基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(shè)中的一個(gè)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(hù)當(dāng)?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(yùn)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(dòng)力學(xué)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(gè)狀態(tài)變量兩側(cè)都有1個(gè)速率變量，還包括發(fā)酵原料、沼肥、沼氣等供需有關(guān)的常量或輔助變量。然后，在原有模型的基礎(chǔ)上通過修改或增加某些變量，構(gòu)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(gè)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(shí)用方法。

關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電工程；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；資源供需；優(yōu)化模型

中圖分類號(hào)： S216.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0478-05

收稿日期：2015-05-14

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 （編號(hào)：71201057）。

作者簡介：張彩慶（1964—），男，河北保定人，博士，教授，研究方向?yàn)榧夹g(shù)經(jīng)濟(jì)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?yàn)槲锪鞴こ?。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(hù)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(jìn)行規(guī)劃與分析，導(dǎo)致沼氣發(fā)電工程在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了資源供需不配套等問題，不僅造成了資源浪費(fèi)，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(yùn)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(xué)者們從不同方面對沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)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(jìn)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(shè)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(yīng)促進(jìn)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。

國內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用和沼氣發(fā)電工程運(yùn)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(dòng)態(tài)抑制結(jié)構(gòu)模型[3]，其他一些研究人員先后對該模型進(jìn)行了修正和補(bǔ)充[4-6]。王凱軍等結(jié)合黑箱模型和結(jié)構(gòu)模型，提出了對厭氧動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[7]。顧樹華等采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對沼氣發(fā)展的綜合效益進(jìn)行了分析，并以1個(gè)具體案例說明了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能幫助我們更好地認(rèn)識(shí)沼氣建設(shè)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jìn)行了優(yōu)化[9]。王麗麗等應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(shí)際運(yùn)行過程中的一些關(guān)鍵參數(shù)[10]。

一般沼氣發(fā)電工程由政府投資建設(shè)，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(dāng)復(fù)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(fèi)和環(huán)境污染，所以需要對這個(gè)系統(tǒng)的資源供需進(jìn)行優(yōu)化研究。本研究對沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)的資源供需優(yōu)化問題進(jìn)行研究，以實(shí)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(hù)中的作用。

1模型

1.1沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)

沼氣發(fā)電工程一般都是由政府投資建設(shè)，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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(guān)系如下：（1）有關(guān)沼氣供給的因果關(guān)系：發(fā)酵原料→沼氣發(fā)電工程的規(guī)模→ 沼氣量→可供的農(nóng)戶數(shù)；（2）有關(guān)沼氣需求的因果關(guān)系：農(nóng)戶數(shù)→沼氣的需求量→沼氣發(fā)電工程規(guī)?！l(fā)酵原料需求量。

1.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[13-16]是對系統(tǒng)進(jìn)行分析及實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬仿真的有效方法，在許多領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。它以控制論為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)中的各個(gè)因素進(jìn)行因果關(guān)系分析，根據(jù)信息反饋原理，描述整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。根據(jù)系統(tǒng)因果關(guān)系建立隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模擬仿真模型，在進(jìn)行仿真過程中，可以改變模型中的一些變量來優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，從而提供更好的結(jié)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(shè)本研究應(yīng)用VENSIM 軟件建立沼氣發(fā)電工程生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)資源供需的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，各個(gè)變量的參數(shù)基本依據(jù)原始的模型設(shè)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(jìn)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(shè)：

（1）農(nóng)村的沼氣發(fā)電工程能夠在其整個(gè)壽命周期內(nèi)持續(xù)運(yùn)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(huì)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(gòu)建沼氣發(fā)電工程資源供需系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(jìn)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(jì)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(yīng)沼氣，也可以考慮建溫室大棚；同時(shí)，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(jī)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(jì)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(dǎo)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(dá)35.2 萬m3，依托該工程，能夠?yàn)?00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(yùn)行的實(shí)際資源供需關(guān)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(dòng)力學(xué)模型見圖3。

2.3模型模擬及結(jié)果分析

依據(jù)河北某村的人口及豬的數(shù)量變化和有關(guān)沼氣發(fā)電工程的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，查找其他沼氣發(fā)電工程相關(guān)數(shù)據(jù)并經(jīng)過檢驗(yàn)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(shè)定此模型的模擬時(shí)間為16年，時(shí)間步長為 1。在模型模擬仿真運(yùn)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(shí)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(huì)增加到628 戶，沼氣需求總量每年達(dá) 23.71萬～24.78 萬 m3，計(jì)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(dá) 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(huì)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(fèi)及環(huán)境污染等。

