本發(fā)明涉及一種基于預(yù)測控制的沼氣系統(tǒng)及其穩(wěn)定供氣方法，更具體的說，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)簡單合理、沼氣產(chǎn)生率高和沼氣生產(chǎn)穩(wěn)定的沼氣系統(tǒng)及預(yù)測控制與pid控制相融合的穩(wěn)定性供氣方法。

背景技術(shù)：

畜禽糞便、病死畜禽、農(nóng)作物秸稈等廢棄物的不當(dāng)處理，將引發(fā)環(huán)境污染、滋生病菌、資源浪費(fèi)等問題，成為政府和居民關(guān)注的熱點(diǎn)。現(xiàn)在很多地方建立區(qū)域廢棄物資源化利用示范基地，以區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用、新農(nóng)村沼氣利用、沼液沼渣綜合利用為核心的區(qū)域生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)示范，解決區(qū)域有機(jī)廢棄物污染問題，優(yōu)化農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)。但當(dāng)下沼氣發(fā)酵和供氣多采用電觸點(diǎn)式氣體壓力表配合時間繼電器連接電磁閥、儀表變頻器配合連接電機(jī)等供氣裝置，都會受到相應(yīng)繼電器、電機(jī)等硬件條件的限制，會出現(xiàn)裝置上下限調(diào)節(jié)壓力不穩(wěn)、燃?xì)庠钍褂眯什桓吆蛦渭兊淖冾l控制縮短電機(jī)使用壽命等問題，需要有更為理想的自動穩(wěn)壓供氣裝置。

一般情況下，會借助pid控制解決上述問題，pid控制具有原理簡單、結(jié)構(gòu)簡明、實(shí)現(xiàn)方便，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性，在工業(yè)控制中簡單有效。但另一方面，控制算法的普及性也反映了pid控制器在控制品質(zhì)上的局限性，pid控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統(tǒng)，并且只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)等不足，使得在規(guī)模化的沼氣供氣控制過程中不能有效實(shí)現(xiàn)自動化管理和穩(wěn)定有序的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點(diǎn)，提供了一種基于預(yù)測控制的沼氣系統(tǒng)及其穩(wěn)定供氣方法。

本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)，包括發(fā)酵罐、屯渣液池、蓄糞池、物料倉、儲氣罐、電源管理模塊和熱電聯(lián)合機(jī)組，蓄糞池設(shè)置于地表以下，用于存儲畜禽的糞便，物料倉用于存儲農(nóng)作物秸稈，物料倉與發(fā)酵罐之間設(shè)置有物料輸送裝置，發(fā)酵罐和屯渣液池設(shè)置于地表之上；其特征在于：所述蓄糞池經(jīng)設(shè)置有第一輸液泵的輸液管與發(fā)酵罐相連通，發(fā)酵罐經(jīng)設(shè)置有第二輸液泵的輸液管與屯渣液池相連通，屯渣液池經(jīng)設(shè)置有第三輸液泵的輸液管與外界相連通；發(fā)酵罐的上部經(jīng)設(shè)置有流量計(jì)的沼氣管與沼氣純化器相連通，沼氣純化器經(jīng)沼氣管與儲氣罐相連通，儲氣罐經(jīng)設(shè)置有可控電磁閥的沼氣管與熱電聯(lián)合機(jī)組的進(jìn)氣管相連通，熱電聯(lián)合機(jī)組的電源輸出經(jīng)輸電線與輸電電網(wǎng)和電源管理模塊的輸入端相連接；電源管理模塊的輸出端經(jīng)輸電線與沼氣純化器的電源輸入端、發(fā)酵罐中的用電設(shè)備以及辦公房中的用電設(shè)備相連接；所述發(fā)酵罐中設(shè)置有攪拌裝置、液位傳感器、溫度傳感器、ph傳感器和濃度傳感器，所述儲氣罐中設(shè)置有壓力傳感器和氣體成分傳感器。

本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)，所述蓄糞池設(shè)置于畜禽飼養(yǎng)場地的地表之下，畜禽飼養(yǎng)場地中設(shè)置有帶孔底板，帶孔底板的下方設(shè)置有接料槽，接料槽的底部經(jīng)通孔與蓄糞池相連通。

