沼气压力水洗提纯控制系统研究毕业设计.docx
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沼气压力水洗提纯控制系统研究毕业设计
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本科毕业设计（论文）
题目沼气压力水洗提纯控制系统研究
学院电气与自动化工程学院
年级11级专业自动化
校内导师孟翔飞职称讲师
校外导师职称
常熟理工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
常熟理工学院本科毕业设计（论文）使用授权说明
保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。
沼气压力水洗提纯控制系统研究
摘要
随着经济的发展，全球已经进入能源危机的时代。
煤炭，石油天然气等传统化石燃料消耗量在不断增大，这不仅加剧了化石资源的枯竭速度，还带来了许多严重的环境问题。
日益增长的能源需求和日渐严重的环境污染迫使我们寻找解决能源危机的突围之路。
其中，发展替代能源，实现传统能源之间，传统能源与新能源之间的替代，是解决我国能源供需瓶颈、供需结构性矛盾以及减轻环境压力的有效途径。
开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效手段，发达国家都在致力开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，保障国家经济的可持续发展。
在可再生能源中，生物天然气是一种重要的生物质能源，它以甲烷为主要成分，主要通过沼气净化提纯得到。
由于生物天然气可以直接作为石化天然气的替代燃料，所以可以发展沼气增加天然气供应从而缓解能源危机。
本文主要介绍了国内外常见沼气提纯方法中的水洗法，它是利用CO2、CH4在水中溶解度的差异实现分离，是一种相对廉价的提纯方法，尤其在不需要对水进行再生处理的时候其经济性更加明显。
研究了其控制系统来有效的节省人力物力，提高效率，减少人员失误，提高产品质量。
带来安全方便的操作。
关键词：
沼气提纯压力水洗法控制系统
Gas pressure control system for water purification
Abstract
Witheconomicdevelopment,theworldcontinuestoincrease,whichonlyexacerbatedthedepletionoffossilresourcesspeed,butalsobroughtmanyseriousenvironmentalproblems.Growingenergyneedsandincreasinglyseriousenvironmentalpollutionforcedustolookforthewayouttosolvetheenergycrisis.Developmentandproductionofavarietyofrenewableenergysourcestoreplacecoal,oilandnaturalgasandotherfossilfuelsintheworldtosolvetheenergyshortageinthefutureaneffectivemeans,developedcountriesarecommittedtothedevelopmentofefficient,non-pollutingbiomassutilizationtechnologytoprotectnationalfossilenergyresources,andensurethesustainabledevelopmentofthenationaleconomy.Bio-gasisanimportantsourceofbiomassinrenewableenergysources,whichmethaneasthemaincomponent,mainlyobtainedthroughbiogaspurification.Sincebio-gascanbeanalternativefuelofpetrochemicalnaturalgas,itispossibletoincreasethedevelopmentofmethanegassuppliestoalleviatetheenergycrisis.Thispaperdescribesawashingmethodisacommonmethodforpurifyingbiogasabroad.ItusesCO2,CH4differenceinsolubilityinwatertoseparate,isarelativelyinexpensivemethodofpurification,inparticularitdoesnotneedtoberegeneratedwaterwhenitseconomyismoreobvious.Studyitscontrolsystemtoeffectivelysaveresources,improveefficiency,reduceerror,improveproductquality.Bringsafeandconvenientoperation.
