Система автоматизированного управления биогазовой установкой
BIOGAS PLANT AUTOMATED CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к биогазовым установкам и предназначено для работы в качестве автоматизированной системы управления для аналитической обработки, хранения и представления информации пользователю.
Из уровня техники известен патент SU 1695278 A1 «Система автоматического управления анаэробным сбраживанием органических отходов в установке», в котором устройство используется для автоматизации анаэробного сбраживания органических отходов. Данное устройство обеспечивает и автоматизирует получение биогаза за счет подготовки сырья, контролем за температурой во время процесса получения биогаза, а также механической обработкой при помощи перемешивания, перекачки, загрузки сырья.
Недостатком данного устройства является то, что оно имеет большие размеры и не подходит для всех вариаций биогазовых установок. Также устройство не следит за биохимическим равновесием во время процесса получения биогаза.
Известен патент RU 2667451 C1 «Роторно-пульсационное устройство», в котором устройство используется для увеличения надежности устройства за счет уменьшения количества/интенсивности остановок для ручной прочистки и уменьшения интенсивности отказов по причине поломки, увеличение ресурса уплотнения, повышения эффективности обработки.
Недостатком данного устройства является то, что оно служит для подготовки биомассы. Устройство инсталлируется на уже действующие биогазовые установки, ускоряя процесс сбраживания в реакторе и повышая выход биогаза. Оно имеет большие размеры и служит только для подготовки сырья, то есть не отвечает за полную автоматизацию установки.
Известен патент RU 2577575 C2 «Автоматизированная мембранно-абсорбционная газоразделительная система, обеспечивающая улучшение потребительских свойств биогаза», результатом которого является автоматизация процесса очистки и осушки биогаза, достижимого за счет очистки биогаза от примесей углекислого газа и осушки биогаза от водяных паров при помощи датчика влажности газовой смеси и датчика содержания диоксида углерода в газовой смеси.
Недостатком данного устройства является то, что оно имеет большие размеры и направлено на улучшение свойств уже выработанного биогаза, но не обеспечивает автоматизацию процесса его получения и контроль за показателями сырья.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является патент CN202226862U «Автоматическая система резервуаров для ферментации метана». Данное устройство предназначено для автоматического регулирования значения PH и температуры ферментации сырья, скорости и времени перемешивания, а также количества и времени подачи и выгрузки, тем самым осуществляя автоматическое управление процессом получения биогаза. Прототип включает в себя: резервуар для ферментации; термопереключатель; модуль контроля температуры; модуль управления перемешиванием; модуль контроля pH; модуль управления временем оборота материала на входе и выходе; модуль определения расхода/состава газа; модуль связи с компьютером.
Недостатком прототипа является то, его составные части, а именно резервуар с устройством для перемешивания, насосы для подачи свежего сырья, нагреватель, воздуховодное отверстие для выхода биогаза, выпускное отверстие для материалов ферментации, в совокупности являются биогазовым реактором и уже используется в биогазовых установках. Электрические модули прототипа имеют жесткую связь с биогазовой установкой, в следствие чего они не могут быть применимы отдельно на любых других биогазовых установках, поэтому рассматриваемый аналог не является мобильным и универсальным решением. Также данное устройство не обеспечивает контроль за показателем влажности сырья, что является важным показателем для повышения КПД биогазовых установок, так как сырье всегда должно оставаться влажным. Кроме того, данный прототип имеет большие габариты: от ста до десяти тысяч кубических метров, и как следствие не является компактным устройством.
Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: система автоматизированного управления биогазовой установки, содержащая устройства подачи расходных материалов в биогазовый реактор, связанные с ним: модуль управления и обработки показаний с датчиков, установленные внутри реактора датчики контроля температуры, кислотности, выхода газа.
Технической проблемой заявленного изобретения является повышение технологичности процесса получения биогаза, направленной на упрощение системы, повышение КПД биогазовой установки, а также на повышение универсальности, компактности и мобильности используемой системы.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается благодаря тому, что система автоматизированного управления биогазовой установкой содержит закрепленные внутри биогазового реактора модуль получения показаний, содержащий датчики контроля температуры, кислотности, выхода газа и влажности, модуль подачи расходных материалов, содержащий соленоидный клапан, резервуары с расходными материалами и устройство подачи расходных материалов, выполненное в виде помпы для подачи сырья в реактор. Модуль управления и обработки показаний с датчиков, работающий на основе микроконтроллера на печатной плате и имеющий дисплей, закреплен на реактор с его наружной стороны, электрически связан с каждым датчиком модуля получения показаний и с модулем подачи расходных материалов.
