沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應(yīng)用與思考

劉海亞，朱定松，雷大西，葉明，劉正勇

(1.溫州市農(nóng)村能源辦公室，浙江 溫州 325000； 2.蒼南縣農(nóng)村能源辦公室，浙江 溫州 325800; 3.瑞安市農(nóng)村能源辦公室，浙江 溫州 325200； 4.永嘉縣農(nóng)村能源辦公室，浙江 溫州 325100)

沼氣工程的建設(shè)不僅有效改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，而且促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，提升了農(nóng)民的生活質(zhì)量。但由于管理水平和意識的落后，使得大多數(shù)沼氣工程沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用，且普遍存在產(chǎn)氣和用氣不正常的現(xiàn)象，甚至在運(yùn)行過程中還存在諸多的安全隱患，不僅造成工程上的浪費(fèi)，也對沼氣工程業(yè)主和用戶的人身、財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。

根據(jù)溫州市農(nóng)村能源系統(tǒng)的調(diào)查，至2017年底，溫州地區(qū)已建在用的畜禽養(yǎng)殖場大中型沼氣工程有205處，而其中能夠按照設(shè)計(jì)要求正常產(chǎn)氣、用氣的僅占半數(shù)左右，多數(shù)的沼氣工程存在各種各樣不同的安全隱患，因此，加強(qiáng)沼氣工程的運(yùn)行監(jiān)督和安全管理、提高沼氣工程的生產(chǎn)效率和安全性已刻不容緩。然而，由于各縣(市、區(qū))農(nóng)村能源系統(tǒng)的技術(shù)力量普遍缺乏，畜禽養(yǎng)殖場的業(yè)主管理意識普遍不強(qiáng)，僅靠定期的巡查指導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到監(jiān)管的效果。本文通過對溫州市近幾年推廣應(yīng)用沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的效果進(jìn)行分析總結(jié)，認(rèn)為借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在沼氣工程中安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，是當(dāng)前提高沼氣工程生產(chǎn)效率和安全性比較行之有效的方法。

1 技術(shù)特點(diǎn)

沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在沼氣工程的運(yùn)行、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對沼氣及沼液等的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、服務(wù)、管理和決策的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。

沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在沼氣成分和流量等監(jiān)測環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由超聲波沼氣流量計(jì)和沼氣工程控制器、GPRS信號發(fā)送、數(shù)字化監(jiān)測平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)器和供電系統(tǒng)等組成，主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)路線

沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測沼氣成分、流量、溫度和壓力等數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)將超聲波沼氣流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集控制器(圖2)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)字監(jiān)測平臺上，并對數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表、歷史趨勢分析等。省、市、縣級能源辦和業(yè)主可根據(jù)不同授權(quán)權(quán)限，查看各自管轄范圍內(nèi)的沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)分析改進(jìn)沼氣發(fā)酵工藝和生產(chǎn)條件，使沼氣生產(chǎn)達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖2 超聲波沼氣流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集控制箱

2 推廣應(yīng)用

溫州市從2013年開始在大中型沼氣工程中研究應(yīng)用沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，截至2017年已分別在11個(gè)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場共安裝了11套沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的站點(diǎn)建設(shè)和管理

全市11個(gè)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場的沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)全部采用湖北銳意自控系統(tǒng)有限公司的技術(shù)產(chǎn)品，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將沼氣的主要成分含量、流量、溫度和壓力等數(shù)據(jù)傳送到該公司的沼氣物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺上，市、縣能源辦和業(yè)主根據(jù)各自在平臺上的授權(quán)權(quán)限查看沼氣相關(guān)的數(shù)據(jù)。

市能源辦對全市范圍內(nèi)11個(gè)站點(diǎn)的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析，同時(shí)與各相關(guān)縣(市)的能源辦進(jìn)行技術(shù)交流，并指導(dǎo)各縣(市)能源辦對各自轄區(qū)內(nèi)沼氣站點(diǎn)的工程運(yùn)行進(jìn)行安全監(jiān)督，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。沼氣物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺上各站點(diǎn)的具體分布情況如圖3所示。

截圖日期2017年12月5日圖3 沼氣物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺上的站點(diǎn)分布

2.2 在智慧農(nóng)業(yè)云平臺上的數(shù)據(jù)共享

為實(shí)現(xiàn)與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)融合，提升沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的公眾服務(wù)能力，便于相關(guān)部門對沼氣工程的數(shù)據(jù)采集，溫州市農(nóng)村能源辦公室與省智慧農(nóng)業(yè)云平臺的信息技術(shù)開發(fā)單位及沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)單位進(jìn)行了技術(shù)探討，將沼氣物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺上的站點(diǎn)數(shù)據(jù)成功對接到浙江省智慧農(nóng)業(yè)云平臺上。目前已有6個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了在浙江省智慧農(nóng)業(yè)云平臺上進(jìn)行共享(圖4)。

