養殖場沼氣綜合利用系統的熱經濟學分析

劉青榮， 阮應君， 吳家正

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院， 上海 200090； 2.同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 200092)

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養殖場沼氣綜合利用系統的熱經濟學分析

劉青榮1， 阮應君2， 吳家正2

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院， 上海 200090； 2.同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 200092)

沼氣工程中厭氧反應器由于溫度不穩定導致產沼量變動，從而阻礙了沼氣的有效利用。針對這一問題，文章對某養殖場的沼氣工程進行了沼氣綜合利用系統的設計，在給厭氧反應器加熱保溫保持沼氣連續產出的基礎之上，綜合利用沼氣進行熱電聯產。在對系統的選型和運行優化結果介紹的基礎之上，建立沼氣綜合利用系統的熱經濟學模型，進而對其進行熱經濟性指標評價。評價結果表明對于本沼氣綜合利用系統來講，在保證連續穩定的產沼氣的基礎之上，讓更多的沼氣用于發電，將會改善整個系統的經濟效益。

沼氣綜合利用系統； 熱經濟學； 火用成本差； 火用經濟因子

隨著養殖場規模和數量的增多，沼氣工程的建設為了處理養殖帶來的環境問題提供了行之有效的途徑。然而對于厭氧發酵工藝，由于厭氧反應器無法維持適宜的產沼溫度[1]，造成沼氣產量不穩定，沼氣不能有效利用。目前很多研究涉及到了如何為厭氧反應器加熱保溫，而對沼氣的綜合利用未作全面的分析。基于此，筆者對某養殖場的沼氣工程進行了沼氣綜合利用系統的改造。本系統中利用沼氣鍋爐、沼氣發電機以及太陽能集熱加熱3個子系統為厭氧反應器加熱保溫，使其達到最佳產沼溫度，同時利用沼氣發電機熱電聯產來實現沼氣的有效利用，既能發電又同時供熱。

文章在首先介紹了前期系統選型和運行優化結果的基礎之上，建立了沼氣綜合利用系統的熱經濟學模型，進而通過火用成本差、火用經濟因子來對系統進行熱經濟學的分析評價。從而找出系統的熱力學改善對象和經濟學改善對象，從而為系統在養殖場的沼氣工程設計中提供理論指導。

1 沼氣綜合利用系統和設備選型及運行優化結果介紹

1.1 沼氣綜合利用系統簡介

沼氣工程設計研究的對象養殖場參看文獻[2]，基于此養殖場設計的沼氣綜合利用系統流程如圖1所示。厭氧反應器內所產沼氣進入儲氣罐，再經過后面的沼氣凈化設備、增壓設備后，優先供給沼氣鍋爐使用，沼氣鍋爐的熱水用來給厭氧反應器供熱保溫，在沼氣有剩余的情況下考慮供給發電機組發電使用，發電的同時煙氣余熱同樣為厭氧反應器提供保溫熱量。在沼氣發電余熱可以保證厭氧反應器的熱需求的情況下，沼氣鍋爐停運，從而可以利用更多的沼氣發電產生高品位電能。此外系統中還增加了太陽能熱利用系統，來為系統補充加熱。

圖1 沼氣綜合利用系統流程圖

1.2 系統設備選型和運行優化結果

基于以前的研究[2]，以投資收益率最大化為目標的設備選型和運行優化策略分別見表1和表2。

表1 系統設備選型

表2 各季節運行策略及收益率

優化是基于沼氣充分利用、厭氧反應器需熱量優先保證，盡可能多的利用沼氣進行發電的前提之下，選型優化結果為發電機組容量為35 kW，沼氣鍋爐容量40 kW，而太陽能集熱器由于投資上的不合理，優化結果的顯示為0。

不同季節的系統運行策略表可以發現，由于厭氧反應器需熱量需優先供應，因此對于厭氧反應器需熱量大的冬季，鍋爐需在36.8 kW的功率下運行，供應沼氣鍋爐之后，剩余沼氣不多，因此冬季發電機的運行功率為18.9 kW,在約54%的部分負荷下運行。而夏季由于厭氧反應器需熱量的減小，發電機發電時的煙氣余熱已經能夠滿足需求，發電機的運行功率為32.2 kW，接近滿負荷運行。春秋兩季介于冬夏季之間，鍋爐運行功率為13.8 kW，而發電機運行功率為27.2 kW。