2.4優(yōu)化分析

根據(jù)上述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(yùn)行模式，才能解決該村存在的浪費(fèi)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(jī)肥（圖4）。該村的施肥耕地面積是1 058.933 hm2，設(shè)定生產(chǎn)顆粒有機(jī)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(jī)肥總產(chǎn)量都隨時(shí)間變化呈上升趨勢。沼氣發(fā)電工程規(guī)模只有達(dá)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(jī)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(jī)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(fèi)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(jī)肥也增加了該村的經(jīng)濟(jì)收益。目前，該村已將有機(jī)肥生產(chǎn)項(xiàng)目列入沼氣發(fā)電工程配套項(xiàng)目。

3總結(jié)

本研究對沼氣發(fā)電工程的生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)資源供需與優(yōu)化進(jìn)行了分析，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，建立了資源供需優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了沼氣發(fā)電工程資源平衡，為沼氣發(fā)電工程建設(shè)提供理論依據(jù)。此外，將該模型應(yīng)用于河北省某沼氣發(fā)電工程項(xiàng)目的資源優(yōu)化，證明了該方法的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張無敵，尹芳，劉寧，等. 農(nóng)村沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與市場分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（增刊1）：72-76.

[2]張佰明. 中國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望——同濟(jì)大學(xué)生物質(zhì)能源中心主任朱洪光博士專訪[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：新能源產(chǎn)業(yè)，2007（3）：8-12.

[3]Andrews J F. Dynamic modeling of anaerobic digestion process[J]. Journal of Sanitary Engineering，1969，5（2）：95-102.

[4]Hill D T，Barth C L. A dynamic model for animal waste methodology[J]. Water Research，1982，25（5）：1374-1379.

[5]Mosey F E. Mathematical modeling of the anaerobic digestion process：regulatory mechanisms for the formation of short-chain volatile acids from glucose[J]. Water Science and Technology，1983，15（2）：209-232.

[6]Costello D J. Greenfield P F，Lee P L.dynamic modeling of a single-stage high-rate anaerobic rector-I model derivation[J]. Water Research，1991，25（7）：77-81.

[7]王凱軍，胡超. 厭氧消化系統(tǒng)分析方法[J]. 中國沼氣，2005，23（2）：15-19.

[8]顧樹華，王革華. 沼氣建設(shè)的綜合效益——系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在沼氣建設(shè)上的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1988（2）：88-95.

[9]歐陽彪. 發(fā)展農(nóng)村沼氣的規(guī)模分析[J]. 中國沼氣，1990，8（3）：26-28.

[10]王麗麗，王忠江，盧化偉. 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的北方大型沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱平衡分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（增刊1）：26-31.

[11]白曉鳳，李子富，程世昆，等. 我國大中型沼氣工程沼液資源化利用SWOT-PEST分析[J]. 環(huán)境工程，2014（6）：153-156.

[12]史玉紅，劉宏新. 沼氣發(fā)電工程剩余物資源優(yōu)化利用研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012（2）：211-214.

[13]Ren Z S. Multi-point contact of the high-speed vehicle-turnout system dynamics[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，26（3）：518-525.

[14]涂國平，賈仁安，王翠霞，等. 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)創(chuàng)建養(yǎng)種生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的理論應(yīng)用研究[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2009，29（3）：1-9.

[15]李維乾，解建倉，李建勛，等. 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的閉環(huán)反饋水資源優(yōu)化配置研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，41（11）：209-216.

[16]Rehan R，Knight M A，Unger A J，et al. Development of a system dynamics model for financially sustainable management of municipal watermain networks[J]. Water Research，2013，47（20）：7184-7205.

[17]孫淼. 江蘇省規(guī)?；B(yǎng)殖場沼氣工程效益實(shí)證分析[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[18]王宇欣，蘇星，唐艷芬，等. 京郊農(nóng)村大中型沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀分析與對策研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（10）：291-295.

[19]Huong L Q，Madsen H，Anh L X，et al. Hygienic aspects of livestock manure management and biogas systems operated by small-scale pig farmers in Vietnam[J]. The Science of the Total Environment，2014，470：53-57.

[20]崔文文，梁軍鋒，杜連柱，等. 中國規(guī)?；斩捳託夤こ态F(xiàn)狀及存在問題[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（11）：121-125.

[21]Adeoti O，Ilori M O，Oyebisi T O，et al. Engineering design and economic evaluation of a family-sized biogas project in Nigeria[J]. Technovation，2000，20 （2）：103-108.

[22]王麗麗. 沼氣產(chǎn)業(yè)化基本理論與大中型沼氣工程資源配置優(yōu)化研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2012.郭秀明，周國民，丘耘，等. 蘋果結(jié)果期果園溫度空間分布規(guī)律[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（11：483-486.