張彩慶++臧鵬飛
摘要:資源優(yōu)化是沼氣發(fā)電工程建設中的一個重要課題,對于解決沼氣發(fā)電工程中資源供需不對稱問題、使資源得到充分利用,以及保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要意義。本研究充分考慮沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行系統(tǒng)中發(fā)酵原料、沼肥、沼氣等的供需情況,提出了基于系統(tǒng)動力學方法的沼氣發(fā)電工程資源供需模型。該模型包括狀態(tài)變量,如人口總數(shù)和各類禽畜總數(shù)等,每個狀態(tài)變量兩側(cè)都有1個速率變量,還包括發(fā)酵原料、沼肥、沼氣等供需有關的常量或輔助變量。然后,在原有模型的基礎上通過修改或增加某些變量,構造出了沼氣發(fā)電工程資源供需優(yōu)化模型。最后,通過1個具體案例,證明該模型是解決沼氣發(fā)電工程資源優(yōu)化問題的一種實用方法。
關鍵詞:沼氣發(fā)電工程;系統(tǒng)動力學;資源供需;優(yōu)化模型
中圖分類號: S216.4文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2015)11-0478-05
收稿日期:2015-05-14
基金項目:國家自然科學基金 (編號:71201057)。
作者簡介:張彩慶(1964—),男,河北保定人,博士,教授,研究方向為技術經(jīng)濟及管理、電力市場等。E-mail:hdzhangcaiqing@126.com。
通信作者:臧鵬飛,碩士研究生,研究方向為物流工程。E-mail:291996671@qq.com。 能源短缺和環(huán)境污染是我國農(nóng)村亟待解決的兩大難題,而沼氣發(fā)電工程是解決這些問題的有力措施。在農(nóng)村發(fā)展沼氣不僅能開發(fā)新能源、讓農(nóng)民用上清潔綠色能源、節(jié)約農(nóng)民生活用能成本,而且也可以充分利用禽畜糞便、保護生態(tài)環(huán)境。此外,沼肥也可以作為農(nóng)村耕地的肥料,節(jié)約農(nóng)民生產(chǎn)成本。但是,很多沼氣發(fā)電工程由于在興建之前沒有對沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)進行規(guī)劃與分析,導致沼氣發(fā)電工程在生產(chǎn)運行時出現(xiàn)了資源供需不配套等問題,不僅造成了資源浪費,而且造成生態(tài)環(huán)境污染。因此,依據(jù)發(fā)酵原料、沼肥及沼氣的供需情況,確定沼氣發(fā)電工程的規(guī)模大小和合理安排沼氣生產(chǎn),使各種資源充分合理利用,是沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行中首要解決的問題。
近年來,我國對沼氣發(fā)電工程的研究工作越來越重視,學者們從不同方面對沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行了討論。如張無敵等分析了農(nóng)村沼氣和商品化沼氣池的發(fā)展情況,對促進沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了一些建議[1]。張佰明闡述了沼氣發(fā)電工程在現(xiàn)代生態(tài)建設中的6大功能、沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路、沼氣產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展模式等,最后提出以基地示范效應促進沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。
國內(nèi)外關于系統(tǒng)動力學應用和沼氣發(fā)電工程運行中供需平衡問題的研究較少。Andrews首次提出了厭氧消化系統(tǒng)的動態(tài)抑制結構模型[3],其他一些研究人員先后對該模型進行了修正和補充[4-6]。王凱軍等結合黑箱模型和結構模型,提出了對厭氧動力學進行模擬的系統(tǒng)動力學方法[7]。顧樹華等采用系統(tǒng)動力學模型對沼氣發(fā)展的綜合效益進行了分析,并以1個具體案例說明了系統(tǒng)動力學能幫助我們更好地認識沼氣建設的效益,并為制定發(fā)展政策提供很好的參考[8]。歐陽彪先對沼氣運行狀態(tài)進行分析,然后用線性規(guī)劃模型分析了沼氣的供需模型并對原料及能源供需進行了優(yōu)化[9]。王麗麗等應用系統(tǒng)動力學和有限元熱平衡分析方法,針對黑龍江省某大型沼氣發(fā)電工程,研究其能量供需平衡情況,并確定工程實際運行過程中的一些關鍵參數(shù)[10]。
