高压水洗沼气提纯自动控制系统毕业设计论文.docx
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高压水洗沼气提纯自动控制系统毕业设计论文
毕业设计报告（论文）
高压水洗提纯自动控制系统
东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）
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高压水洗提纯自动控制系统
摘要
沼气提纯有吸收法、变压吸附法、低温冷凝法和膜分离方法四种方法可以实现。
我国对于沼气的利用率还不是特别高，而高压水洗沼气提纯工艺尚处于起步阶段。
文章选用高压水洗吸收法提纯沼气。
利用Aspenplus设计高压水洗的整套流程图并对塔进行模拟计算，通过计算算出进水量、进气量、塔压、水位等参数，再通过计算出的控制参数利用西门子PLC软件进行程序设计，采用PID控制算法进行编程，以充分提高沼气中甲烷的含量。
关键词：
沼气提纯；高压水洗；aspenplus；西门子PLC；PID控制
TheAutomaticControlSystemofPurifyingbyHighPressureWaterWashing
Abstract
Thefourwaysforbiogaspurificationisabsorption、PSA、cryocondensationlawandmembraneseparationprocesses.FortheutilizationofbiogasisnotparticularlyhighintheChinaandhighpressurewashingbiogaspurificationtechnologyisstillinitsinfancy.Thisarticlechoosehigh-pressurewaterabsorptionpurifiedbiogas.Aspenplusisusedtodesgintheentireflowchartofthehighpressurewashingbiogasandtowersimulation.Whencalculatetheamountofwater、intakeair、pressureofthetower、thewaterlevelandotherparameters,IwilluseSiemensPLCdesignautomaticcontrolsystem.IusePIDcontrolalgorithmcontrolthesysieminordertofullyenhancethemethanecontentofthebiogas,thenimprovetheutilizationofmethane.
Keywords:
Biogaspurification;Highpressurewashing;Aspenplus;SiemensPLC;PIDcontroling
第一章引言
沼气属于一种生物质能源，它通过人畜粪便、污水处理、有机废物厌氧发酵处理、高浓度有机废水厌氧降解处理、垃圾填埋等过程。
沼气相对于石油、煤炭等常规性能源具有节能减排、成本低、缓解温室效应、可再生性等优点。
在此背景下，通过提升沼气中的甲烷含量使之达到天然气标准要求的沼气提纯[1]技术成为一种有前景的发展方向。
由于现如今的石油、煤炭等能源紧缺，市场价格不稳，对环境的污染大，而沼气具有节能减排、可再生、成本低等优点，所以国内进一步加快推进了对于沼气工程的进程。
现如今，我国已经拥有大大小小的沼气工程将近七万多处，而现有的生活污水处理沼气有将近十九万处，其中受益人群达1.5亿之多。
在几年前的国内的沼气主要来源有污粪处理、工业废水、生活污水，而现如今国内沼气开始来源于秸秆沼气化、城市生活垃圾等其他领域。