Сущность устройства
Техническая сущность и принцип действия предложенного изобретения поясняются следующими чертежами: на фиг. 1 отображена блок-схема системы модулей автоматизированного управления биогазовой установкой с отражением самих модулей и их взаимосвязи; на фиг. 2 показано крепление модулей на биогазовый реактор; на фиг. 3 представлен модуль управления и обработки показаний с датчиков, на фиг. 4 изображен модуль получения показаний с датчиков; на фиг. 5 изображен модуль подачи расходных материалов.
Как правило, типовая биогазовая установка содержит биогазовый реактор (емкость в которой происходит процесс образования биотоплива) с мешалкой (миксером), емкости для сырья и сбора биогаза, системы нагрева реактора и автоматики. В нашем случае комплекс оборудования биогазовой установки состоит из биогазового реактора любого известного в технике типа и собственно системы автоматизированного управления биогазовой установкой, состоящей из трех компактных электрических модулей, электрически связанных друг с другом и устанавливаемых на биогазовый реактор.
Система автоматизированного управления биогазовой установкой (фиг.1) состоит из: модуля управления и обработки показаний с датчиков поз.1, содержащего программируемый микроконтроллер поз.6, твердотельное восьмиканальное реле поз.7, дисплей поз.4, энкодер поз.5; модуля подачи расходных материалов для урегулирования показаний с датчиков поз.2, содержащего соленоидный клапан поз.8, устройство подачи расходных материалов (далее, электрическую помпу поз.9); модуля получения показаний поз.3, содержащего влагозащищенный датчик температуры поз.10, датчик газа поз.11, датчик кислотности поз.12, датчик влажности поз.13. Все модули (поз.1, 2, 3) заключены в металлические корпуса, электрически соединенные между собой проводами, изолированными гофрированными трубками. Упомянутые модули закрепляются к биогазовому реактору поз.14, как показано на фиг. 2. Модуль управления и обработки показаний с датчиков поз.1 крепится на биогазовый реактор поз.14 с внешней стороны корпуса. При помощи проводов с изоляцией модуль поз.1 электрически связан с модулем подачи расходных материалов поз.2 и модулем получения показаний с датчиков поз.3, расположенных непосредственно внутри биогазового реактора поз.14.
Модуль управления и обработки показаний с датчиков поз.1 представлен на фиг. 3. Модуль имеет металлический корпус поз.15, который крепится к реактору поз.14 при помощи элементов крепления поз.16. Внутри корпуса поз.15 расположена печатная плата, на которую крепится дисплей поз.4 для вывода на экран графиков показателей с датчиков (поз.10, 11, 12, 13) и управления установкой, энкодер поз.5, микроконтроллер поз.6, реле поз.7 с подключенными при помощи проводов клапаном поз.8 и помпой поз.9 модуля поз.2, и четырьмя аналоговыми датчиками (температуры поз.10, газа поз.11, кислотности поз.12, влажности поз.13) модуля поз.3. Дисплей поз.4 и энкодер поз.5 расположены с возможностью быстрого доступа пользователя к ним для управления и отслеживания работы модуля поз.1 (в корпусе поз.15 сделано отверстие в передней части для дисплея поз.4 и энкодера поз.5). Для соединения с модулями подачи расходных материалов поз.2 и модулем получения показаний с датчиков поз.3 используются гофрированные трубы для изоляции проводов поз.17. Вся система запитывается от модуля поз.1, имеющего интерфейс электропитания (на фиг. не показано) от 220 В и 12 В для подключения аккумуляторных батарей.
Модуль получения показаний с датчиков поз.3 представлен на фиг. 4. Модуль имеет металлический корпус поз.15, который крепится к внутренней стороне корпуса реактора поз.14 при помощи элементов крепления поз.16. Модуль поз.3 расположен непосредственно внутри биогазового реактора поз.14 и содержит датчик температуры поз.10, датчик газа поз.11, датчик кислотности поз.12, датчик влажности поз.13, и интерфейс электропитания (на фиг. не показано).
Модуль подачи расходных материалов поз.2 представлен на фиг. 5. Модуль имеет металлический корпус поз.15, который крепится к внутренней стороне корпуса реактора поз.14 при помощи элементов крепления поз.16. Модуль поз.2 расположен непосредственно в биогазовом реакторе поз.14 и содержит клапан поз.8 с отверстием поз.18, резервуары с расходными материалами (с водой, щелочным и кислотным растворами) поз.19 и помпу поз.9.
Все модули имеют крепление в виде проушин. В случае поломки или выхода из строя одного из модулей его можно легко отсоединить за счет нежесткого крепления и заменить на новый.