本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)，包括起采集、運(yùn)算和控制作用的微控制器，所述液位傳感器、溫度傳感器、ph傳感器、濃度傳感器、壓力傳感器、氣體成分傳感器均與微控制器的輸入端相連接，微控制器的輸出端與可控電磁閥的控制端相連接。

本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性供氣方法，a).采集發(fā)酵參數(shù)，以每天為時間段tday，在時間段tday周期性地采集發(fā)酵罐中反應(yīng)物質(zhì)的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ，形成發(fā)酵參數(shù)ci(h,t,p,ρ),其中，i為每天所采集的發(fā)酵參數(shù)的次數(shù)，12≤i≤48；

b).采集沼氣參數(shù)，在采集發(fā)酵參數(shù)的同時，也采集發(fā)酵罐輸出端的沼氣管上的氣體流量l、儲氣罐中的氣體壓力f以及儲氣罐中的氣體成分co、h2s、ch4，形成沼氣參數(shù)ki（l,f,co,h2s,ch4）；

c).訓(xùn)練樣本，采集n天的發(fā)酵參數(shù)和沼氣參數(shù)，以其為樣本，以發(fā)酵參數(shù)h、t、p、ρ為輸入，以沼氣參數(shù)l、f、co、h2s、ch4為輸出進(jìn)行訓(xùn)練，直至氣體流量l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ中的變量l1、l2、l3、l4、f1、f2、f3、f4、co1、co2、co3、co4、h2s1、h2s2、h2s3、h2s4、ch41、ch42、ch43、ch44不在變化或者變化處于收斂位置；

d).穩(wěn)定器供氣控制，采集當(dāng)前的發(fā)酵參數(shù)cpresent(h,t,p,ρ)，利用步驟c)中訓(xùn)練出的計(jì)算公式l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ計(jì)算出沼氣參數(shù)kpresent（l,f,co,h2s,ch4），根據(jù)當(dāng)前所需發(fā)電量采用pid控制實(shí)時調(diào)節(jié)可控電磁閥的開度，以對發(fā)電量進(jìn)行控制，保證沼氣系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)及方法，由蓄糞池、發(fā)酵罐、屯渣液池、物料倉、儲氣罐、熱電聯(lián)合機(jī)組形成，設(shè)置于地表之下的蓄糞池有利于收集畜禽的糞便，物料倉用于存儲待發(fā)酵的農(nóng)作物秸稈，糞便經(jīng)第一輸液泵抽至發(fā)酵罐中，秸稈經(jīng)物料輸送裝置輸送至發(fā)酵罐中；發(fā)酵罐產(chǎn)生的沼氣首先通入沼氣純化器中進(jìn)行處理，再存儲在儲氣罐中，以供熱電聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行燃燒發(fā)電；熱電聯(lián)合機(jī)組產(chǎn)生的電能不僅可供辦公房、發(fā)酵罐、沼氣純化器的運(yùn)行之用，而且還可輸送至電網(wǎng)中。本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單合理，具有建造成本低、沼氣產(chǎn)量豐富、沼氣利用率高、有益效果顯著和適于應(yīng)用推廣的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的沼氣穩(wěn)定性供氣方法，通過沼氣生產(chǎn)工藝等實(shí)際內(nèi)容的分析和研究，將發(fā)酵罐中反應(yīng)物質(zhì)的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ作為預(yù)測控制參數(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的pid控制，可較為精確地預(yù)測出沼氣的產(chǎn)生量和成分，并對發(fā)電所用沼氣量進(jìn)行控制，既能最大限度地發(fā)電，又可滿足設(shè)備的正常運(yùn)行。

附圖說明

圖1為沼氣生產(chǎn)工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖3為本發(fā)明中控制電路的原理圖；

