摘 要

本文叙述了利用高压水洗提纯沼气的设计和国内外的发展现状，详细阐述了高压水洗提纯沼气的设计方案，以西门子S7-200作为控制器设计了沼气提纯的自动控制系统，通过Aspen plus化工模拟软件对高压水洗提纯沼气工程进行了模拟，实验结果表明：经过水洗，沼气中的甲烷浓度可以提到97%。通过分析进水量、进气量、塔压、水位等参数，计算出最佳的进水进气比，绘制出补水量与甲烷纯度和吸收率的关系曲线。

同时对整个控制系统进行了设备选型，根据相关参数，选择了经济并且合适的现场设备，针对塔压、液位、进气流量、进水流量等被控量设计了相应的控制方案，运用了PID控制，简单闭环控制，双闭环比值控制，对所要求的被控变量进行精确控制，并举例论述了变量控制的设计流程。针对上位机，选择MCGS组态软件对整个系统进行实时监测，通过MCGS与PLC进行通信，实现PLC内部变量的实时动画监测，同时设有报警、实时曲线、报表输出等功能。

关键词:沼气提纯 Aspen plus模拟仿真 PID控制 MCGS

Biogas purification control analysis and control system design

ABSTRACT

This project describes the design of high pressure water scrubbing to purify the biogas and the development status at home and abroad. In The design scheme of high-pressure water washing and purification of biogas was elaborated, and an automatic control system based on the Siemens S7-200 programming controller was designed. Based on the research on the development of biogas purification projects at home and abroad, the Aspen plus chemical simulation software was used. High-pressure water washing and purification of biogas projects were simulated. The experimental results showed that the concentration of methane in biogas can be mentioned as 97% after washing. By calculating the influent, intake, tower pressure, water level and other parameters, calculate the best intake air ratio, draw a curve of the amount of water and methane purity.

The equipment selection for the entire control system, according to the relevant parameters, selected economic and suitable equipment, designed for the control of the tower pressure, liquid level, intake flow, inflow flow and other corresponding control program, using the PID Control, simple closed-loop control, double closed-loop ratio control, precise control of required controlled variables, and examples discussed the design flow of variable control. For the host computer, select the MCGS configuration software to monitor the entire system in real time and communicate with the PLC through the MCGS to realize real-time animation monitoring of the internal variables of the plc. At the same time, alarms, real-time curves, and report output are provided.

Key words: biogas purification; Aspen plus simulation; PID control; MCGS;

目 录

摘 要 II

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2沼气的性质 2

1.3国内外沼气提纯技术分析 3

1.3.1沼气提纯技术 3

1.3.2高压水洗法的优势 5

1.3.3国外沼气提纯的发展现状 6

1.3.4我国沼气提纯的发展现状及其存在的问题 7

1.4本课题研究目标及其内容 7

1.4.1研究内容 7

1.4.2研究目标 8

1.5本章小结 8

第二章 沼气提纯自动控制系统设计 9

2.1沼气压力水洗过程及其影响因素 9

2.1.1高压水洗提纯沼气的主要流程 9

2.1.2压力和温度对沼气提纯的影响 9

2.1.3气水比对沼气提纯的影响 10

2.1.4其他的影响因素 11

2.2控制方案及控制系统设计 11

2.2.1控制系统方案 11

2.2.2PID控制算法的应用 12

2.2.3简单的闭环控制系统 14

2.2.4双闭环比值控制系统 15

2.3硬件选型和硬件组态 17

2.3.3硬件选型 17

2.3.4 PLC及传感器的硬件组态 18

2.4本章小结 21

第三章Aspen plus模拟仿真设计 22

3.1Aspen plus简介 22

3.2工艺分析 22

3.3Aspen plus仿真设计 23

3.3.1设计依据和设计任务 23

3.3.2.水洗塔和解吸塔的仿真 23

3.3.3闪蒸塔的设置 23

3.3.4泵和压缩机参数设定 24

3.4Aspen plus运行结果分析及效益计算 25

3.4.1Aspen plus运行结果分析 25

3.4.2 高压水洗提纯沼气的效益模拟计算 27

3.5本章小结 27

第四章 MCGS人机界面设计 28

4.1MCGS简介 28

4.1.1MCGS组态软件概述 28

4.1.2MCGS组态软件分析 28

4.2 S7-200与MCGS的通信联机 29

4.3沼气高压水洗过程的MCGS组态软件设计 29

4.3.1工程分析 29

4.3.2主控界面设计 30

4.3.3数据显示界面设计 30

4.4.4报警界面设计 31

4.2.4实时曲线界面设计 32

4.4本章小结 32

总 结 33

参考文献 34

致 谢 37

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

能源，始终都是整个国家发展过程中的至关因素，但是随着传统能源逐渐消耗殆尽，大部分能源是不可再生的，在使用了大量的化石能源后，能源危机迫在眉睫，环境污染也越来越严重。全球变暖等问题一个接一个地出现，为了减少化石燃料的消耗，各国纷纷大力开发可再生能源，可再生能源和生物燃料的产量不断增加。在可再生能源中，生物质能的产量甚至超了过全世界的消耗能源。生物学家估算，地球大陆每年能产1000亿到1250亿吨生物质能源，海洋大概能生产500亿吨^[3]。沼气经过提纯后变为生物甲烷，当然它的碳氢化合物数量与北海的天然气相当，所以实际上它可以代替天然气。

目前，对天然气的需求在急剧扩大，据检测报告显示，到2020年中国天然气的年需求量将达到，缺口将达到^[5]。沼气来源普遍，人类和家禽的粪便、城市垃圾、生活污水等都可以通过厌氧反应生成沼气。我国很长一段时间都在推动沼气的使用，据资料显示，截止2011年底，我国的沼气池已经分布普遍，一些具备大中型沼气产出能力的厂房已经有2500多处，一年产出的沼气大概，经过系统的提纯后，能够生成生物甲烷，若将其并入管网，这将占据我国天然气使用量的十分之一。此外，随着新能源汽车的发展，这一部分生物甲烷完全可以用做车用燃料，可以经过加压后送入加气站。丰富的沼气生产资源和巨大的天然气缺口以及沼气价格的优势都显示出沼气经过提纯后有重大的发展前景，所以沼气的提纯技术对我国沼气普遍化的发展有着重大意义^[5]。

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