一种最大化燃沼生产系统及最大产沼优化方法

本发明属于能源管理领域，具体涉及一种最大化燃沼生产系统及最大产沼优化方法。

背景技术：

1、生物质厌氧发酵产沼气作为一种可控、可储的可再生能源利用方式，可持续发展潜力巨大。在养殖率高的地区，可供利用的粪污、秸秆等生物质资源丰富，厌氧发酵反应对保温要求高，但北部地区秋冬季节普遍温度较低，导致生物质能开发利用潜力受限。

2、申请号为200920064006x的现有技术公开一种反馈自助沼气增产装置，由燃烧系统、热交换系统、自动控制与保护系统组成，并与沼气池系统配套使用。通过燃烧沼气池产生的少量沼气所产生的热气来提高沼气池内的温度，促进微生物的活动，从而解决冬季气温低而产气不足的问题。其初步公开了通过燃烧自身产生的沼气以提升温度从而降低环境温度的变化对沼气生产系统带来的影响，但是其记载的方案过于简单，缺乏设备最大化生产的考虑，同时也没有给精细化控制的可行性方案。

3、综上，目前急需一种提高生物质能利用效率、改善能源供应模式。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足之处，提供一种最大化燃沼生产系统及最大产沼优化方法，将沼气作为能源输出，又将部分沼气作为能源使用，能够有效解决厌氧发酵产沼气在部分季节效率低的技术问题，充分考虑发酵温度对产气率的影响及二者间惯性关系，提出能助增沼气净输出产量的优化运行方式，最终得到燃沼增产的最大产沼控制系统及优化运行。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明一种最大化燃沼生产系统，包括厌氧发酵产沼系统、沼气提纯净化系统、储气柜、进出料换热系统、沼气热水锅炉保温系统以及最大产沼控制系统；其中厌氧发酵产沼系统的出口与沼气提纯净化系统的入口连接，沼气提纯净化系统通过干式储气柜与沼气热水锅炉保温系统以及出气管道连接，沼气热水锅炉保温系统通过燃烧部分干式储气柜中的沼气产生热量从而将热能传递到厌氧发酵产沼系统中辅助沼气生产；

3、其中厌氧发酵产沼系统包括发酵罐，发酵罐内部为严格密封的厌氧环境，包括筒状罐身，状罐身内侧设有用于对发酵罐内温度进行不间断监控的温度传感器，筒状罐身的顶部设有顶盖，顶盖上设有排出沼气的出气口，出气口通过气体管道a连接有净化提纯系统，净化提纯系统通过气体管道b连接有干式储气柜，干式储气柜上设有出气管道和燃烧管道，出气管道上设有沼气阀，燃烧管道上设有控制阀，干式储气柜通过燃烧管道连接沼气热水锅炉保温系统；发酵罐内设有中心搅拌器，中心搅拌器包括垂直设置在筒状罐身内的旋转轴及多层搅拌叶片，搅拌叶片进行低速地不间断搅拌，以确保发酵底料混合均匀；发酵罐内部围绕筒状罐身设有用以为内部发酵底料加热的螺旋管束，螺旋管束的进出水口之间设有厌氧发酵供热循环管，厌氧发酵供热循环管具体为设有多个节流阀的热水管道，热水管道上设有加速水流动的循环泵；

4、进出料换热系统包括换热器a，其中发酵罐侧壁下方设有用以输送发酵底料的进料管，发酵罐侧壁上方设有出料管，换热器a设置在进料管和出料管之间，换热器a利用出料管中的温度对进料管中输送的发酵底料进行预加热，利用发酵罐排出的沼液余热，对新进底料进行预热升温，减小由于进料和出料的温度差所导致的热量损失对发酵反应效率产生的影响；

5、沼气热水锅炉保温系统包括与干式储气柜管路连接的沼气热水锅炉，沼气热水锅炉的进出水口连接有换热循环管路，换热循环管路与厌氧发酵供热循环管之间设有换热器b，通过换热器b与厌氧发酵产沼系统的厌氧发酵供热循环管热力交换，气热水锅炉连接有监测与控制系统；

6、最大产沼控制系统根据当前季节特点与环境温度，以沼气净输出量最大为目标，结合储气柜的灵活裕度和安全要求，控制厌氧发酵产沼系统、沼气提纯净化系统、储气柜、沼气热水锅炉保温系统协同工作以实现单位时间中最大化的沼气生产。

7、进一步，所述换热循环管路包括与沼气热水锅炉出水口连接的水管a，以及与沼气热水锅炉回水口连接的水管b，水管a和水管b上设有节流阀；所述厌氧发酵供热循环管上根据需要同样设有多个节流阀。

8、进一步，发酵罐的筒状罐身侧壁由外到内包括外部支撑钢板层、中心的保温层和内部防腐层。

9、一种最大化燃沼生产系统的最大产沼优化方法，步骤为：

10、以自然状态下运行的沼气生产系统为基础，视其为自然发酵下的冷机状态运行，通过进出料温度和环境的温度调整发酵温度；采用冷机启动的加热过程，利用沼气热水锅炉对发酵罐启动升温，使发酵罐内发酵温度提升；沼气热水锅炉的燃烧量取决于监测与控制系统经过计算所下达的的指令：

11、当沼气热水锅炉接到监测与控制系统发送的工作指令之后，沼气热水锅炉燃烧干式储气柜中沼气烧水，打开进出口的节流阀，热水通过水管a流入换热循环管路，经过换热器b的工作把热量传递到厌氧发酵供热循环管道侧；厌氧发酵供热循环管中的热水在循环泵的压力作用之下，流入到螺旋管束；

