沼氣原料收儲(chǔ)運(yùn)體系優(yōu)化研究進(jìn)展及其影響因素分析

成瀟偉 朱洪光 吉進(jìn)

摘要 結(jié)合調(diào)研結(jié)果分析了當(dāng)前我國(guó)沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困境，建議構(gòu)建并優(yōu)化沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的原料收儲(chǔ)運(yùn)體系，并對(duì)其中涉及的站點(diǎn)選址布局和運(yùn)輸路徑的優(yōu)化問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行概述分析，提出原料收儲(chǔ)運(yùn)體系的優(yōu)化思路，并分析了原料可供給性的影響因素。

關(guān)鍵詞 沼氣；生物天然氣；原料可供給性；路徑優(yōu)化；站點(diǎn)選址布局

中圖分類號(hào) S216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）25-0077-03

Abstract The dilemma of the development of biogas and bionatural gas industry in China was analyzed. It was suggested to construct and optimize the raw material storage and transportation system of biogas and bionatural gas industry. And the optimization problem which involved the site location and transportation route was analyzed. The optimization ideas of the raw material storage and transportation system were put forward， the influencing factors of the availability of raw materials were analyzed.

Key words Biogas；Bionatural gas；Raw material availability；Path optimization；Site location layout

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)前進(jìn)的首要因素，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要以較高的能源消耗為代價(jià)，當(dāng)前化石能源的大量使用導(dǎo)致“能源危機(jī)”、環(huán)境污染和氣候變化等問(wèn)題日益突出[1]。因此，大力開(kāi)發(fā)利用可再生能源和新能源，是應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題和保證經(jīng)濟(jì)快速可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

沼氣是以有機(jī)廢棄物為原料，通過(guò)厭氧消化所獲得的一種可再生能源[2]。我國(guó)沼氣工程的發(fā)展開(kāi)始于20世紀(jì)30年代，截至2014年底我國(guó)有各類農(nóng)業(yè)廢棄物處理沼氣工程102 693處，各類大型沼氣工程8 997處。2003—2014年國(guó)家投資近400億，助力農(nóng)業(yè)領(lǐng)域沼氣工程發(fā)展。由此可見(jiàn)，國(guó)家大力支持沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)前景廣闊[3]。

目前，盲目建工程、原料供應(yīng)不足、“三沼”難以得到合理的利用均嚴(yán)重限制了沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，迫切需要構(gòu)建一套能夠長(zhǎng)期高效運(yùn)行的沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。而原料的收儲(chǔ)運(yùn)作為沼氣工程運(yùn)行的基本保障，直接影響了后續(xù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，科學(xué)合理的原料收儲(chǔ)運(yùn)體系構(gòu)建可以規(guī)避當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展所遇到的多數(shù)困境，但是相關(guān)的優(yōu)化方法在沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)中幾乎很少應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)區(qū)域沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的成功發(fā)展也鮮有報(bào)道，因此在整個(gè)沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，有必要對(duì)其原料的收儲(chǔ)運(yùn)體系優(yōu)化方法進(jìn)行深入研究。筆者從我國(guó)沼氣發(fā)展的困境出發(fā)，提出需要對(duì)沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)原料收儲(chǔ)運(yùn)體系進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其涉及的站點(diǎn)選址布局優(yōu)化和運(yùn)輸路徑優(yōu)化的國(guó)外內(nèi)研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，并分析了原料收儲(chǔ)運(yùn)體系中原料可供給性的影響因素。

1 我國(guó)沼氣發(fā)展的困境

2016年5—6月農(nóng)業(yè)部組織專家在全國(guó)開(kāi)展農(nóng)村沼氣調(diào)研，認(rèn)為當(dāng)前我國(guó)沼氣工程需求快速增長(zhǎng)，但閑置現(xiàn)象嚴(yán)重，整體運(yùn)行效果不佳。具體表現(xiàn)為多數(shù)虧損嚴(yán)重，運(yùn)行效率低，部分地方僅有40%～50%的沼氣工程能夠正常運(yùn)行；部分沼氣工程建設(shè)與運(yùn)行脫節(jié)，不少工程存在偷工減料、施工質(zhì)量差等問(wèn)題，導(dǎo)致建成后難以運(yùn)行；沼渣沼液尚未得到有效利用，工程效益不高，甚至造成二次污染。造成以上問(wèn)題的原因主要有沼氣功能定位未能隨著需求變化而調(diào)整；沼氣工程支持政策單一，僅有建設(shè)投資補(bǔ)助缺少沼氣沼肥等產(chǎn)品后端補(bǔ)貼政策；忽視全程服務(wù)管理，未重視原料收儲(chǔ)運(yùn)和“三沼”產(chǎn)品利用市場(chǎng)；法規(guī)及政策落實(shí)不到位。