沼气的利用也开始从单一的生活用气发展到汽车燃料等方面。
虽然国内沼气的发展迅速，但是国外对于沼气的利用更加明显，美国在九十年代的时候已经开始实施沼气埋地计划，二十一世纪初，国外某些汽车公司开始施行埋地气体利用计划，他们将埋于地下的甲烷与废油混合生产汽车燃料。
而美国电力公司也在二十一世纪初将沼气发电投入运营。
尼泊尔农村从二十世纪五十年代开始使用沼气作为燃料，迄今为止成千上万的家庭都在使用沼气。
在这么多国家中，德国的沼气建设在世界上应该算是发展最快的国家之一，在德国，他们非常重视绿色能源的建设，单单是沼气建设，据不完全统计，在2010年的时候德国就已经有多大400万户的居民在使用沼气生产出来的电能，德国在多个方面实现对沼气的利用。
如天然气方面，德国已经率先实现了将提纯的沼气注入天然气管网中的技术。
德国在沼气建设方面已经实现了产业一体化，从沼气生产、提纯以及实使用，每一步都达到了规模化的发展。
在2010年，仅萨克森州的清洁能源使用已经占总能源利用的15%。
德国沼气建设方面已经形成了市场，并且他们的沼气生产技术还在不断地发展。
对于现如今的沼气发展趋势，沼气成为人类主要的能源之一已成为一种不可逆转的趋势，因此沼气提纯技术具有很大的发展前景。
沼气提纯有多种方法，如吸收法，膜分离方法等等。
其中变压吸附法在沼气提纯中应该属于应用较为广泛的一种方法，首先变压吸附法是一种比较方便简单的方法，其次它的科技水平低，其所需的成本低，能耗小，并且提纯效率高。
但是在我国，这种技术还不是相当的成熟，国内对于变压吸附法的发展不如国外迅速。
其实变压吸附法并不仅仅应用于沼气提纯，它广泛应用于各种气体提纯，比如制氧、制氮，而他尤其广泛应用于制氧方面，我国对于变压吸附法制氧取得了初步的发展，我国的变压吸附制氧设备已经初步达到了系列化。
在国外，变压吸附法在国外已经得到迅速的发展，尤其在日本，日本使用变压吸附法制氧已经取得了突破性的成就，日本三菱公司已经建成了世界上最大的变压吸附制氧设备。
德国对于这种方法也得到了进展性的突破。
第二章沼气提纯装置
由于上述的变压吸附法的各种优点，因此在本文中我重点介绍变压吸附法。
而在变压吸附法中，我采用高压水洗法来对沼气进行提纯。
高压水洗法采用水来吸收沼气中的二氧化碳，通过控制出气流量控制压力，由于此种方法流程简单、成本低、能耗低，因此是一种实际可行的方法。
高压水洗沼气是通过在高压条件下利用CO2和H2S在水中的溶解度高，而CH4在水中的溶解度低的特点，来提高沼气中甲烷的浓度[3]。
我利用aspenplus设计整个高压水洗的工艺流程，并计算出流程中进水流量、进气流量、吸收塔压、水位等，分析工艺条件对甲烷纯度的影响。
如下图所示，我使用aspenplus设计整套工艺流程，原料气与原料水分别从塔底和塔顶进入吸收塔，水由塔顶进入吸收罐后与从塔底进入的原料气进行逆流接触进行吸收。
对由塔顶出来的产品气进行收集，而塔底出来的废水中含有部分甲烷，所以通入闪蒸罐进行闪蒸，闪蒸罐塔顶的产品气与原料气混合继续进行吸收以减少损失，而塔底的废水继续通入解吸塔塔顶，并在解吸塔塔底通空气，两者逆流接触从而将废水中的气体排出，由塔顶出来的尾气排空，而塔底出来的水部分回流进原料水中继续参与循环[4]。
产品气
解吸塔
闪蒸罐
吸收塔
沼气
水
图2.1高压水洗工艺示意图
第三章提纯设计
3.1吸收塔装置
图3.1吸收塔装置
如图3.1所示为吸收塔装置，原料水与原料气分别从塔顶与塔底进入吸收塔，通过控制进水与进气的流量来保证水对二氧化碳的吸收最充分；其次，若塔内压力过大，会使水对甲烷的吸收量增加影响吸收效率，而压力过小会造成水对甲烷的吸收不充分，所以要通过控制出口气流量来控制塔内的压降，以提高吸收效率。
在这个装置中我采用陶瓷鲍尔环作为填充物来填满整个塔。
填料塔的应用是为了增加水和沼气的接触面积，延长水与沼气的接触时间，而是用陶瓷鲍尔环是因为它的阻力小、分离的效率高，并且成本相对较低。