Описанная выше система автоматизированного управления биогазовой установкой работает следующим образом: управление осуществляется посредством дисплея поз.4 и энкодера поз.5, путем поворота энкодера и нажатием на него. На дисплее поз.4 выводятся показания с датчиков (поз.10, 11, 12, 13). На дисплее выводится интерфейс для настройки активации реле по показаниям с датчиков, а также графики изменения показателей температуры, влажности, кислотности и газа. Датчики (поз.10, 11, 12, 13) расположены в модуле получения показаний поз.3. Если уровень влажности падает ниже 60%, то датчик влажности поз.13 подает сигнал микроконтроллеру поз.6, находящемуся в модуле управления и обработки показаний поз.1, который в свою очередь подает сигнал реле поз.7 для активации помпы поз.9 и клапана поз.8, находящимися в модуле подачи расходных материалов поз.2 и добавления в резервуар реактора поз.14 воды до достижения необходимого уровня влажности. За отслеживанием уровня кислотности сырья следит датчик кислотности поз.12. Оптимальными значениями pH сырья являются параметры, находящиеся в диапазоне от 6 до 8. При выходе значений из данного диапазона датчик кислотности поз.12 подает сигнал микроконтроллеру поз.6, находящемуся в модуле управления и обработки показаний поз.1, который в свою очередь подает сигнал реле поз.7 для активации помпы поз.9 и клапана поз.8, находящимся в модуле подачи расходных материалов поз.2 и добавления в резервуар реактора поз.14 кислотного или щелочного раствора до достижения необходимого уровня кислотности. Температурный режим контролирует датчик температуры поз.10. В интерфейсе настройки системы выбирается режим работы биогазовой установки. В зависимости от выбранного режима устанавливается предельные значения температуры. Оптимальным диапазоном температур для мезофильного температурного режима сбраживания является 34 - 37°C, для термофильного 52 - 54°C, для психофильного режима 23°C. При выходе значений из данного диапазона датчик температуры поз.10 подает сигнал микроконтроллеру поз.6, находящемуся в модуле управления и обработки показаний поз.1, который в свою очередь подает сигнал нагревательному элементу (на фиг. не показан), имеющемуся в биогазовом реакторе поз.14. За отслеживание показателя выхода газа отвечает датчик газа поз.11. При снижении выработки биоагаза, датчик газа поз.11 подает сигнал микроконтроллеру поз.6, находящемуся в модуле управления и обработки показаний поз.1, который в свою очередь опрашивает и проверяет показания с датчиков влажности поз.13, кислотности поз.12 и температуры поз.10. Если полученные показатели находятся в норме, то микроконтроллер поз.6 подает сигнал нагревательному элементу, имеющемуся в биогазовом реакторе поз.14, для понижения температуры, так как в сырье могут содержаться антибиотики или иные вещества. Расходные материалы подаются в резервуар реактора поз.14 при помощи механизма взаимодействия реле поз.7, помпы поз.9 и клапана поз.8. Активация реле поз.7 происходит путем подачи управляющего сигнала от микроконтроллера поз.6. Клапан поз.7 используется для контроля подачи расходных материалов, он открывается, когда на него поступает рабочее напряжение при активации реле поз.7, и закрывается, когда прекращается подача напряжения. Помпа поз.9 используется для подачи расходных материалов в резервуар реактора поз.14, она начинает работу при подаче на нее рабочего напряжения при активации реле поз.7.
Использование заявленной системы позволяет достичь следующие технические результаты:
1. Заявленное изобретение является универсальной, самодостаточной и независимой системой, в следствие чего её можно использовать для любой разновидности биогазовых установок;
2. Использование системы решает проблему автоматизации, обеспечивающей контроль за показателями влажности, кислотности, температуры и выхода газа, обрабатываемыми в процессе получения биогаза, и упрощает её, не требуя приобретения уже автоматизированных биогазовых установок или ее отдельных составляющих;
3. Заявленная система отличается мобильностью и компактностью с возможностью простого демонтажа от биогазового ректора за счет нежесткого крепления. Общие габариты комплекса находятся в пределах одного кубического метра. Кроме того, заявленное решение не требует выделения дополнительных площадей под громоздкое оборудование аналогичных решений;
4. Система обеспечивает повышение КПД биогазовой установки за счет контроля за показателями кислотности, температуры, выхода газа, а также в отличие от прототипа за показателем влажности за счет датчика влажности, связанного с модулем управления и обработки показаний, что является важным показателем для повышения КПД, так как сырье всегда должно оставаться влажным на уровне от 60 до 70%.