當(dāng)前沼氣發(fā)展的困境使得生物天然氣作為一種清潔的可再生能源難以得到很好的應(yīng)用，難以形成一個(gè)完善的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可持續(xù)發(fā)展，整體表現(xiàn)為基礎(chǔ)薄弱、規(guī)模散小的特征。區(qū)域內(nèi)沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該包括產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、工程興建、工程與產(chǎn)業(yè)管理、產(chǎn)品高附加值利用與開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品銷售與售后等方面。目前各大高校與科研機(jī)構(gòu)對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程、加溫保溫以及“三沼”的利用均有較深入的研究，許多技術(shù)難題先后被克服，沼氣工程的產(chǎn)氣效率得到很大提升。然而，產(chǎn)業(yè)依舊發(fā)展不理想，除了上述原因外，更主要的還在于新建沼氣工程之前，未進(jìn)行合理的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，盲目建池、建工程，導(dǎo)致大多數(shù)工程在投入使用后出現(xiàn)各種問(wèn)題，最終被荒廢，或者是區(qū)域內(nèi)工程無(wú)法聯(lián)動(dòng)，所產(chǎn)資源難以得到有效利用與調(diào)度，導(dǎo)致資源被浪費(fèi)甚至?xí)?duì)環(huán)境造成二次污染。

規(guī)劃與設(shè)計(jì)是沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，作為前行的第1步，如果未進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，后續(xù)進(jìn)程會(huì)受到限制，難以得到良好的發(fā)展，更難以形成區(qū)域內(nèi)的沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)。一套系統(tǒng)、科學(xué)的沼氣與生物天然氣規(guī)劃應(yīng)當(dāng)包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的選擇，發(fā)展影響因素的確定，產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的分析，原料分布及產(chǎn)能潛力分析，站點(diǎn)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)備規(guī)劃，產(chǎn)品利用與高附加值開(kāi)發(fā)，相關(guān)安全措施及應(yīng)急方案，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與投資估算、效益分析、實(shí)施方案等內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)各地在發(fā)展沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)時(shí)幾乎沒(méi)有較系統(tǒng)的規(guī)劃，整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢、散亂。

2014年，國(guó)家發(fā)改委和農(nóng)業(yè)部提出把農(nóng)村沼氣作為國(guó)家能源戰(zhàn)略和新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，推動(dòng)農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)。2015年發(fā)布的《2015年農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)工作方案》要求沼氣工程在具有公益性的同時(shí)，也要具有一定的經(jīng)營(yíng)性，向綜合利用、規(guī)模發(fā)展、多種模式、重視效益的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。要想實(shí)現(xiàn)沼氣工程的順利轉(zhuǎn)型升級(jí)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃必不可少，而原料的可靠供給直接關(guān)系沼氣工程能否運(yùn)行，因此在發(fā)展區(qū)域沼氣與生物天然氣時(shí)，原料收儲(chǔ)運(yùn)體系的構(gòu)建與優(yōu)化是極為重要的一步，這其中主要涉及的優(yōu)化問(wèn)題有工程站點(diǎn)及原料收集轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的選址布局優(yōu)化和原料的運(yùn)輸路徑優(yōu)化。關(guān)于沼氣與生物天然氣領(lǐng)域這類問(wèn)題的研究鮮有報(bào)道，但是在進(jìn)行原料收儲(chǔ)運(yùn)體系優(yōu)化研究時(shí)，可借鑒相關(guān)優(yōu)化方法在果蔬、冷鏈、物流等領(lǐng)域的應(yīng)用與研究。

2 原料收儲(chǔ)運(yùn)體系優(yōu)化相關(guān)研究進(jìn)展

2.1 站點(diǎn)選址布局優(yōu)化

在站點(diǎn)選址布局優(yōu)化方面，Hhn等[4]基于GIS的方法，在考慮現(xiàn)有道路網(wǎng)絡(luò)和空間變化的運(yùn)輸優(yōu)化后，通過(guò)計(jì)算核密度（KD）圖以精確定位具有高生物質(zhì)資源濃度的區(qū)域，進(jìn)而識(shí)別確定生物燃?xì)夤S的最合適位置，該方法可進(jìn)一步用于環(huán)境影響評(píng)估及成本分析。Yeo等[5]利用環(huán)境與能源地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了城市能源供應(yīng)廠站點(diǎn)位置潛力模型，可以綜合管理影響供應(yīng)廠址的因素，進(jìn)而確定供應(yīng)廠的位置或?qū)ΜF(xiàn)有工廠位置的適宜性及地區(qū)可再生能源潛力進(jìn)行評(píng)估。