智慧農(nóng)業(yè)云平臺可以將不同公司開發(fā)的沼氣物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺上的數(shù)據(jù)整合在一個(gè)平臺上進(jìn)行分享，方便了數(shù)據(jù)查看和分析指導(dǎo)，也有利于相關(guān)部門的數(shù)據(jù)采集。

3 應(yīng)用效果

在沼氣工程中安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，既提高了沼氣工程運(yùn)行的安全性，又方便了有關(guān)部門進(jìn)行監(jiān)管和指導(dǎo)。在沼氣工程中安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，可隨時(shí)觀察沼氣產(chǎn)氣是否正常，并通過數(shù)據(jù)分析改進(jìn)沼氣生產(chǎn)工藝，提高沼氣的產(chǎn)量。

3.1 提高了沼氣工程運(yùn)行的安全性

安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)可以隨時(shí)觀察沼氣的產(chǎn)量、溫度、壓力及各主要成分含量等指標(biāo)，并根據(jù)時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析判斷沼氣生產(chǎn)是否正常，一旦出現(xiàn)異常可立即查找原因(如沼氣工藝是否存在問題、沼氣是否有泄漏、沼氣管路是否發(fā)生堵塞等)，及時(shí)進(jìn)行故障排除，從而提高了沼氣工程運(yùn)行的安全性。

截圖日期2017年12月5日圖4 浙江省智慧農(nóng)業(yè)云平臺上的沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)

由于安裝了沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，用戶能及時(shí)檢查沼氣工程的生產(chǎn)情況，使得沼氣發(fā)酵的工藝能一直處于正常狀態(tài)，從而保證了污水的處理效果和沼液的質(zhì)量。如果沼氣發(fā)酵工藝不正常，將導(dǎo)致沼液的排放濃度和衛(wèi)生指標(biāo)等超標(biāo)，既增加了對生態(tài)環(huán)境的壓力，也影響了沼液肥的使用安全，對種植業(yè)等的生產(chǎn)將造成影響，因此，安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)對保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全起到了積極的作用。

3.2 便于有關(guān)部門進(jìn)行監(jiān)管和指導(dǎo)

由于多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，交通極為不便，給有關(guān)部門的監(jiān)管和指導(dǎo)帶來極大的困難，而且定期的巡查也不能及時(shí)地排除沼氣工程的安全隱患，再加上各縣(市、區(qū))農(nóng)村能源系統(tǒng)的技術(shù)力量都不足，無法做到隨時(shí)隨地指導(dǎo)，而安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)能在一定程度上彌補(bǔ)上述不足，并且指導(dǎo)部門和業(yè)主可以在手機(jī)上安裝客戶端系統(tǒng)，更方便了察看和管理。此外，由于沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在智慧農(nóng)業(yè)云平臺上的共享，也為生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的決策和發(fā)展提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.3 促進(jìn)沼氣生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)

在安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)以前，多數(shù)業(yè)主對沼氣工程的管理很不重視，通常是有多少沼氣用多少、沒有沼氣就不用，對于沼氣工程存在的安全隱患(如沼氣是否有泄漏、管道是否堵塞等情況)不易察覺也不及時(shí)排除；另外，在安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)以前，技術(shù)指導(dǎo)部門也沒有可依據(jù)的數(shù)據(jù)來對沼氣工程進(jìn)行精確、具體的分析。安裝了沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)以后，技術(shù)指導(dǎo)部門和業(yè)主都提高了對沼氣產(chǎn)氣情況的關(guān)注度，從而由被動(dòng)管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)管理，并積極通過數(shù)據(jù)分析研究沼氣生產(chǎn)工藝的改進(jìn)方案，以提高沼氣的產(chǎn)量和甲烷含量，使沼氣工程取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)對瑞安市鑫農(nóng)畜禽專業(yè)合作社生豬養(yǎng)殖場沼氣工程的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察分析，該養(yǎng)殖場自從2014年7月安裝了沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)后，通過對沼氣的溫度、壓力、甲烷含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷改進(jìn)沼氣發(fā)酵工藝，2015年6月份該養(yǎng)殖場對厭氧罐進(jìn)行了大清渣，并在厭氧罐內(nèi)增加了增溫系統(tǒng)，使沼氣產(chǎn)量和甲烷含量得到大大提高。該養(yǎng)殖場沼氣工程自改進(jìn)工藝以后，沼氣生產(chǎn)穩(wěn)定，日平均沼氣產(chǎn)量達(dá)到300 m3，所產(chǎn)的沼氣供沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)的電除了滿足沼氣工程各動(dòng)力設(shè)備用電需求外，還解決了養(yǎng)殖場飼料加工設(shè)備的用電需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該養(yǎng)殖場年平均產(chǎn)沼氣10萬m3，年發(fā)電15萬kW·h，年節(jié)省電費(fèi)約8萬元。