陶瓷鲍尔环现已广泛应用于化工、环保等各个行业，而且陶瓷鲍尔环的使用时间相对较长，它是在弥补以前的填料缺点的基础上生产出来的，能广泛应用于吸收塔、洗涤塔等多种设备中，并且对环境的污染小，是一种实际可行的材料。
而在塔内沼气的吸收流程是当塔底的废水通过排出口排出时，塔内的产品气会由于水的向下流动被部分带出出气口，所以在塔底处要设置一个液封装置以保证产品气不会被泄露影响产率，但是同时也要控制液封水位的高度，来防止因水位过高堵塞进气口而造成原料气回流损坏压缩机。
此塔中塔顶出来的产品气进行收集，而塔底出来的废水则通入闪蒸罐中进行下一步处理。
3.2闪蒸罐装置
图3.2闪蒸罐装置
闪蒸罐是利用压力与沸点变化实现对物质的分离。
当原料进入闪蒸罐之前先通过减压阀，使其压力降低，但是物质的沸点会随着压力的降低而降低，因此当减完压的原料在进入闪蒸罐的瞬间会因为闪蒸罐内的温度高于其沸点而发生瞬间气化从而达到分离。
闪蒸罐是一种在化工行业中很常见的设备，它对于海水提纯，干燥方面应用广泛。
如图3.2所示为闪蒸罐装置，在吸收塔装置中所流出来的废水中由于含有少量的甲烷，为了防止造成不必要的浪费，提高产率，降低成本，要对废水中甲烷进行回收，所以对吸收塔中出来的废水继续通入闪蒸罐中进行闪蒸。
通过降低闪蒸罐中的压降以达到废水中甲烷与水的分离。
在此闪蒸罐中同样需要对罐压与水位进行控制来保证甲烷的产率。
此塔中塔顶出来的产品气与原料气混合继续参与循环，而塔底出来的废液则通入解吸塔中继续下一步处理。
3.3解吸塔装置
解吸塔是将物质中的气相与液相分离的设备，它通过降低压力来降低气相在液相中的溶解度以达到分离的效果。
它是应用很广泛普遍的一种设备，是一种常见的分离设备，它成本低、能耗低，在化工分离行业得到广泛的应用。
如图3.3所示为解吸塔装置，根据流程的用水情况，单程水洗需要大量的水，因此是为了节约水成本，实现水的循环利用，需要对废水实现再生，所以废水需要通入解吸塔内进行解吸。
为了加快解吸的速率，所以要在解吸塔塔底通入空气进行解吸。
解吸塔内的塔压水位与吸收塔一样相同的方式进行控制，而由塔顶出来的尾气进行排空，而塔底出来的水一部分与原料水进行混合继续参与循环，另一部分排出。
图3.3解吸塔装置
第四章仿真分析
4.1工艺参数
在本设计中我采用aspenplus进行整个设计的计算。
Aspenplus是应用于化工等各个行业的大型流程模拟系软件它是在二十世纪七十年代由美国所研发的，它在化工行业被广泛应用，应为它具有世上最全的物性系统。
在设计工艺流程时，使用aspenplus能准确模拟流程中的各个参数，其效率高，应用广泛，是举世公认的标准大型模拟软件[5]。
由于CO2-CH4-H2S-H2O体系[6]的实验难度大，国外对于这个的实验报道很少。
在aspenplus中有许多模型，而在整个流程中，我采用NRTL模型进行热力学性质计算。
NRTL（non-randomtwoliquid）方程为溶液理论中非随机（局部）双液体模型方程。
对于吸收塔，我选用radfrac的吸收塔，对于原料水流量我设置为250mol/h,压力为0.5Mp；原料气流量设置为50mol/h，压力设置为0.5Mpa,进料沼气组成为CO2：
0.50，CH4：
0.499，H2S：
0.001；吸收压力为0.8Mpa；闪蒸压力为0.5Mpa；解吸压力为0.3Mpa，解吸塔中的空气通入量为134.4mol/h。
以吸收塔为例，首先塔顶进水，塔底进气，塔板数我设为10，水从第一块塔板进料，气体从第十块塔板进料，塔内选择陶瓷鲍尔环作为填料，理论塔板高度设为3.08米，塔压设为0.8Mpa。
4.2结果讨论
实验流程结果
1
2
3
4
5
6
7
H2O
250
0
253.798
0.068
0.157
253.709
0.068
CO2
0
25
0