梁會(huì)民等[6]對(duì)影響快遞網(wǎng)點(diǎn)布局的因素進(jìn)行了分析，提出了基于GIS網(wǎng)絡(luò)分析模型的快遞網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化策略，在對(duì)交通、人口與業(yè)務(wù)量、網(wǎng)點(diǎn)建設(shè)成本等影響因素進(jìn)行綜合考慮后，建立了快遞網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化快遞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。唐秀英等[7]針對(duì)生鮮冷鏈物流網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化問(wèn)題，以總體運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)，提出了一種定性和定量分析相結(jié)合的網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化方法，收集產(chǎn)品供應(yīng)情況后，使用該方法確定網(wǎng)點(diǎn)的覆蓋范圍，并進(jìn)一步確定網(wǎng)點(diǎn)位置與網(wǎng)點(diǎn)總?cè)萘?。蘭鑫[8]針對(duì)銀行網(wǎng)點(diǎn)布局問(wèn)題，對(duì)影響網(wǎng)點(diǎn)選址的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，引入GIS和空間決策支持系統(tǒng)，利用基于IBM的網(wǎng)點(diǎn)布局模型，提出銀行業(yè)的網(wǎng)點(diǎn)布局及優(yōu)化方案，并建立了區(qū)位評(píng)價(jià)模型，可以定量分析選址過(guò)程中的影響因素。

綜上可知，工程站點(diǎn)布局選址優(yōu)化問(wèn)題已被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)的網(wǎng)點(diǎn)規(guī)劃中，主要采用的方法是先確定并分析影響布局的因素，然后可以選擇建立模型求解、基于GIS進(jìn)行位置識(shí)別、定性定量分析等方法進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)位置確定、布局優(yōu)化以及布局適宜性評(píng)估等操作，可以很好地解決設(shè)施設(shè)備布局優(yōu)化問(wèn)題。在求解過(guò)程中，前期對(duì)影響因素的分析至關(guān)重要，只有全面考慮可能的影響因素后才能做出最合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，否則結(jié)果必然難以投入實(shí)際應(yīng)用中。

2.2 運(yùn)輸路徑優(yōu)化

在路徑優(yōu)化尋找最佳路徑方面，Abousaeidi等[9]為了確定吉隆坡地區(qū)新鮮蔬菜交付的最快路徑，基于地理信息系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用回歸模型來(lái)確定影響最快遞送路線選擇的參數(shù)，采用具有網(wǎng)絡(luò)分析器擴(kuò)展的ArcGIS軟件來(lái)解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，最終輸出基于所有變量的具有最佳交貨時(shí)間的最快路線地圖，該研究表明，居民區(qū)、人口是影響運(yùn)輸時(shí)間和路徑的有效參數(shù)。 Kanchanabhan等[10]使用人口密度、廢棄物產(chǎn)生能力、道路網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)存箱和收集車輛等參數(shù)，基于GIS的最優(yōu)路由模型開(kāi)發(fā)了城市固體廢棄物高效運(yùn)輸系統(tǒng)，確定最佳路線圖，用于追蹤最小距離以及確定從收集點(diǎn)到轉(zhuǎn)運(yùn)站到最終處置場(chǎng)的最佳有效收集路徑，可為市政當(dāng)局提供參考性意見(jiàn)。Khan等[11]提出了一種在合適的地方布置固體廢棄物收集箱的辦法，使得收集車路線最優(yōu)，該方法將ArcGIS所提供的網(wǎng)絡(luò)分析工具用于查找固體廢棄物收集的優(yōu)化路線，同時(shí)考慮了有效收集過(guò)程中所有必要參數(shù)，該研究所得的ArcGIS路徑問(wèn)題求解工具可以用于識(shí)別廢物收集的成本效益方案，估算運(yùn)行成本并考慮行程時(shí)間、距離來(lái)模擬其應(yīng)用。

石兆等[12]為解決食品冷鏈配送系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，針對(duì)易腐品特性，結(jié)合配送網(wǎng)絡(luò)時(shí)變特征進(jìn)行行程時(shí)間分析，根據(jù)服務(wù)時(shí)間窗設(shè)計(jì)滿意度函數(shù)，建立時(shí)變條件下的仿真模型；采用“預(yù)優(yōu)化階段+實(shí)時(shí)優(yōu)化階段”2階段求解策略，利用分解法進(jìn)行問(wèn)題分解，設(shè)計(jì)最小包絡(luò)聚類分析方法與混合遺傳算法求解，在最大化客戶滿意度的基礎(chǔ)上完成了車輛路徑優(yōu)化。査偉雄等[13]在對(duì)危險(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和廣義阻抗函數(shù)的定義，建立了危險(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸路段阻抗函數(shù)模型，根據(jù)Wardrop平衡原理，建立了以UE模型為下層模型的危險(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸路徑優(yōu)化的雙層規(guī)劃模型，通過(guò)模擬退火算法和對(duì)雙層規(guī)劃模型進(jìn)行求解，完成危險(xiǎn)貨物的運(yùn)輸路徑優(yōu)化。

