基于系統動力學的沼氣發電工程資源供需優化模型研究

張彩慶++臧鵬飛

摘要：資源優化是沼氣發電工程建設中的一個重要課題，對于解決沼氣發電工程中資源供需不對稱問題、使資源得到充分利用，以及保護當地生態環境具有重要意義。本研究充分考慮沼氣發電工程生產運行系統中發酵原料、沼肥、沼氣等的供需情況，提出了基于系統動力學方法的沼氣發電工程資源供需模型。該模型包括狀態變量，如人口總數和各類禽畜總數等，每個狀態變量兩側都有1個速率變量，還包括發酵原料、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，構造出了沼氣發電工程資源供需優化模型。最后，通過1個具體案例，證明該模型是解決沼氣發電工程資源優化問題的一種實用方法。

關鍵詞：沼氣發電工程；系統動力學；資源供需；優化模型

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。 能源短缺和環境污染是我國農村亟待解決的兩大難題，而沼氣發電工程是解決這些問題的有力措施。在農村發展沼氣不僅能開發新能源、讓農民用上清潔綠色能源、節約農民生活用能成本，而且也可以充分利用禽畜糞便、保護生態環境。此外，沼肥也可以作為農村耕地的肥料，節約農民生產成本。但是，很多沼氣發電工程由于在興建之前沒有對沼氣生產系統進行規劃與分析，導致沼氣發電工程在生產運行時出現了資源供需不配套等問題，不僅造成了資源浪費，而且造成生態環境污染。因此，依據發酵原料、沼肥及沼氣的供需情況，確定沼氣發電工程的規模大小和合理安排沼氣生產，使各種資源充分合理利用，是沼氣發電工程生產運行中首要解決的問題。

近年來，我國對沼氣發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業的發展進行了討論。如張無敵等分析了農村沼氣和商品化沼氣池的發展情況，對促進沼氣產業發展提出了一些建議[1]。張佰明闡述了沼氣發電工程在現代生態建設中的6大功能、沼氣產業化發展思路、沼氣產業規模化發展模式等，最后提出以基地示范效應促進沼氣產業發展[2]。

國內外關于系統動力學應用和沼氣發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的動態抑制結構模型[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動力學方法[7]。顧樹華等采用系統動力學模型對沼氣發展的綜合效益進行了分析，并以1個具體案例說明了系統動力學能幫助我們更好地認識沼氣建設的效益，并為制定發展政策提供很好的參考[8]。歐陽彪先對沼氣運行狀態進行分析，然后用線性規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化[9]。王麗麗等應用系統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[10]。

一般沼氣發電工程由政府投資建設，禽畜糞便等是沼氣發電工程主要的發酵原料，其產生的沼氣用于農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電等。沼氣發電工程的生產系統相當復雜，需要考慮發酵原料、沼肥等的供需平衡問題，以免造成資源浪費和環境污染，所以需要對這個系統的資源供需進行優化研究。本研究對沼氣發電工程生產運行系統的資源供需優化問題進行研究，以實現各種資源的合理利用，充分發揮沼氣發電工程在解決農村能源問題和環境保護中的作用。

1模型

1.1沼氣發電工程生產運行系統

沼氣發電工程一般都是由政府投資建設，通常都興建在養殖場等發酵原料充沛的地方。沼氣發電工程生產運行系統由前處理工程、生產工程、后處理工程組成。前處理工程包括發酵原料運輸、濃度調節等，生產工程包括保溫、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。發酵原料主要是禽畜糞便等，凈化的沼氣供農戶們炊事供暖使用，沼液沼渣等沼肥返入耕地作為肥料[11-12]。依據發酵原料和農戶對沼氣的需求量來確定沼氣發電工程的規模。其因果關系如下：（1）有關沼氣供給的因果關系：發酵原料→沼氣發電工程的規模→ 沼氣量→可供的農戶數；（2）有關沼氣需求的因果關系：農戶數→沼氣的需求量→沼氣發電工程規模→發酵原料需求量。

1.2系統動力學

系統動力學[13-16]是對系統進行分析及實現計算機模擬仿真的有效方法，在許多領域都發揮了重要作用。它以控制論為基礎，對系統中的各個因素進行因果關系分析，根據信息反饋原理，描述整個系統的運行情況。根據系統因果關系建立隨時間變化的動態模擬仿真模型，在進行仿真過程中，可以改變模型中的一些變量來優化運行系統，從而提供更好的結果，作出更好的決策。

1.3沼氣發電工程資源供需模型

1.3.1基本假設本研究應用VENSIM 軟件建立沼氣發電工程生產運行系統資源供需的系統動力學模型，各個變量的參數基本依據原始的模型設定，通過修改原來模型的數據或增加某些變量，對原始模型進行優化，使沼氣發電工程的資源供需狀況得到更好的改善。特做如下假設：