Keyword：
BiogaspurificationBiogasupgradingwithwaterControlsys
1引言1
1.1课题研究背景及意义1
1.2国内外沼气提纯技术的发展现状19
1.3沼气组分及特性错误！
未定义书签。
1.4沼气水洗提纯技术介绍错误！
未定义书签。
1.5本章小结错误！
未定义书签。
2系统方案设计错误！
未定义书签。
2.1控制方案一错误！
未定义书签。
2.2控制方案二错误！
未定义书签。
2.3控制方案选择错误！
未定义书签。
2.4传感器参数错误！
未定义书签。
2.5控制系统设计方案优化错误！
未定义书签。
2.6沼气压力水洗提纯流程图错误！
未定义书签。
2.7本章小结错误！
未定义书签。
3硬件电路设计错误！
未定义书签。
3.1总体硬件电路原理图错误！
未定义书签。
3.2单片机最小系统错误！
未定义书签。
3.3电流转电压模块错误！
未定义书签。
3.4AD转换模块错误！
未定义书签。
3.5显示模块错误！
未定义书签。
3.6本章小结错误！
未定义书签。
4控制系统软件设计错误！
未定义书签。
4.1控制系统控制要求错误！
未定义书签。
4.2系统软件主流程图错误！
未定义书签。
4.3控制部分主程序错误！
未定义书签。
4.4延时子程序20
4.5AD转换程序21
4.6本章小结21
5系统调试21
5.1线性度确认21
5.2工作流程验证22
5.3本章小结23
6总结与展望23
6.1总结23
6.2问题展望23
参考文献24
致谢24
附录25
附录1,软件代码25
附录2模块实物图32
1引言
1.1课题研究背景及意义
经济的发展总是伴随着能源的消耗，发展越快，能源消耗的也就越快。
如今地球的煤，石油，天然气等不可再生资源的储存量来说，已经渐渐跟不上其消耗的速度。
即能源危机的时代已经到来了。
除了能源枯竭的问题之外，大量化石燃料的使用还给地球的环境带来了巨大的考验。
为此，世界各国不得不寻找解决之道。
开发新能源，寻找替代能源，提高能源利用效率等等，不一而足。
在全世界应对气候变换的大背景之下，减少化石燃料的消耗，发展清洁高效的可再生能源成为世界各国的关注热点。
据各方面的统计资料来看，全球的风电装机容量，太阳能发电容量，生物乙醇，生物柴油等的产量一直是在大步提升的。
就中国而言，除了水电以外的可再生电力一直快速增长，同比增幅仅次于美国。
因为中国作为一个人口大国，一个能源消耗大国，有必要花大投资来改善能源结构，事实也是如此，仅2010一年，中国在可再生能源资源上的投资就超过了500亿美元，所以在现今社会，在我国发展可再生能源是完全可行的，或者说是受到大力扶持的。
可再生能源之中，生物天然气是一种十分重要的生物质能。
它的主要成分为甲烷，可以通过沼气的净化提纯来制得。
生物天然气可以作为石化天然气的重要替代燃气，使得发展沼气成为增加天然气供应的突破口。
根据供需关系，有需求，又会有供应。
在我国现在阶段，特别是近年来，对生物天然气的需求高速增加，使得需求远大于供应。
这大大加快了沼气产业的发展速度。
而且，沼气是一种比较清洁的能源，由各类禽畜，以及人们的粪便，工农业的有机废弃物，生活垃圾等在厌氧环境下产生。
其产生过程本身就是一种可再生能源的制造过程。
不仅如此，对这些垃圾的处理还起到了环境保护的作用。
我国发展沼气的历史要追溯到50多年以前，经过这些年的发展，截止至2011年底，我国的民用沼气池差不多有3500w口，，其他的大型中型沼气工程更是接近有3000处.若是能将这些沼气进行净化提纯后并入天然气网，差不多能节省10%的天然气消耗量。
沼气提纯后还能用于车用燃料，其生产成本低廉，在与石化天然气燃料的对比中有着巨大的价格优势。
沼气的资源是丰富的，然而天然气的缺口却是非常巨大。
这些都预示着沼气提纯有着巨大的发展前景，沼气提纯技术的发展有着重大的意义。
首先，沼气提纯技术的发展带来的最直观影响，沼气的产量增加了，越来越多的沼气工程正在被建设中。
相对的，平时没有什么作用生活垃圾，粪便，工农业有机废物等有了去处——生产沼气，而不用吃力不讨好的集中焚烧，填埋。
不光减少了处理垃圾的成本，反而能产生巨大的经济利益，同时减少了环境的破坏。
