沼气是一种可持续、可再生的清洁生物质能源，经过一定的处理，既可替代煤炭、天然气等商品能源，又可替代薪柴、秸秆等传统生物质能源，而且沼气的能源效率非常高。中国在小型沼气
技术方面，走在了世界的前列，但在大型沼气
工程技术方面，与国外发达国家还有很大的差距。需要在了解和掌握发达国家先进沼气技术的基础上，重点开发多种原料的预处理、特殊物料和混合物料高效厌氧消化、干法厌氧消化、反应器内外生物脱硫、沼气分离提纯、微量元素添加等技术。先进可靠的装备是沼气产业发展的重要硬件保障。
针对现有沼气生产设备存在的问题，在对现有
工艺进行优化的基础上，研发与
工艺配套的标准化、成套化、系列化（“三化”）设备是非常必要和紧迫的。通过标准化，实现关键设备的标准化
设计和标准化制造，保证设备的
设计和制造质量，以及设备的通用性、普适性和稳定可靠性；通过设备成套化，实现整个工艺流程中各设备的系统匹配和优化组合；通过设备系列化，满足不同规模大小的需要。开发沼气设备标准化设计软件和建立标准化设计平台，为“三化”提供技术支撑。
现阶段对沼气进行工程收集灌装，将是扩大生产应用的重要途径。本文首先分析了沼气工程收集灌装的工艺，明确了
控制要求，确定采用 PLC 对工艺过程及初级压缩机和高级压缩机的电机进行
控制，完成了控制设计。
1 沼气灌装工艺分析
本次的设计是基于日产沼气 5 000 m3的广西某畜禽场沼气工程，附带有低压湿式储
气柜。产气情况：夏天，5000m3；冬天，3000m3。假定本次沼气灌装设备的工作时间为夏天，每天的运行时间为 10 小时，每小时的处理气量约为 500m3。低压湿式储
气柜：容积：2500m3，
气柜严格密封，压力为4000 Pa。
1.1 沼气的罐装方式
沼气的主要成分和天然气相同，其灌装形式可以借鉴天然气的相关处理技术。沼气灌装的主要形式有三种：气态压缩储存、低温液化储存、溶剂吸收储存。
根据工艺设计原则，确定了沼气净化的主要步骤为“三脱 "(即脱水、脱硫、脱碳)。并结合沼气工程产气特点，优化了净化流程。分析了沼气净化后的灌装工艺，对低温液化、溶剂吸收、高压气态灌装三种方式进行了筛选。根据各种方式的优劣情况，采用高压压缩装瓶的方式，并确定了最终工艺流程方案。气态灌装工艺图如图 1 所示。
净化后的沼气通过加压后，密度增大、体积缩小而成为压缩气体。沼气体积的缩小和它所承受的压力有一定的关系。对沼气所施加的压力越大，则体积被压缩得越小。因此，压缩沼气灌装的压力一般要达到 20 MPa 以上。这种方案的优点是工艺简单，方便管理。考虑到压缩天然气的成熟技术案例，本次灌装研究采用气态压缩灌装法设计。
1.2 气瓶装置
气瓶是一种移动式压力容器，与固定式压力容器相比，其结构和使用场合有特殊的要求。一般将用于充装所规定的压缩气体、液化气体或溶解气体的瓶形，桶形、葫芦形及球形等型式的移动压力容器，称之为气瓶。公称工作压力 8~30 MPa 为高压气瓶，公称工作压力 1~5 MPa 为低压气瓶。本次设计选择塑料内胆复合材料全缠绕 CNGM 型瓶，公称压力为20 MPa，属于高压气瓶。该气瓶具有质量轻、耐腐蚀、抗疲劳等特点，与其他钢制气瓶相比具有其独特的优势。
塑料内胆复合材料全缠绕 CNG-4 型气瓶，是由内胆、纤维增强层、外保护层等组成，其主要附件包括瓶阀、瓶帽、安全泄压装置和防振圈等。内胆材料为聚乙烯塑料，它在气瓶中不承受载荷，只起气密和缠绕作用；纤维增强层是气瓶中最重要的部分，它承担了气瓶的全部载荷，直接决定了气瓶的强度。纤维增强层是由连续的玻璃纤维，以铺层工艺缠绕在内胆上，经由固化处理，形成的复合材料层。气瓶的安全附件是气瓶安全使用的保障装置，也是气瓶的重要组成部分,如图 2 所示。