圖4為本發(fā)明中沼氣穩(wěn)定性供氣方法的原理圖。

圖中：1發(fā)酵罐，2屯渣液池，3蓄糞池，4物料倉，5儲氣罐，6熱電聯(lián)合機(jī)組，7辦公房，8輸電電網(wǎng)，9電源管理模塊，10物料輸送裝置，11帶孔底板，12接料槽，13通孔，14輸液管，15第一輸液泵，16沼氣管，17沼氣純化器，18壓力傳感器，19輸電線，20第二輸液泵，21第三輸液泵，22流量計(jì)，23可控電磁閥，24液位傳感器，25溫度傳感器，26ph傳感器，27濃度傳感器，28氣體成分傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，給出了沼氣生產(chǎn)工藝流程圖，如圖中所示，本發(fā)明中生產(chǎn)沼氣的物料主要來至畜禽養(yǎng)殖和生態(tài)農(nóng)業(yè)種植，畜禽養(yǎng)殖中產(chǎn)生的畜禽糞便、畜禽尸體均可作為沼氣產(chǎn)生的物料，不僅變廢為寶，而且還解決了環(huán)境污染問題。生態(tài)農(nóng)業(yè)種植所產(chǎn)生的糧食秸稈、蔬菜的爛根葉、果木的爛果均可作為發(fā)酵沼氣的物料。沼氣生產(chǎn)工程不僅可生產(chǎn)生物天然氣，而且還可產(chǎn)出有機(jī)肥。

如圖2所示，給出了本發(fā)明的沼氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，其由發(fā)酵罐1、屯渣液池2、蓄糞池3、物料倉4、儲氣罐5、熱電聯(lián)合機(jī)組6、電源管理模塊9組成，所示的蓄糞池3設(shè)置于地表之下，用于收集和存儲畜禽的糞便；蓄糞池3經(jīng)設(shè)置有第一輸液泵15的輸液管14與發(fā)酵罐1相連通，以便在第一輸液泵15的驅(qū)動下將蓄糞池3中的糞便抽至發(fā)酵罐1中。物料倉4設(shè)置于地表之上，用于存儲農(nóng)作物的秸稈等，物料倉4與發(fā)酵罐1之間設(shè)置有物料輸送裝置10，以便將物料倉4中的秸稈運(yùn)輸至發(fā)酵罐1中。為了便于畜禽糞便的收集，飼養(yǎng)畜禽的場地中鋪設(shè)有帶孔底板11，帶孔底板11的下方為接料槽12，接料槽12經(jīng)通孔13與蓄糞池相連通，以便將畜禽的糞便直接導(dǎo)流至蓄糞池3中。

所示發(fā)酵罐1和屯渣液池2均設(shè)置于地表之上，發(fā)酵罐1經(jīng)設(shè)置第二輸液泵20的輸液管與屯渣液池2相連通，以便將物料發(fā)酵之后的沼渣、沼液抽至屯渣液池2中。同時，屯渣液池2經(jīng)設(shè)置第三輸液泵21的輸液管與外界相通，以便將沼渣、沼液抽出。

所示發(fā)酵罐1的頂部經(jīng)設(shè)置流量計(jì)22的沼氣管16與沼氣純化器17相通，以便將產(chǎn)生的沼氣輸送至沼氣純化器17進(jìn)行純化處理。沼氣純化器17經(jīng)管路與儲氣罐5相通，以便將純化之后的沼氣輸送至儲氣罐中進(jìn)行保存。儲氣罐5經(jīng)沼氣管16與熱電聯(lián)合機(jī)組6的燃?xì)夤芟嗤ǎ怨犭娐?lián)合機(jī)組6進(jìn)行燃燒發(fā)電。熱電聯(lián)合機(jī)組6產(chǎn)生的電能一部分輸送至輸電電網(wǎng)8上，實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電，另一部分經(jīng)電源管理模塊9轉(zhuǎn)化后，輸入至沼氣純化器17、發(fā)酵罐1和辦公房7，以維持整個沼氣系統(tǒng)的運(yùn)行。

所示發(fā)酵罐1中還設(shè)置有液位傳感器24、溫度傳感器25、ph傳感器26、濃度傳感器27，以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐1中反應(yīng)物質(zhì)的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ的測量。儲氣罐5中還設(shè)置有壓力傳感器18和氣體成分傳感器28，氣體成分傳感器28可對沼氣中的co、h2s、ch4的含量進(jìn)行檢測。所示儲氣罐5至熱電聯(lián)合機(jī)組6之間的沼氣管16上設(shè)置有可控電磁閥23，通過對可控電磁閥23的開度進(jìn)行控制，可控制熱電聯(lián)合機(jī)組6的發(fā)電功率，以控制沼氣的利用量。