有资料显示，每年我国城市的人均垃圾产量有440kg之多。
在农村，禽畜粪便，农作物秸秆等也在源源不断的产生。
光2003年，我国农村的农作物秸秆的产量差不多达到了5.5亿吨。
这是一个非常巨大的数字。
若是能够处理得当，所产生的经济效率会非常可观。
举个例子，将我国在2003年产生的禽畜粪便，人类尿液，作物秸秆这三项用于生产沼气，转化为原煤产量的话，相当于1.8亿吨原煤，是该年度原煤产量的11.5%。
富含杂质的沼气利用率并不高，但是提纯后这一现状改变了，随着沼气生产的规模化，标准化，工业化，生产成本降低了沼，利用效率提高了，经济效益增加了。
以我国的农村常见的沼气池举例，其技术比较落后，生产沼气的量较少，纯度也不高。
一般只能用于家庭取暖，燃烧，供家庭使用，惠及的只是个人还有家庭，或者一些个小团体。
无法做到远距离传输，产生不了什么经济效益。
如果用于发电，同样只能在直接使用，无法储存。
将发的电并入电网因为上网费用非常高额，在现阶段不做考虑。
或许在将来同样会因为投入大大高于收益而不予采用。
只有中大规模的沼气生产提纯，将沼气中甲烷的含量提升到95%以上，才能达到生物天然气的标准，并入天然气网络，实现沼气的高效利用，带来更大的经济利益。
目前国内外的沼气提纯方法大致分为以下几种：
吸附法，吸收法，膜分离法，低温分离法，甲烷富集法，生物技术提纯等。
其中吸收法之下的压力水洗法在国际社会之中应用比较广泛。
在欧洲一些国家已经有了多个应用此法的大型沼气提纯工程。
这种方法利用沼气中甲烷和二氧化碳在水中溶解度的差异将它们分离，从而提高沼气中甲烷的浓度。
它有很大优势，其一，此法效率很高，其次，因为甲烷在水中的溶解率与二氧化碳相比来说非常低，所以沼气中甲烷的流失量很少，最重要的一点是，该法利用随处可见的水作为吸收剂，花费在吸收剂中的成本会非常低。
这三点确保了水洗法的经济利益。
现今的社会，工业发展非常之快，各种大中型的工程基本都实现了自动化的操作。
沼气压力水洗提纯的工程自然不可能全靠人工来操作。
研究其控制系统，实现沼气提纯的自动化操作有着重要的意义。
第一，这能节省大量的人力物力，如今的人工费一年比一年高，减少人员的投入也是变相的增加收益。
第二，人为的操作变少了，失误也就变少了，这算是减少安全隐患的一个有效措施。
第三，研究控制系统，实现沼气提纯自动化大大提高了工作效率。
1.2国内外沼气提纯技术的发展现状
目前，欧洲各国都开展了沼气提纯技术的应用，沼气提纯工程数量和规模不断扩大，欧洲各国中沼气提纯产业发展最快的两个国家，沼气工程数量约占欧洲总体数量的84%。
1996年，瑞典就开始对沼气进行净化提纯，并得到甲烷含量在95%以上的沼气提纯气，作为汽车燃料使用，而且制定了相关标准，以衡量沼气提纯气否能够作为汽车燃料。
2008年，瑞典的车用天然气消费总量为5.3×107m³，其中55%是沼气提纯后得到的生物天然气。
2010年，瑞典的沼气总产量折合天然气为1.3×108m³，占全国燃气消费总量的13%。
2010年瑞典全国使用压缩生物天然气的车辆有7×104辆，加气站500个。
据统计，2011年，德国沼气工程数量以达7×103个。
在德国，沼气工厂生产的沼气主要用来发电上网[36]。
2010年，德国沼气的发电总装机量达到了2.3×109W，年发电量为2×1010KW·（）
{unsignedcharval0,val3;
unsignedcharVIN0[10],VIN3[10];
EA=1;开总中断
ConfigTimer0（10）;配置T0定时10ms
InitLcd1602（）;初始化液晶
LcdShowStr（0,0,"AIN0AIN3"）;显示通道1和通道3指示
LED_1=0;电磁阀1开
while
（1）
{LED_4YSJ=0;压缩机开
delay_ms（30000）;延时30秒
LED_1=1;电磁阀1关
if（flag300ms）
{flag300ms=0;
显示通道0的电压
val0=GetADCValue（0）;获取ADC通道0的转换值
ValueToString（VIN0,val0）;转为字符串格式的电压值
LcdShowStr（0,1,VIN0）;显示到液晶上
显示通道3的电压
