基于系統(tǒng)動力學的沼氣發(fā)電工程資源供需優(yōu)化模型研究

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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