一般沼氣發(fā)電工程由政府投資建設,禽畜糞便等是沼氣發(fā)電工程主要的發(fā)酵原料,其產(chǎn)生的沼氣用于農(nóng)戶的炊事和取暖用氣或供溫室大棚用氣,沼液、沼渣可用作肥料。如剩余沼氣特別多,可以考慮利用沼氣發(fā)電等。沼氣發(fā)電工程的生產(chǎn)系統(tǒng)相當復雜,需要考慮發(fā)酵原料、沼肥等的供需平衡問題,以免造成資源浪費和環(huán)境污染,所以需要對這個系統(tǒng)的資源供需進行優(yōu)化研究。本研究對沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行系統(tǒng)的資源供需優(yōu)化問題進行研究,以實現(xiàn)各種資源的合理利用,充分發(fā)揮沼氣發(fā)電工程在解決農(nóng)村能源問題和環(huán)境保護中的作用。
1模型
1.1沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行系統(tǒng)
沼氣發(fā)電工程一般都是由政府投資建設,通常都興建在養(yǎng)殖場等發(fā)酵原料充沛的地方。沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行系統(tǒng)由前處理工程、生產(chǎn)工程、后處理工程組成。前處理工程包括發(fā)酵原料運輸、濃度調(diào)節(jié)等,生產(chǎn)工程包括保溫、原料攪拌等,后處理工程包括沼氣的凈化、管道運輸以及沼肥的利用等。發(fā)酵原料主要是禽畜糞便等,凈化的沼氣供農(nóng)戶們炊事供暖使用,沼液沼渣等沼肥返入耕地作為肥料[11-12]。依據(jù)發(fā)酵原料和農(nóng)戶對沼氣的需求量來確定沼氣發(fā)電工程的規(guī)模。其因果關系如下:(1)有關沼氣供給的因果關系:發(fā)酵原料→沼氣發(fā)電工程的規(guī)?!?沼氣量→可供的農(nóng)戶數(shù);(2)有關沼氣需求的因果關系:農(nóng)戶數(shù)→沼氣的需求量→沼氣發(fā)電工程規(guī)模→發(fā)酵原料需求量。
1.2系統(tǒng)動力學
系統(tǒng)動力學[13-16]是對系統(tǒng)進行分析及實現(xiàn)計算機模擬仿真的有效方法,在許多領域都發(fā)揮了重要作用。它以控制論為基礎,對系統(tǒng)中的各個因素進行因果關系分析,根據(jù)信息反饋原理,描述整個系統(tǒng)的運行情況。根據(jù)系統(tǒng)因果關系建立隨時間變化的動態(tài)模擬仿真模型,在進行仿真過程中,可以改變模型中的一些變量來優(yōu)化運行系統(tǒng),從而提供更好的結果,作出更好的決策。
1.3沼氣發(fā)電工程資源供需模型
1.3.1基本假設本研究應用VENSIM 軟件建立沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行系統(tǒng)資源供需的系統(tǒng)動力學模型,各個變量的參數(shù)基本依據(jù)原始的模型設定,通過修改原來模型的數(shù)據(jù)或增加某些變量,對原始模型進行優(yōu)化,使沼氣發(fā)電工程的資源供需狀況得到更好的改善。特做如下假設:
(1)農(nóng)村的沼氣發(fā)電工程能夠在其整個壽命周期內(nèi)持續(xù)運行,其生產(chǎn)能力處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)[17];
(2)農(nóng)戶人口及飼養(yǎng)禽畜的數(shù)量不會出現(xiàn)大幅增減的狀況;
(3)剩余的禽畜糞便和產(chǎn)生的沼肥都被用作改良耕地的肥料[18-19]。
1.3.2模型構建沼氣發(fā)電工程資源供需系統(tǒng)動力學模型見圖1。
1.3.3建立仿真方程式
1.3.4沼氣發(fā)電工程資源供需優(yōu)化模型基于上述沼氣發(fā)電工程資源供需的系統(tǒng)動力學模型,要使沼氣發(fā)電工程的資源供需狀況得到更好的改善,我們需要修改或增加模型中的一些變量,以對其進行優(yōu)化。如農(nóng)村沼氣發(fā)電工程[20-21]產(chǎn)生的沼氣不僅能滿足計劃供氣的農(nóng)戶需求,還有很多剩余,則可以考慮其他用途,比如給更多的農(nóng)戶供應沼氣,也可以考慮建溫室大棚;同時,沼氣發(fā)電工程產(chǎn)生的沼肥可首先要滿足農(nóng)業(yè)耕地對肥料的需求和其他用途比如溫室大棚對它的需求,剩下的沼肥可以用來生產(chǎn)商品顆粒有機肥。假如沼氣發(fā)電工程的規(guī)模很大,生產(chǎn)的沼氣除了滿足農(nóng)戶和溫室大棚的需求外,剩余的沼氣可以用來發(fā)電(圖2)。
改變的仿真方程式:
2具體算例
2.1河北某沼氣發(fā)電工程簡介
河北省某沼氣發(fā)電工程被計劃興建于某村,沼氣發(fā)電工程規(guī)模暫定為1 000 m3,并在2015年正式投產(chǎn)。該工程以禽畜糞便為發(fā)酵原料,產(chǎn)生的沼氣為農(nóng)戶提供炊事和取暖用能,而且產(chǎn)生的沼肥還可被用作改良耕地的肥料。該村有 892 戶,3 618 口人,耕地面積1 058.933 hm2,主要以生產(chǎn)豬為主導產(chǎn)業(yè)。目前,豬飼養(yǎng)量 18 000頭。日處理鮮豬糞 345 t,年產(chǎn)沼氣可達35.2 萬m3,依托該工程,能夠為600戶農(nóng)戶提供沼氣。