val3=GetADCValue（3）;
ValueToString（VIN3,val3）;
LcdShowStr（10,1,VIN3）;
}
if（val0>=90）LED_2=0;CH4浓度大于90%，电磁阀2开
if（val0<=85）LED_2=1;CH4浓度小于85%，电磁阀2关
if（val3>=40）二氧化碳浓度大于40%
{LED_4YSJ=0;压缩机开
delay_ms（1000）;延时
LED_3=0;
LED_5ZKB=0;
}
if（val3<=10）
{LED_5ZKB=1;
delay_ms（1000）;延时
LED_3=1;
}}}
4.4延时子程序
延时子程序在单片机的编程里面是非常常见的，几乎个个程序都会用到，哪怕是刚接触到单片机的初学者编写流水灯程序时也会用到。
一般编写延时程序都是要根据单片机的机械周期来编写，51单片机的一个机械周期包括12个时钟震荡周期，时钟震荡周期取决于单片机连接的晶振的频率，本次实验使用的晶振频率为11.0592MHz，即一个机械周期比较熟悉，所以这里不再多加说明。
4.5AD转换程序
PCF8591共有4个模拟量输入通道，通道0到通道3，首先单片机对PCF8591进行寻址，写入控制字节，选择转换通道，再次对PCF8591进行寻址，然后进行读操作，为了提供采样的时间，这边让其先空读一个字节，最后再读取转换完的值。
4.6本章小结
本章根据水洗的具体流程得出软件控制的流程，并制作出总体的软件流程图，给出了主体部分的程序。
简单说明延时子程序和AD的转换
5系统调试
5.1线性度确认
在调试系统之前首先进行的是对气体检测仪的输出信号进行线性度测定，我改变检测仪的气体环境，用电流表测量检测仪输出的电流值，与计算值进行比较，确认气体测定仪的线性度。
实验数据如下表显示
表5.1气体检测仪显示浓度与输出电流
甲烷浓度（%）
实测值（mA）
计算值（mA）
90
18.4
18.4
75
15.9
16.0
60
13.8
13.6
45
11.2
11.2
30
8.9
8.8
15
6.4
6.4
0
4.0
4.0
由数据可见，在误差允许范围内，气体检测仪检测到的气体浓度与输出信号之间是呈线性变化的
二氧化碳检测仪的厂商，型号，与甲烷气体检测仪都是一样的，因为缺少二氧化碳的气体环境，我假定二氧化碳检测仪测得的气体浓度与输出的电流信号之间也是呈线性变化的。
其次对电流信号经过转化后的电压值与气体浓度之间的线性度进行测定，也就是对转化前后的电流与电压之间线性度测定。
将气体测定仪的电流信号输出线路与电流转电压模块相连接，再将电流转电压模块的输出端与电压表相连接，调整模块上的滑动变阻器，使得当输入电流为0.4mA即气体检测仪的浓度显示为零时电压表显示读数为零，输入电流为20mA即气体浓度为100%时，电压表读数为5v。
5.2工作流程验证
为了验证控制系统在实际中是否能够顺利运行，做了验证试验，试验原理如图所示，试验仪器如表5-1所示
使用两个4-20mA电流源来模拟分别模拟CH4、CO2检测仪器的电流信号，调节到计算好的电流，观察LED亮灭情况及显示屏的数值。
图5-1试验原理图
表5-2开发板LED灯对应的执行元件表
端口
Led灯
代表执行元件
P1.0
右边第1个红色led
电磁阀1
P1.1
右边第2个黄色led
电磁阀2
P1.2
右边第3个绿色led
电磁阀3
P1.3
右边第4个红色led
压缩机
P1.4
右边第5个黄色led
真空泵
验证流程
1.连接好电路，单片机初始化，运行。
观察右1灯、右4灯是否点亮，等待30s后，右1灯是否关闭。
2.缓慢调节1号信号发生器到19mA左右，观察右2灯是否点亮；如果点亮后，缓慢降低1号信号发生器到17mA，观察右2灯是否熄灭。
3.缓慢调节2号信号发生器到17mA，观察右4灯是否熄灭，等待30秒，观察右3灯、右5灯是否点亮。
4.缓慢减低2号信号发生器到7mA，观察右5灯是否熄灭，如果熄灭后
5.单片机是否初始化运行。
实验结果
试验结果符合预期，该沼气压力水洗系统方案确实可行。
5.3本章小结
本章主要介绍了对气体检测仪的线性度检测调试数据，为验证控制系统在实际工作过程中的状态，进行了验证模拟实验确定控制系统的可行性
