量高效转化和物质的高效循环，形成“种植业( 饲料) 养殖业( 粪便) 沼气( 燃气、发电) 种植业( 优质农产品、饲料) 养殖业”循环发展的农业循环经济模式。（2）沼气发电带动好氧曝气处理，实现废物的达标排放 利用沼气发电将彻底打破规模畜禽养殖场粪污达标治理的电力供应瓶颈。在规模畜禽养殖场粪污达标治理全过程中，厌氧发酵装置是必不可少的关键设施，厌氧发酵则必然伴随着大量沼气的产生。一个年出栏万头的养猪场，日处理养殖污水近 100t，可产沼气约 360m3，用这些沼气替代发电机组的动力燃油，可发电 576kWh。而采用全过程达标处理工艺，包括固液分离、厌氧布料、搅拌、好氧曝气等动力耗能，日总用电量约为 360 kWh。显然，利用沼气发电产生的电能，不仅能够满足污水达标治理的耗电需求，而且还有部分剩余电力可用作其他生产、生活能源，也解决二次污染问题，使其形成成套的、符合环保减排和排放要求的全过程养殖污水处理系统，实现CODcr 和 NH3 N 等减排目标，处理后的废水可符合GB18596 2001畜禽养殖业污染物排放标准的排放要求，实现了废物的无害化处理和资源化利用。（3） 减少温室气体排放 以莆田市为例，据统计，目前全市共有保留养殖的规模养猪场 207 家，存栏生猪 44 万头;养禽场 194 家，存栏家禽 1444 万羽; 年排放养殖污水总量为 241 万 t、粪便 106 万 t。上述畜禽粪便除了其中约 60%被干捡或固液分离外，其余部分经达标治理，其厌氧发酵过程年可产沼气总量约1588 万 m3，可发电25408 万 kWh，气资源相当丰富。当前规模化养殖场大中型沼气工程的现状和主要问题如下: 一是沼气池的运行维护的投入大于现行的经济收益，使得沼气池有效运行难以维继。二是沼气主要用于做饭、点灯等，在大部分时间，沼气都会有剩余，剩余的沼气将会排入大气，这样反而增加了温室气体的排放，造成二次污染。沼气发电一是利用多余的沼气发电供电，减少沼气排放，解决环境污染问题; 二是废物利用、变废为宝，利用沼气发电减少电费开支、净化环境。从节能减排、能源消耗、环境保护等方面计算，通过沼气发电工程可以减少CH4的排放，每减少 1tCH4的排放，相当于减少 25tCO2的排放，对缓和温室效应十分有利。（4） 沼气发电产业将成为朝阳产业 目前，我省沼气发电工程数量较少，装机规模较小，发展速度比较缓慢。原因是多方面的，但最主要的原因是现有机制严重制约沼气发电的发展。我省尚未建立严格的环境污染处罚体系，禽畜粪便和有机废水超标排放的企业不需要为自身造成的环境污染等支付相应的成本，致使企业缺乏投资沼气发电工程治理污染的积极性。沼气发电的原料一是来自厌氧发酵装置产生的沼气;二是利用畜禽场的干捡粪，或厌氧发酵装置前后固液分离后的粪渣进行气化发电。这样可以有效提高畜禽场粪便污水处理减量化、资源化水平，大大减少无害达标排放的运行成本。在国家大力扶持沼气工程建设项目的背景下，在沼气工程快速发展的同时，实际上已经催生着沼气发电产业的发展。因此，无论是沼气生产潜力、发电技术水平，还是市场需求、政策导向，都将会催生沼气发电的大发展。一些先行一步的企业已尝到了甜头。若干年后，在中国很可能出现德国的情景，几乎每个沼气工程都要进行沼气发电。可以预见，沼气发电产业的形成势在必行，并有大的发展空间。（5） 沼气发电技术已成熟，需求前景广阔 沼气发电机组的研制已取得了技术性突破，产品顺应了沼气综合利用的需要，符合国家政策导向。鉴于沼气发电广阔的发展前景，国内已有数家有实力的企业针对市场需求开发出不同规格的沼气发电机组系列产品。值得一提的是，沼气发电机组已列入农业部农机补贴项目，新的发电机组在性能方面已缩小了与国外先进机组的差距。目前，从小规模沼气工程的产气量和企业自身用电负荷来看，沼气发电机组也大有市场。推广沼气发电，拓宽了沼气综合利用的领域，发电量随沼气产生量变化灵活调整，可以使沼气得到充分利用，成为实现废弃物减量化、无害化处理的重要技术之一。沼气发电本身是提供清洁能源、解决环境问题的工程，它的运行不仅解决沼气工程中的一些主要环境问题，而且由于其产生大量电能和热能，减轻了常规能源的压力，又为沼气的综合利用找到了广泛的应用前景。沼气发电，可以通过电缆输送到每家每户，实现全部家用设备电气化，既方便又干净。用不完的电力还可以并入电网，这是科学、合理、高效应用沼气能源的途径。（七）实例介绍 从安徽省发改委等多部门获悉，日前国内最大的畜牧养殖业沼气能源发电项目工程在安徽省马鞍山蒙牛现代牧场集团股份有限公司建成并投入运行。马鞍山蒙牛现代牧场是亚洲最大的奶牛养殖场，这座牧场目前拥有奶牛8000多头，产奶奶牛已经达到1200多头，为了发展循环经济，解决牛粪带来的环境污染，这座投资3400万元的沼气发电能源工程的日处理牛粪亮达到800到1000m3，产气量1.4m3，日发电电量为2.2万kw，不仅解决了牛粪的污染问题，还为农民提供了沼渣，沼液无菌有机肥料。据专家介绍，这一工程通过运用现代化管理技术，生产技术，疾病早期预报与防疫及环境保护等措施，控制解决了牛粪污染问题。现在蒙牛现代牧场在16栋大型牛舍的两侧都建有储粪池每天有六辆