如圖3所示，給出了發(fā)明中控制電路的原理圖，所示的微控制器29具有信號采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算和控制輸出的作用，液位傳感器24、溫度傳感器25、ph傳感器26、濃度傳感器27、壓力傳感器1）、氣體成分傳感器28均與微控制器29的輸入端相連接，以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的測量，微控制器29的輸出端與可控電磁閥23的控制端相連接，以便微控制器29根據(jù)所檢測的數(shù)據(jù)對可控電磁閥23的開度進(jìn)行控制，進(jìn)而控制發(fā)電功率。

如圖4所示，給出了本發(fā)明中沼氣穩(wěn)定性供氣方法的原理圖，其穩(wěn)定性供氣方法的原理為通過設(shè)備狀態(tài)情況、用戶使用規(guī)律、負(fù)載數(shù)據(jù)和傳感器檢測值，來實(shí)現(xiàn)沼氣壓力預(yù)測、發(fā)電機(jī)功率預(yù)測和沼氣濃度預(yù)測，進(jìn)而形成融合預(yù)測控制的沼氣自動穩(wěn)定控制器，同時通過所建立的目標(biāo)函數(shù)和動態(tài)約束來優(yōu)化模型，反饋至融合預(yù)測控制的沼氣自動穩(wěn)定控制器，來實(shí)現(xiàn)沼氣的穩(wěn)定控制。

拋棄設(shè)備狀態(tài)情況、用戶使用規(guī)律、負(fù)載數(shù)據(jù)不予考慮，本沼氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性供氣方法通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

a).采集發(fā)酵參數(shù)，以每天為時間段tday，在時間段tday周期性地采集發(fā)酵罐中反應(yīng)物質(zhì)的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ，形成發(fā)酵參數(shù)ci(h,t,p,ρ),其中，i為每天所采集的發(fā)酵參數(shù)的次數(shù)，12≤i≤48；

b).采集沼氣參數(shù)，在采集發(fā)酵參數(shù)的同時，也采集發(fā)酵罐輸出端的沼氣管上的氣體流量l、儲氣罐中的氣體壓力f以及儲氣罐中的氣體成分co、h2s、ch4，形成沼氣參數(shù)ki（l,f,co,h2s,ch4）；

c).訓(xùn)練樣本，采集n天的發(fā)酵參數(shù)和沼氣參數(shù)，以其為樣本，以發(fā)酵參數(shù)h、t、p、ρ為輸入，以沼氣參數(shù)l、f、co、h2s、ch4為輸出進(jìn)行訓(xùn)練，直至氣體流量l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ中的變量l1、l2、l3、l4、f1、f2、f3、f4、co1、co2、co3、co4、h2s1、h2s2、h2s3、h2s4、ch41、ch42、ch43、ch44不在變化或者變化處于收斂位置；

d).穩(wěn)定器供氣控制，采集當(dāng)前的發(fā)酵參數(shù)cpresent(h,t,p,ρ)，利用步驟c)中訓(xùn)練出的計(jì)算公式l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ計(jì)算出沼氣參數(shù)kpresent（l,f,co,h2s,ch4），根據(jù)當(dāng)前所需發(fā)電量采用pid控制實(shí)時調(diào)節(jié)可控電磁閥的開度，以對發(fā)電量進(jìn)行控制，保證沼氣系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。

圖中：1發(fā)酵罐，2屯渣液池，3蓄糞池，4物料倉，5儲氣罐，6熱電聯(lián)合機(jī)組，7辦公房，8輸電電網(wǎng)，9電源管理模塊，10物料輸送裝置，11帶孔底板，12接料槽，13通孔，14輸液管，15第一輸液泵，16沼氣管，17沼氣純化器，18壓力傳感器，19輸電線，20第二輸液泵，21第三輸液泵，22流量計(jì)，23可控電磁閥，24液位傳感器，25溫度傳感器，26ph傳感器，27濃度傳感器，28氣體成分傳感器，29微控制器。