2.2模型
依據(jù)河北某沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行的實際資源供需關系,以沼氣需求總量、施肥耕地需求量、豬糞和沼肥的供需差、沼氣發(fā)電工程規(guī)模等變量為主要研究對象,沼氣發(fā)電工程資源供需動力學模型見圖3。
2.3模型模擬及結果分析
依據(jù)河北某村的人口及豬的數(shù)量變化和有關沼氣發(fā)電工程的生產(chǎn)運行參數(shù),查找其他沼氣發(fā)電工程相關數(shù)據(jù)并經(jīng)過檢驗后,確定了上述模型是有效的。模型包含很多變量,主要變量的初值如下:總?cè)丝跀?shù)的初值是2 343,豬的總數(shù)的初值是18 000,設定此模型的模擬時間為16年,時間步長為 1。在模型模擬仿真運行中,主要考察沼氣需求總量、施肥耕地需求量、豬糞和沼肥的供需差、沼氣發(fā)電工程規(guī)模等變量(表1)。主要變量的初值如下:
從表1能夠看出,沼氣需求總量、沼氣發(fā)電工程規(guī)模、豬糞總產(chǎn)量、用戶數(shù)量、施肥耕地需求量、豬糞的供需差都隨時間變化呈上升趨勢。依據(jù)人口出生率及死亡率,600 戶農(nóng)戶在未來16 年將會增加到628 戶,沼氣需求總量每年達 23.71萬~24.78 萬 m3,計劃興建的1 000 m3沼氣發(fā)電工程可以滿足600戶農(nóng)戶未來 16 年對沼氣的需求,并且每年還能剩余10.42萬~11.49 萬m3的沼氣。對于此問題,可以考慮增加沼氣供氣的農(nóng)戶數(shù),以便能夠充分利用沼氣。該村豬糞產(chǎn)量每年達 12.6萬~17.59萬 t,它主要被用作沼氣發(fā)電工程的發(fā)酵原料,而且每年還剩余11.98萬~16.95 萬 t 。沼氣生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的沼液、沼渣等沼肥,假如要把所有剩下的沼肥和糞肥利用掉,那么就需要2 320~3 267 hm2的農(nóng)業(yè)耕地,但是這比現(xiàn)有的耕地面積要多許多,這說明該村的沼氣發(fā)電工程雖然可以獲得一定的效益,可是還存在著許多的問題,比如資源浪費及環(huán)境污染等。
2.4優(yōu)化分析
根據(jù)上述系統(tǒng)動力學模型的模擬分析,河北某沼氣發(fā)電工程不但要增加其生產(chǎn)規(guī)模,而且要改善它的生產(chǎn)運行模式,才能解決該村存在的浪費及污染問題。
現(xiàn)在假定該沼氣發(fā)電工程產(chǎn)生的沼氣能夠滿足該村892戶人口的炊事和取暖用能,產(chǎn)生的豬糞大都被用作沼氣發(fā)電工程的發(fā)酵原料,剩下的豬糞全部用作農(nóng)業(yè)耕地肥料,產(chǎn)生的沼肥先滿足該村耕地所需肥料,剩余的經(jīng)過后續(xù)加工處理生產(chǎn)成商品顆粒有機肥(圖4)。該村的施肥耕地面積是1 058.933 hm2,設定生產(chǎn)顆粒有機肥比例為 0.125[22](表2)。
沼氣需求總量、沼氣發(fā)電工程規(guī)模、沼肥供需差及顆粒有機肥總產(chǎn)量都隨時間變化呈上升趨勢。沼氣發(fā)電工程規(guī)模只有達到 992~1 038 m3才能為全村農(nóng)戶提供集中供氣。該村892戶農(nóng)戶在未來16年每年沼氣需求總量34.92萬~36.57萬 m3。沼氣發(fā)電工程產(chǎn)生的沼肥先被用作耕地肥料,剩余的6.40萬~11.37萬t每年可以生產(chǎn) 8 002.19~14 208.3 t 商品顆粒有機肥(表2)。通過上述分析,優(yōu)化后的沼氣發(fā)電工程不僅能為全村農(nóng)戶提供清潔的炊事和取暖用氣,還可以利用剩余的沼肥生產(chǎn)出商品顆粒有機肥,為該村帶來了巨大的效益:一方面解決了該村的資源浪費和環(huán)境污染問題,另一方面滿足了該村的能源需求問題。此外,生產(chǎn)的顆粒有機肥也增加了該村的經(jīng)濟收益。目前,該村已將有機肥生產(chǎn)項目列入沼氣發(fā)電工程配套項目。
3總結
本研究對沼氣發(fā)電工程的生產(chǎn)運行系統(tǒng)資源供需與優(yōu)化進行了分析,應用系統(tǒng)動力學方法,建立了沼氣發(fā)電工程資源供需模型。通過改變模型中的發(fā)酵原料、沼肥、沼氣等變量對沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運行系統(tǒng)進行了優(yōu)化,建立了資源供需優(yōu)化模型,實現(xiàn)了沼氣發(fā)電工程資源平衡,為沼氣發(fā)電工程建設提供理論依據(jù)。此外,將該模型應用于河北省某沼氣發(fā)電工程項目的資源優(yōu)化,證明了該方法的可行性和有效性。
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