由于夏季發電機運行功率大，發電量大，其投資收益率最高，可達14.1%。即使冬季，投資收益率仍可達到4.64%。

2 熱經濟學評價模型

2.1 系統熱經濟學矩陣

根據系統優化選型結果，綜合利用系統中不設太陽能熱利用系統，因此文章中的沼氣綜合利用系統的熱經濟學模型圖見圖2。系統中共有厭氧反應器、沼氣鍋爐和沼氣發電機3個子系統。分別有沼氣鍋爐進氣、發電機組進氣、沼氣鍋爐供熱、發電機組發電、發電機組供熱5股火用流，基于參考文獻[3-4]，本系統的事件矩陣A、各股火用流的對角矩陣E，各股火用流的單價向量C和各個子系統的非能量費用向量Cp分列如下。

各個矩陣和向量之間關系如公式(1)：

A×E×C=-Cp

(1)

由于e1和e2為從厭氧反應器輸入沼氣鍋爐和發電機組的沼氣，其火用價應相等； e4為發電機組發電，e5為發電機組余熱為厭氧反應器的供熱，而對本系統而言,給厭氧反應器的供熱處于極其重要的地位，為系統能夠運行的關鍵一環，同時參考文獻[5]，e4和e5的火用價相等。由此熱經濟學模型的補充方程為式(2)和(3)。

c1=c2

(2)

c4=c5

(3)

圖2 沼氣綜合利用系統的熱經濟學模型圖

2.2 熱經濟學評價指標[3-4]

為了定量和定性評價本沼氣綜合利用系統的各子系統的熱經濟學性能的優劣，引入火用成本差和火用經濟因子，其中子系統i的火用成本差的計算定義為公式(4):

ΔCi,d=ΔCin,d-ΔCout,d

(4)

式中 ：ΔCin,d為子系統i的輸入火用的平均火用價；ΔCout,d為子系統i的輸出火用的平均火用價。

若子系統i由m股火用流入，n股火用流出，則ΔCin,d和ΔCout,d的計算方法如公式(5)和(6)。

(5)

(6)

式中：Cin,j，ein,j分別為子系統i輸入的第j股火用流的火用價和火用流；Cout,j，eout,j分別為子系統i輸出的第j股火用流的火用價和火用流。

火用成本差反應的是火用在子系統i中轉換所需付出的代價，若火用成本差越大，說明其代價越大。但此代價并不能顯示是由于子系統i的熱工性能引起的還是該子系統的非能量成本造成的。因此定義了火用經濟因子f,其計算式為公式(7)或式(8)。

(7)

(8)

式中：Cpi為子系統i的非能量費用。

對于子系統i,若輸入火用流量為定值，則采用公式(7)做計算，反之若子系統i的輸出火用流量為定值，再采用公式(8)做計算。通常情況下，若f<0.3時，則表明子系統火用成本主要受系統的熱工性能影響，需從系統的熱工設計和結構上進行改善；若f>0.7,則火用成本主要受非能量費用的影響；而0.3

3 評價結果及分析

3.1 火用流和火用價

根據上面的熱經濟性評價模型，沼氣綜合利用系統的火用流和火用價結果分別表示在表3和表4中。

由于此次沼氣綜合利用系統的資源來源于養殖場牲畜的糞便污水，沒有任何外部能源的輸入而帶來的成本，成本中僅僅為養殖場的系統運行人員約2個人以及設備維護費用，所以系統的火用價都非常低，從表4來看，均低于0.09元·MJ-1。由表3和表4可見，由于系統在不同季節的運行策略的不同，系統在不同季節的火用流也不同，冬季主要由沼氣鍋爐供熱，因此沼氣鍋爐的火用流較大，且沼氣鍋爐的供熱火用價小于發電機組的供熱火用價。春秋季由于鍋爐供熱份額的減少，鍋爐部分負荷運行，熱工性能變差，導致其供熱火用價的升高。與鍋爐相反，在春秋季發電機組的運行功率提高，其發電火用價和供熱火用價都降低。在夏季發電機組發電余熱足夠厭氧反應器供熱，沼氣鍋爐不運行，因此其輸入輸出火用流均為零。而隨著發電機組接近滿負荷運行，其火用流增大，而火用價降到最低。

表3 沼氣綜合利用系統火用流 (MJ)

表4 沼氣綜合利用系統火用價 (元·MJ-1)

3.2 火用成本差和火用經濟因子分析

本沼氣綜合利用系統中各子系統的火用成本差見圖3。厭氧反應器的火用成本差中，夏季由于糞便污水的溫度較高，比較適合沼氣的發酵，因此其成本最低；而冬季由于采用自產的沼氣利用沼氣鍋爐供暖，火用成本差比夏季要高；春秋季的火用成本差與冬季基本持平。對于沼氣鍋爐而言，冬季基本滿負荷運行，熱工性能較好，因此火用成本差要比春秋季部分負荷運行時的火用成本差要低；而沼氣鍋爐在夏季不運行，沒有火用流的產生，因此火用成本差為零。發電機組從冬季到春秋季再過渡到夏季，根據運行策略，其運行負荷越來越接近于滿負荷運行，系統熱工性能越來越好，因此火用成本差逐漸降低。