綜上可知，路徑優(yōu)化主要被應(yīng)用于特殊物品的運(yùn)輸規(guī)劃中，如新鮮果蔬、冷鏈?zhǔn)称贰⑽ｋU(xiǎn)貨物、廢棄物、應(yīng)急救援物資等，主要采用的方法為確定影響參數(shù)后建立具有針對(duì)性的模型，對(duì)相關(guān)算法優(yōu)化后進(jìn)行模型求解，在結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)后，可以更加高效地解決相關(guān)問(wèn)題，并且輸出可視化的最佳路徑優(yōu)化結(jié)果。

綜上所述，原料收儲(chǔ)運(yùn)體系優(yōu)化問(wèn)題所涉及的研究方法中，無(wú)論是站點(diǎn)布局選址問(wèn)題，還是運(yùn)輸路徑優(yōu)化問(wèn)題，概括起來(lái)，可以是先確定影響結(jié)果的參數(shù)，然后建立或者選擇相關(guān)的模型，對(duì)算法優(yōu)化后進(jìn)行求解得到最優(yōu)結(jié)果。如果在優(yōu)化的過(guò)程中引入地理信息系統(tǒng)技術(shù)，將便于問(wèn)題的求解，得到可視化的結(jié)果，有利于結(jié)果的信息轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

3 區(qū)域沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)原料可供給性影響因素分析

區(qū)域沼氣與生物天然氣發(fā)展的前提是要保障原料的長(zhǎng)期穩(wěn)定供給，這樣沼氣工程才能夠持續(xù)運(yùn)行，原料的保障不僅要考慮區(qū)域內(nèi)可利用原料的總量，更要關(guān)心區(qū)域內(nèi)原料的可供給性。影響原料可供給性的因素包括4個(gè)方面：

3.1 環(huán)境敏感區(qū)

即影響原料收集可通達(dá)性規(guī)劃的重要障礙。由于發(fā)酵的原料往往是畜禽糞污和農(nóng)作物秸稈，其在運(yùn)輸過(guò)程中易產(chǎn)生惡臭或者粉塵污染，因此其運(yùn)輸過(guò)程中需要盡量減少對(duì)道路周邊環(huán)境的影響，在運(yùn)輸路徑的規(guī)劃上需要盡量避開(kāi)居民區(qū)、水源地等環(huán)境敏感區(qū)。

3.2 鄉(xiāng)村道路的完善程度 即交通的可達(dá)性。無(wú)論是原料的產(chǎn)地還是沼氣工程點(diǎn)，往往都是選址在遠(yuǎn)離居民點(diǎn)的鄉(xiāng)間地區(qū)，因此原料的運(yùn)輸往往需要經(jīng)過(guò)大量鄉(xiāng)村公路，此時(shí)鄉(xiāng)村道路的完善程度對(duì)原料的運(yùn)輸起到至關(guān)重要的影響，具體包括多點(diǎn)之間道路是否通暢，道路的路況是否便于運(yùn)輸車輛的行駛。

3.3 原料的收集成本

由于原料來(lái)源復(fù)雜、季節(jié)變化大，因此在收集時(shí)往往采用分散收集，此時(shí)需要考慮單個(gè)收集點(diǎn)原料可供給量與收集成本之間的平衡，對(duì)于路途較遠(yuǎn)或者原料可供給量較少而導(dǎo)致收集成本過(guò)高的收集點(diǎn)往往不予考慮，一般只考慮實(shí)際運(yùn)距在10 km以內(nèi)且達(dá)到一定規(guī)模的收集點(diǎn)。

3.4 原料收集的技術(shù)水平和工具配套情況

原料的收儲(chǔ)運(yùn)體系需要一定的收集技術(shù)，并配到相應(yīng)的工具設(shè)備，如秸稈的收集中就需要配套秸稈打捆設(shè)備，工具的應(yīng)用可以節(jié)約收集和轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間，進(jìn)而提高收集效率，能夠在有限的時(shí)間內(nèi)完成更多原料的收集與運(yùn)輸。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)沼氣與生物天然氣經(jīng)歷了多年的探索與發(fā)展，當(dāng)前正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的階段，產(chǎn)業(yè)化與區(qū)域化發(fā)展是其必然的選擇，而科學(xué)、合理的規(guī)劃對(duì)區(qū)域內(nèi)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將起到至關(guān)重要作用。通過(guò)建立相關(guān)模型，對(duì)算法優(yōu)化后進(jìn)行求解并引入地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可以得到可視化的原料收儲(chǔ)運(yùn)體系優(yōu)化結(jié)果。做好原料收儲(chǔ)運(yùn)體系的構(gòu)建與優(yōu)化可以降低原料的收集成本，并有效保障沼氣工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

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