6总结与展望
6.1总结
本文介绍了目前沼气提纯的一些技术与方法，国内外沼气提纯技术的现状与历史，表现了沼气提纯在未来有着巨大的发展前景。
描述了沼气的水洗法提纯的高效率，低成本，浪费量少，经济效益高等的优点。
旨在研究沼气压力水洗法将沼气中甲烷含量提升到90%或以上的控制系统。
对比了以单片机和采集卡为基础的控制系统的优劣势，确立控制方案的开发基础。
此外，为更好的提高沼气中甲烷所占比重提出间歇式水洗提纯法，设计控制流程。
而且，本方案是以高成本的甲烷和二氧化碳检测仪为主体，以单片机为基础开发的，为了接收气体检测仪输出的电流信号，提出在气体检测仪和AD转换模块之间添加电流转电压模块，将气体检测仪输出的电流信号在取样电阻转成电压值，再通过运放线性的转成合适的电压，从而实现电流信号到电压信号的转化。
在实验调试阶段，先是验证了两个气体检测仪的测定的浓度值与输出电流信号之间的线性关系，找出不同浓度下对应的电流信号大小，接下来再次测定将电流信号转换成电压信号后浓度所对应电压值，观察是否依旧为线性关系。
最后为单片机的AD转换模块直接提供电压值，模拟气体达到一定浓度的情况，用LED灯代替执行器，观察系统是否会根据气体浓度的变化而执行准确度压力水洗提纯流程
6.2问题展望
本文是根据沼气压力水洗法的水洗流程而提出的理论上的控制流程，由于缺少实际的工作环境，所以在实物水洗塔上进行控制时可能还需要对一些参数或者流程进行调整。
在得到大量实际的实验数据支持下，改进压力水洗法的工艺参数，研发更智能化的水洗提纯控制系统。
实现对塔内压力，进气量，出气量，成品纯度，水洗塔的自洁等的全面控制，并且做到数据的远程显示与控制。
参考文献
[1]徐惠民、安德宁．单片微型计算机原理接口与应用．第1版[M]．北京：
北京邮电大学出版社，1996
[2]李建中.单片机原理及应用[M]西安电子科技大学出版社,2010.（02）
[3]李全利，迟荣强编著单片机原理及接口技术高等教育出版社，2004.1
[4]范晶彦.传感器与检测技术应用[M].北京:
机械工业出版社,2005.
[5]宋文绪,杨帆.自动检测技术[M].北京:
高等教育出版社,2000.
[6]侯媛彬等，凌阳单片机原理及其毕业设计精选2006年，科学出版社
[7]马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003修订版
[8]金发庆.传感器技术与应用[M].北京:
机械工业出版社,2006.
[9]刘细龙 陈福荣 闸门与启闭设备 中国水利水电出版社 2003.3
[10]翟洪民.沼气池的越冬管护[J].乡村科技,2011,（01）
[11]冯纯伯．自动化技术．南京：
江苏科学技术出版社．1993
[12]LiYanWeiMiaoJiaHonghuaetal.AspenplussimulationonXuJingXiaoYongetal.ApparatusandmethodforremovingCO2andH2Sfrommarsh[14]HuangLi.Experimentstudyofbiogasupgradingtovehiclefuel[D].ZhengzhouHenanAgricultureUniversity2010.
[15]ChenXiaoyu.Sepurangreenmembranemodulesforupgradingbiogasefficiently[R].Beijing2013ChinaInternationalBio-EnergyExpo&Summit2013.
致谢
我的大学生涯即将走到尾声，在此，我向一起生活过来的同学，教导我的老师，以及所有关心过我，帮助过我的人致以衷心的感谢。
首先，我要感谢我的导师孟祥飞老师，孟老师治学态度严谨，为人谦逊大方，在对我的言传身教中给我树立了优秀的榜样。
在我的大学学习生涯中，给予了我非常多的支持和帮助，上课时面对我们的提问能够循循善诱，仔细讲解。
本论文从选题，到实验方案的制定，到论文的书写等各个阶段都得到了在孟老师的悉心指导
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