12、螺旋管束盘绕于发酵罐之内，通过螺旋管束与发酵底料的接触完成传热过程，对发酵底料起到加热增温的作用；换热后的水再通过水管b回流到沼气热水锅炉内继续加热，以便后续进行循环。

13、进一步，结合所述产沼装置的工艺流程，对燃沼增产的最大产沼控制系统各环节建立数学模型，具体包括厌氧发酵产沼系统模型、发酵罐传热模型、沼气净化与存储模型、沼气热水锅炉保温系统模型、沼气消耗与增产模型；适用于对发酵罐热量散失、沼气热水锅炉燃烧产热量、发酵温度波动进行精确的计算：用于对发酵罐热量散失、沼气热水锅炉燃烧产热量、发酵温度波动等进行精确计算；

14、发酵罐内发酵底料的发酵温度与热量损耗在任何时刻满足如下关系：

15、

16、

17、式中，为用于发酵罐增温的热量；为t时刻发酵罐总体热损耗；为(t-1)时刻的发酵温度；cbio为物料的比热容；为发酵底料总质量；r为总热阻值折算值，单位为℃/mj；为进料热量损耗；

18、引入沼气热水锅炉保温系统对发酵罐进行加热实现增产后，发酵罐的温度变化表示如下：

19、

20、式中，ηb为沼气热水锅炉效率；lhvb为沼气的热值；为沼气锅炉燃沼消耗量；为启停变量为空气温度；为进料温度；为进出料换热器换热效率；为t时刻进入发酵罐的发酵底料质量；

21、针对厌氧发酵产沼系统构建厌氧发酵产沼模型，利用厌氧发酵产沼模型计算沼气产量，由于氧发酵产沼模型非凸，必须在求解阶段对产沼率进行分段线性化，将温度段分别为15～17℃、17～19℃、19～21℃、21～25℃、25～29℃、29～34℃、34～40℃七个温度段，分段拟合r值大于0.995，说明拟合效果能准确反映产沼率；

22、七个温度段产沼与温度的关系如下：

23、

24、式中，hn、bn为分段拟合系数

25、进一步，实施环境选择为温带大陆性气候城市，季节为气温过渡季节，该地区过渡季节的环境温度特点为日平均温度波动大，且气温波动范围为10-20℃，处于厌氧发酵效果较差的温度范围；

26、发酵罐的容积越大，加入的发酵底料的质量越大，从而呈现出大惯性特点，升温过程慢；在正常运行过程中，发酵罐经过升温启动阶段，待发酵罐内温度与原始运行方式的发酵温度形成稳定的差值时，从而稳定地增加沼气产量。

27、进一步，以两个水力停留时间2*hrt的累计沼气净输出量最大为目标进行优化；将第一个水力停留时间t∈[2,hrt]规定为升温阶段，此阶段使沼气热水锅炉工作；将第二个水力停留时间t∈[hrt+1,2*hrt]规定为恒温阶段，恒温阶段有利于发酵反应稳定进行，且温度稳定在高于原始场景的位置，上述策略可表述为如下运行约束：

28、

29、

30、

31、

32、式中，为最低运行温度，中温发酵最高运行温度；为沼气工程允许的最大温度波动；为恒温阶段温度波动限定值，hrt为水力停留时间的天数。

33、进一步，由于储气柜的容量有限，同时为了给沼气热水锅炉保温系统提供重组的燃料，因此必须保存部分沼气，为发挥储气柜的灵活裕度的同时保障安全性，约束条件如下：

34、

35、

36、

37、

38、

39、式中，为储气柜的进气量，即成熟沼气的总产量；为沼气总输出量；为沼气净输出量；为每日最大燃烧沼气量；为单位时间沼气最大输送量；分别为储气柜最小、最大储气量限制。

40、进一步，计算净产沼总量如下：

41、

42、c1、c2是与比热容、底料质量相关的常数项，计算方法如下：

43、

44、以出气管道净输出沼气总量最大为目标，对每天的平均发酵温度以及沼气产量进行优化，运行优化目标函数表示如下：

45、

46、式中，为t时刻沼气净输出量；为储气柜的进气量，即成熟沼气的总产量；为在t时刻沼气总输出量；

47、由于上述公式均为非凸模型，结合分段线性化方法转化成易于求解的混合整数线性规划问题milp，输入matlab仿真软件调用gurobi求解器进行求解，求解所得结果包含每个运行日的燃烧沼气量、发酵温度预测值、净产沼总量预测值以及储气柜的进气、释放量预测值。

48、进一步，使用监测与控制系统测量发酵罐中的发酵温度、环境温度，同时控制沼气热水锅炉运行，采用模糊pid控制方法实时控制，以公式求解所得发酵温度结果作为运行时每个时段的温度控制目标，以求解所得燃烧沼气量作为指令值，监测与控制系统下达控制指令使沼气热水锅炉保温系统启动，完成对于发酵罐热量的供应，确保运行温度在有效时间内达到目标温度值，实现最大产沼。

49、有益效果

50、本发明能够从生物质能利用的源侧出发，有效提升生物质能源的利用率，增大有限生物质底料的产沼量；生物质能本身是一种清洁能源，其用于发电、供热对环境不会产生额外的碳排放，而发酵温度对于生物质厌氧发酵产沼的效果影响巨大，所述的升温方法是借助自身的部分沼气，不会引入额外的碳排放量，而多产的沼气也是清洁能源，可以给用户带来降碳效果，所以本发明所采用的是一种简洁而低碳的升温增产方法；本方法运用于秋冬季节，可以有效延长沼气工程的年运行小时数，使得低温季节也能保持一定的发酵温度，进一步增加产量；将原本沼气产量被动受制于空气温度的状况，转变为能够对温度和产量进行测控，不仅提高了沼气的产量，还使得极端情况下具有一定紧急升温手段，提高运行的稳定性。