（1）農村的沼氣發電工程能夠在其整個壽命周期內持續運行，其生產能力處于基本穩定的狀態[17]；

（2）農戶人口及飼養禽畜的數量不會出現大幅增減的狀況；

（3）剩余的禽畜糞便和產生的沼肥都被用作改良耕地的肥料[18-19]。

1.3.2模型構建沼氣發電工程資源供需系統動力學模型見圖1。

1.3.3建立仿真方程式

1.3.4沼氣發電工程資源供需優化模型基于上述沼氣發電工程資源供需的系統動力學模型，要使沼氣發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，以對其進行優化。如農村沼氣發電工程[20-21]產生的沼氣不僅能滿足計劃供氣的農戶需求，還有很多剩余，則可以考慮其他用途，比如給更多的農戶供應沼氣，也可以考慮建溫室大棚；同時，沼氣發電工程產生的沼肥可首先要滿足農業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商品顆粒有機肥。假如沼氣發電工程的規模很大，生產的沼氣除了滿足農戶和溫室大棚的需求外，剩余的沼氣可以用來發電（圖2）。

改變的仿真方程式：

2具體算例

2.1河北某沼氣發電工程簡介

河北省某沼氣發電工程被計劃興建于某村，沼氣發電工程規模暫定為1 000 m3，并在2015年正式投產。該工程以禽畜糞便為發酵原料，產生的沼氣為農戶提供炊事和取暖用能，而且產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，主要以生產豬為主導產業。目前，豬飼養量 18 000頭。日處理鮮豬糞 345 t，年產沼氣可達35.2 萬m3，依托該工程，能夠為600戶農戶提供沼氣。

2.2模型

依據河北某沼氣發電工程生產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、沼氣發電工程規模等變量為主要研究對象，沼氣發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

依據河北某村的人口及豬的數量變化和有關沼氣發電工程的生產運行參數，查找其他沼氣發電工程相關數據并經過檢驗后，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：總人口數的初值是2 343，豬的總數的初值是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、沼氣發電工程規模等變量（表1）。主要變量的初值如下：

從表1能夠看出，沼氣需求總量、沼氣發電工程規模、豬糞總產量、用戶數量、施肥耕地需求量、豬糞的供需差都隨時間變化呈上升趨勢。依據人口出生率及死亡率，600 戶農戶在未來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沼氣發電工程可以滿足600戶農戶未來 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戶數，以便能夠充分利用沼氣。該村豬糞產量每年達 12.6萬～17.59萬 t，它主要被用作沼氣發電工程的發酵原料，而且每年還剩余11.98萬～16.95 萬 t 。沼氣生產會產生大量的沼液、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的農業耕地，但是這比現有的耕地面積要多許多，這說明該村的沼氣發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，比如資源浪費及環境污染等。

2.4優化分析

根據上述系統動力學模型的模擬分析，河北某沼氣發電工程不但要增加其生產規模，而且要改善它的生產運行模式，才能解決該村存在的浪費及污染問題。

現在假定該沼氣發電工程產生的沼氣能夠滿足該村892戶人口的炊事和取暖用能，產生的豬糞大都被用作沼氣發電工程的發酵原料，剩下的豬糞全部用作農業耕地肥料，產生的沼肥先滿足該村耕地所需肥料，剩余的經過后續加工處理生產成商品顆粒有機肥（圖4）。該村的施肥耕地面積是1 058.933 hm2，設定生產顆粒有機肥比例為 0.125[22]（表2）。

沼氣需求總量、沼氣發電工程規模、沼肥供需差及顆粒有機肥總產量都隨時間變化呈上升趨勢。沼氣發電工程規模只有達到 992～1 038 m3才能為全村農戶提供集中供氣。該村892戶農戶在未來16年每年沼氣需求總量34.92萬～36.57萬 m3。沼氣發電工程產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 8 002.19～14 208.3 t 商品顆粒有機肥（表2）。通過上述分析，優化后的沼氣發電工程不僅能為全村農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，生產的顆粒有機肥也增加了該村的經濟收益。目前，該村已將有機肥生產項目列入沼氣發電工程配套項目。

3總結

本研究對沼氣發電工程的生產運行系統資源供需與優化進行了分析，應用系統動力學方法，建立了沼氣發電工程資源供需模型。通過改變模型中的發酵原料、沼肥、沼氣等變量對沼氣發電工程生產運行系統進行了優化，建立了資源供需優化模型，實現了沼氣發電工程資源平衡，為沼氣發電工程建設提供理論依據。此外，將該模型應用于河北省某沼氣發電工程項目的資源優化，證明了該方法的可行性和有效性。

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