2 沼气灌装控制要求分析
根据控制要求绘制一个沼气灌装控制模拟图，从而更好地展示控制过程。沼气收集灌装控制的模拟图如图 3 所示。
2.1 高压压缩机控制要求
当吸气压力超限、末级压力超压、润滑油欠压、冷却水欠压及电机过载时，压缩机将自动停机。控制系统功能配置如下：
（1）主电机控制：主电机为隔爆型三相异步电动机。
（2）控制柜：实时显示系统现场各压力值，故障报警并弹出故障信息。
（3）系统吸气压力、末级排气压力、润滑油压力、冷却水压力采用高灵敏的防爆压力变送器进行参数、采集，并转化为可靠的控制电流信号，可进行远程监控操作。
2.2 初级压缩机控制要求
压缩机设计独立的 PLC 控制电控箱（不防爆，隔离安装），当吸气压力超限、末级压力超压、润滑油欠压、冷却水欠压及电机过载时，压缩机自动停机。控制系统功能配置如下：
（1）主电机控制：主电机为隔爆型三相异步电动机。
（2）控制柜：实时显示系统现场各压力值，故障报警并弹出故障信息。
（3）系统吸气压力、末级排气压力、润滑油压力、冷却水压力采用高灵敏的防爆压力变送器进行参数采集，并转化为可靠的控制电流信号，可进行远程监控操作。
3 控制设计
根据压缩机多通道、多开关控制的特点，本文选择松下 PLC 控制器 AFPX-C14T，是一款值得信赖，性价比极高的新产品。一台控制单元最多可连续扩展 3 台 FPX 的扩展单元，如果想进一步扩展的话，还可利用 FP0 扩展单元进行扩展。
3.1 PLC 的硬件组成及其功能
CPU：PLC 的核心部件，主要用于接收并存储从编程器输入的用户程序，检查编程过程是否出错；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。
系统程序存储器：存放 PLC 的梯形图和指令语句的编译指令程序、自诊断程序、数据区管理程序、编程器管理通信程序、输入扫描程序和输出驱动程序等系统程序。这些程序在 PLC 出厂前已固化到只读存储器 ROM 中。
输入 / 输出单元：输入 / 输出单元通常也称 I/O单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场之间的连接部件。其基本原理电路如图 4 所示。
3.2 压缩机的控制电路原理图
利用接触器的触头组件来闭合和分断电路，从而能够实现多条件控制电机停止转动，使其在电机欠压火过载等情况下安全停机。电机控制原理图如图 5 所示。
3.3 压力变送器
压力变送器是一种接受压力变量, 经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。变送器的输出信号传输到中控室进行压力指示、记录或控制。一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如 4~20 mADC 等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。本文通过压力变送器将沼气压力信号转变为电信号传给PLC，PLC 接收并处理电信号从而控制接触器得电与否，进而控制电机的关闭。压力变送器与 PLC 工作原理图如图 6 所示
3.4 沼气干燥器
沼气净化压缩之后，在灌装之前采用高压干燥器来进行深度脱水。分子筛干燥器是利用变压吸附的原理，除去经过高压净化处理后的沼气中所含的油雾水分，并进行深度干燥，从而使沼气的纯度达到98％以上。装置是由两只干燥吸附塔和一只油水分离器组成，组装在支撑架上，内部装填 3A 型分子筛。
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