36.914
6.929
29.987
11.914
CH4
0
24.95
0
28.608
24.027
4.581
3.658
H2S
0
0.05
0
0.06
0
0.06
0.01
AIR
0
0
0.187
0
0.187
0
0
8
9
10
11
12
13
H2O
253.641
0.443
253.198
0
3.798
249.4
CO2
18.072
18.041
0.032
0
0
0.031
CH4
0.923
0.923
0
0
0
0
H2S
0.05
0.042
0.008
0
0
0.008
AIR
0
121.91
12.49
134.4
0.187
12.302
表4.1实验流程计算结果
如表4.1所示是利用aspenplus模拟计算出来的的实验数据，从数据图中可以看出，1号2号分别是进水线与进气线，5号线为产品气线，利用这套模拟装置所计算出来的产率为96%。
气体中甲烷的含量由原来的0.499提高到了0.77。
第五章自动控制简介
5.1自动控制设计思路
通过使用aspenplus进行模拟计算得到各个参数包括进料流量、塔压、水位等各个参数的数值后，利用这些数值将设计出整套流程的自动控制系统来大大提高高压水洗的效率。
对于整体流程，我采用西门子PLC可编程控制器来设计整体自动控制系统，在选用具体的PLC编程软件中，我选用西门子S7-200作为编程软件，对于流量、压力、液位等各个参数中，我具体使用PID算法来控制，利用PID控制能更快速、稳定、准确的达到参数值，PID控制又称比例积分微分控制[7]。
再次过程中，我使用MCGS对整个过程进行监控，观察系统运行的状况，然后通过PID控制，是系统能达到最稳定的状态。
5.2PLC简介
5.2.1可编程控制器概念
可编程控制器简称PLC，它是一种使用数字运算操作的电子系统，是在工业环境下专门设计出来的一种软件。
可编程控制器的应用相当广泛，影响大，是现代工业自动化的主要设备之一。
可编程控制器现在已经被广泛地应用在自控行业的各个领域。
可编程控制器是用来进行编程的一个软件，它是用来执行程序口令的运算以及控制，执行口令进行计算定是等，并通过数字模拟的输入或者输出端口，控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程控制器在自动化行业运用非常广泛，他的运算速度相当快，运算结果准确，并且它的体积小，重量轻，能耗也特别的低，其在未来的工业发展中的应用将会越来越广泛[8]，随着自动化行业的兴起，可编程控制器将会是一个极具发展前景的控制器。
如图5.1所示为可编程控制器的内部结构示意图：
1.中央处理单元（CPU）
中央处理器属于可编程控制器的控制中枢，在可编程控制器中扮演着重要的角色，它接受并存储用户输入的编程与数据，并且诊断系统中的语言错误以及电源故障等问题，接受设备扫描输入的数据，进行用户所规定的逻辑运算等功能。
图5.1PLC内部结构
2.存储器
存储器是用来存放各种系统软件数据的地方；用户程序存储器是存放PLC用户程序应用;存储器用来存储系统读入、运行状态等各种数据。
3.输入输出接口（I/O模块）
PLC的输入输出接口是读入数据，输出数据的接口，输入接口通过各种行程开关、磁性开关、模拟量等输入数据，通过电机、气缸等执行元件进行数据输出。
4.通信接口
通信接口是PLC与外部设备进行通信的接口。
通信接口的形式多样，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-485等的标准串行接口。
5.电源
电源是给PLC提供电源的装置，它在可编程控制器中起着重要的作用。
它用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电[9]。
5.2.2可编程控制器的工作原理
图5.2PLC程序执行过程