圖3 各子系統的火用成本差

圖4表示了各個子系統的火用經濟因子。由圖4可見，沼氣鍋爐的火用經濟因子介于0.3～0.5之間，根據火用經濟因子的意義，其火用成本差是由系統的熱工性能和非能量成本共同作用的結果。而發電機組在冬季和春秋季其火用經濟因子低于0.3，這說明發電機組在冬季和春秋季的火用成本差主要是由于發電機組的熱工性能不佳引起的，而從運行策略來看，這兩個季節發電機組均在部分負荷下運行，其熱工性能相對較差。夏季發電機組的火用經濟因子約為0.4，火用成本差由熱工性能和非能量成本共同作用的結果。厭氧反應器根據沼氣發酵主要受溫度的影響的角度來看，夏季其工作工況最好，因此其火用經濟因子大于0.7，火用成本差主要受非能量費用的影響。厭氧反應器在冬季的火用經濟因子低于0.3，顯然是其發酵工況不夠好引起的，即使在春秋季其火用經濟因子也僅有0.31，非能量費用的影響較少。

圖4 各子系統的火用經濟因子

基于以上對火用成本差和火用經濟因子的分析，對于該沼氣綜合利用系統中，為了提高熱經濟性，冬季應從改善發電機組的熱工特性和提高厭氧反應器的工作溫度上著手；夏季主要從降低人工費和設備相關維護費用上著手。且夏季的各種火用成本差都比其他季節要低，因此對于該沼氣綜合利用系統在保證連續穩定的產沼氣的基礎之上，讓更多的沼氣用于發電，將會改善整個系統的經濟效益。

4 結論

文章針對某養殖場所設計的沼氣綜合利用系統，在介紹了系統的設備選型和運行策略優化結果的基礎之上，參照參考文獻[2]，畫出了系統的熱經濟學模型圖，并列出了其熱經濟學矩陣，經計算得出各子系統的火用流和火用價，并對各子系統的火用成本差和火用經濟因子進行了分析。通過分析發現，各子系統的火用價均較低，而火用成本差也受系統在不同季節的運行策略的影響，且從火用經濟因子的角度來看，不同子系統在不同季節其提高改善熱經濟性的著手點也不相同。對于該沼氣綜合利用系統來講，在保證連續穩定的產沼氣的基礎之上，讓更多的沼氣用于發電，將會改善整個系統的經濟效益。

[1] 吳大慶.常規厭氧發酵工藝與大中型沼氣工程設計初探[J].安徽工學院學報，1986(2).

[2] 張亞鵬.南方地區中型養殖場沼氣熱電聯產系統設計及評價方法研究 [D]. 上海：上海電力學院，2014.

[3] 趙衍海，羅永浩,等.熱經濟學分析方法及其在冷凝水回收系統中的應用[J].中國動力工程學報，2005，25(1)：121-125.

[4] 王加璇, 楊勇平, 王清照. 關于熱經濟學定價的矩陣法[J]. 工程熱物理學報，1992, 13(1):1-6.

[5] 彭啟珍, 張樹芳, 郭江龍. 熱經濟學成本分析中補充方程的合理構造[J]. 熱力發電，2003，(10): 29-31.

Thermoeconomic Analysis for Biogas Comprehensive Utilization System on Livestock Farms /

LIU Qing-rong1, RUAN Ying-jun2,WU Jia-zheng2/

(1. Institute of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2. College of Mechanical and Energy Engineering, TongJi University, Shanghai 200092, China )

Instability of temperature in anaerobic reactor led to the instability of biogas production, and so affected the effective utilization of biogas. Aiming at this problem, a biogas comprehensive utilization system was designed for the biogas engineering on a livestock farm, with which the anaerobic reactor was heated to ensure the continuous and stable output of biogas, and produced biogas was used for cogeneration. In this paper, the equipment selection and optimization of operation strategy were introduced, the thermoeconomic model of biogas comprehensive utilization system was established and the thermoeconomic index was evaluated. The system evaluation showed that based on the continuous and stable biogas production, the more biogas used for power generation, the more economic benefit the system could obtain.

biogas comprehensive utilization system； thermoeconomics； exergy cost difference； exergy economic factor

2015-04-15

項目來源： “十二五”國家科技支撐項目(2012BAJ21B01-01)

劉青榮(1976 - )，女，山東煙臺人，副教授，主要研究方向為能源系統，E-mail: lqr0320@sina.com

S216.4

B

1000-1166(2016)02-0062-04