如上图5.2所示，可编程控制器是通过数据扫描的方式进行数据输入的，接着数据输入后存进缓存寄存器内，然后进行程序执行，通过读写的方式将数据存入内部缓存寄存器，然后输出所存电器，再输出端子刷新，接着输出数据。
其程序执行过程可以分为输入处理、程序处理、输出处理三个阶段：
1）输入处理
在输入处理阶断，可编程控制器将扫描的所有的输入状态和数据一次存入映像区的相应的单元内。
它是采用扫描的方式进行数据的输入的。
而他所输入的数据属于脉冲信号，因此其宽度必须大于一个扫描周期，在此情况下，所有的输入就都能被读入。
2）程序处理
在程序处理阶段，PLC总是总是采用自上而下的方式用用户程序进行扫描的。
当扫描每一个梯形图的时候，又总是从梯形图的左侧的控制线路开始扫描，并且它总是按先左后右、先上后下的顺序对控制线路进行逻辑运算然后根据逻辑运算的结果，对处于系统存储区的逻辑线圈的状态进行刷新处理；或者对I/O印象去的对应的位置的输出线圈进行刷新处理；以及决定程序特殊功能指令是否需要执行。
在执行用户功能程序的时候，只有在映像区的内输入点的状态和数据不会发生变化。
而其他在映像区以及存储区的数据和状态可能会发生变化。
而且排在梯形图上面的执行结果会对下面的可能会用到这些线圈或数据的起作用；相反，排在梯形图下面的已经被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能在下一个扫描周期的时候上面的程序起到作用。
3）输出处理
当结束程序处理阶段后，PLC开始实现输出处理。
在输出处理期间，中央处理器按照映像区的状态和数据对所有的电路进行刷新处理，然后通过相应的输出处理控制相应的外部设备。
可编程控制器应该算是整个自动控制系统的核心，它需要完成数据采集，数据处理，数据输出以及控制外部设备等工作。
因此我们在选择可编程控制器时，需要考虑可编程控制器是否具有丰富的语言指令、是否能及时实施数据处理、是否准确处理数据快速有效地对外部设备输出控制信息等。
因此依据以上选择条件，我选用西门子PLCS7-200作为我的可编程控制器。
S7-200型PLC具有价格低廉，操作简单，性价比高等优点，是现如今小型控制系统比较适用的一款软件。
西门子公司的PLC具有较高的可靠性，对外通讯简单可扩展性好，它所涵盖的语言指令丰富。
可以简单的连上计算机，多自控系统实现检测控制。
5.2.3PID控制算法
在实际的自控操作中，PID算法是一种运用最为广泛的算法，它对于控制流量、压力、温度等都具有非常好的效果。
PID控制器就是根据系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制的[10]。
图5.3PID控制系统原理图
如上图5.3所示的是PID控制的原理图，上述系统主要由被控对象和PID控制组成。
作为一种线性控制，它控制偏差e（t）通过设定值r（t）以及实际的输出值y（t）进行构成，通过线性组合将偏差按照比例、积分和微分的方式来构成控制量u（t），对被控对象进行控制。
控制器的输入输出关系可描述为：
式中：
e（t）=r（t）-u（t），Kp为比例放大系数，Ti为积分时间常数、Td为微分时间常数。
1）比例（P）控制
比例控制是为了让控制系统的偏差信号e（t）能及时成比例地反应，一旦系统产生偏差，调节器将立即与系统产生比例的控制作用，以减小偏差。
虽然比例控制反应很快，但是对某些系统来说，可能会存在某些稳态误差，加大比例系数Kp，虽然系统的稳态误差减小，但是稳定性可能变差。
2）积分（I）控制
为了能够消除系统的稳态误差，所以引入了积分作用，为了降低系统误差，来保证对于设定值的无误差设定，假设系统已经处于闭环稳定状态，此时的系统输出值和误差量的值保持固定不变。
由比例积分微分控制公式可知，只有在动态误差e（t）=0的情况下，控制器才能输出常数。
所以，从原理上看，只要当动态误差存在于控制系统，积分调节就产生作用，直到没有误差时积分作用才会停止，此时积分调节输出为一常值。
3）微分（D）控制
为了改善系统的稳定性和响应的速度引用了微分控制。
对于反应系统偏差变化素的大小，以及偏差变化的方向，微分控制能起到作用，因此能产生超前的控制作用。
直观来说，微分作用就是在系统的误差还没有形成之前，他就已经把误差给去除了。
所以，微分作用可以改善系统的动态性能。
5.3MCGS简介
5.3.1MCGS组态软件的概述
MCGS组态软件具有动画显示、流程模拟、实时监控等功能，它可以与可编程控制器进行通信，对组态流程进行实时监控。
MCGS拥有庞大的元件库，它已逐渐成为工业自动化灵魂[11]。
5.3.2MCGS组态软件分析
MCGS中文组态软件是用来对工业流程实现控制和实时监测的软件。
它有如下功能：
1）动画图像显示:
MCGS可以在Windows环境下使用，利用MCGS所提供的元件库进行流程组态，并利用其编程语言功能以及运用简单的状态特征参数设置动画连接，可以做出较逼真并且直观的动态显示效果。
2）实时数据库：
实时数据库是整个系统运行的核心，它可以对流程中的数据进行处理、交换，它可以连接设备中的如开关量、模拟量或者新建内部变量。
MCGS将实时数据库作为一个对象，而外部设备通过这个对象对MCGS实施控制。
3）内嵌脚本语言：
MCGS拥有自身的脚本语言，通过使用其内嵌的脚本语言，可以使模拟的流程达到我们所想要的效果，当某些流程所显示的方式难以用常规的组态方法实现时，可以使用内嵌的脚本语言来实现。
内嵌的脚本语言从形式上看有点像Basic语言。
它的语句编程比较简单，容易实现。
4）开放式的设备管理功能[12]：
MCGS对设备采用了开放式的处理结构，在实际进行组态时，可以随时添加设备零件，可以在不更改前面天骄的零件的基础上随意添加，不用更改整个系统，这样就能充分减少不必要的时间与精力的浪费。
这种只需要设置单个设备性能，无需更改整个系统流程的有点，对于开发者快速开发设备流程，实现设备连接提供了巨大的便利。
5）完善的安全机制：
MCGS为软件使用者提供了密码保护，这极大程度上保证了软件的安全，一定程度上保护了开发者的重要信息。
它为不同的用户设定了不同的操作权限。
6）多样化的报警功能：
MCGS能提供各种各样的警报方式，并且他拥有各种各样的报报警方式以及报警方案。
而且它的报警设置相当简单，在进行报警处理后，用户可以根据需要对报警过程实施保存并打印。
报警功能的设置为为现场提供了必要的安全保障。
7）多媒体画面[13]：
MCGS具有设置图像画面、生成报表和设置曲线等多种功能，为流程监控，实时掌握流程的变化提供了各种便利；通过设置图片格式、大小、形式，颜色的变化，图像的明暗闪烁等来改变图像的动态效果；通过点故意图像属性，使用编程语言来实现流程的动画效果。
8）设立对象元件库[14]，MCGS拥有庞大的元件对象库，MCGS元件库拥有开关、反应器、电动机等涉及化工、电气、冶金等多个行业的各种元件设备，涵盖量广，每个元件属性简单，对于操作要求限制少，使用起来方便易懂。
MCGS组态软件具有强大的功能，并且它操作简单，方便易学，通过MCGS组态软件可以避开复杂的硬件问题，创建出安全稳定的组态监控系统，并且使用它实行起来成本低，安全机制高，具有很高度的专业性。
MCGS系统拥有运行环境和组态环境两个部分[15]。
组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和过构造自己的应用系统。
运行环境是一个独立的系统，运行环境实在组态环境已经生成的情况下进行流程运行的系统。
运行环境本身并没有任何意义，但是在连接数据库后，它就能实时模拟流程的运行，对于流程中的每个细微环节都能实时模拟并能给出相应的执行解释，完美运算结果。
组态结果数据库属于组
升级会员 