4 問題與思考

沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)對沼氣工程的正常運(yùn)行和安全管理起到了積極的促進(jìn)作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會、生態(tài)效益，但在推廣應(yīng)用的過程中也存在一些問題，亟須進(jìn)一步進(jìn)行研究探索與解決，以更好地發(fā)揮沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的作用。

4.1 加強(qiáng)沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)

由于沼氣中含有硫化氫氣體，如果沼氣脫硫不徹底將導(dǎo)致沼氣設(shè)備受腐蝕而損壞，此外沼氣中的水蒸氣遇冷會凝結(jié)成水而滯留在沼氣設(shè)備里，時(shí)間一久也會造成沼氣設(shè)備受損。據(jù)調(diào)查，溫州市已安裝的11套沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)中，有3套均因受腐蝕嚴(yán)重在使用不到3年即報(bào)廢，而其中1處損壞送修的沼氣流量計(jì)經(jīng)拆開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部積滿臟水，估計(jì)是沼氣中的凝結(jié)水長期積累滯留所致。沼氣脫硫脫水是延長沼氣用具使用壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但多數(shù)沼氣用戶未按規(guī)定要求及時(shí)排水和更換脫硫劑，因此建議各級指導(dǎo)部門應(yīng)加強(qiáng)沼氣使用方面的知識宣傳和技術(shù)指導(dǎo)，提高沼氣用戶的管理意識，以保證沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到正常的使用壽命。

4.2 降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的使用壽命

按2017年的市場銷售價(jià)，通常購一套小型的沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)需8 000元左右，目前溫州市使用時(shí)間最長的系統(tǒng)是5年，如果使用3～5年后因流量計(jì)損壞報(bào)廢的話，則需再投入8 000元重新購置整套設(shè)備，而對于中小型的沼氣工程來說幾乎都無法承受這么高的投入。溫州市11套已安裝的沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是由政府投資的，但損壞報(bào)廢后的重新購置則需業(yè)主自主投入。因此，為了使沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)能可持續(xù)地發(fā)揮作用，則需生產(chǎn)商研發(fā)降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的使用壽命，使業(yè)主能承受得起購置成本，才能使沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)真正得到廣泛地推廣應(yīng)用。

4.3 探索適宜的推廣機(jī)制

在目前沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的推廣初期，多數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)是由政府一次性投入安裝的，而業(yè)主只需每年付60元的數(shù)據(jù)流量費(fèi)，但仍有一些業(yè)主連數(shù)據(jù)流量費(fèi)都不愿意投入，其主要原因是還沒真正認(rèn)識到安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)后為沼氣工程帶來的效益。因此，應(yīng)探索一條長效的激勵(lì)機(jī)制，使得業(yè)主能夠形成主動(dòng)進(jìn)行管理和維護(hù)的意識，使得沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，真正地促進(jìn)沼氣工程的安全生產(chǎn)和管理。

政府可采取補(bǔ)助與激勵(lì)相結(jié)合的方式，如可采取一次性投資補(bǔ)助一部分，再根據(jù)用氣量進(jìn)行流量補(bǔ)貼等措施，以提高業(yè)主管理的積極性，也可促進(jìn)沼氣的充分利用。另外，沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)也可列入沼氣工程的后續(xù)服務(wù)項(xiàng)目，依托后續(xù)服務(wù)公司進(jìn)行管理，主要是做好沼氣的脫硫脫水，延長設(shè)備的使用壽命；其次是及時(shí)繳納每年的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用，保證數(shù)據(jù)的正常傳送。

5 小結(jié)

隨著沼氣工藝的逐步發(fā)展，對沼氣工程的運(yùn)行管理要求也逐漸提高，提高沼氣產(chǎn)量、提升沼液肥質(zhì)量、降低勞動(dòng)成本，使沼氣工程得到高效、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行是目前沼氣工程需要研究的重要內(nèi)容。在沼氣工程中安裝沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能提高沼氣工程的生產(chǎn)效率和安全性，為沼氣工程的故障處理提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，還將有利于沼氣工程的監(jiān)督管理和技術(shù)指導(dǎo)，為政府決策提供技術(shù)支撐，使沼氣工程在促進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮應(yīng)有的作用。如果在各大中型和小型沼氣工程中都能運(yùn)用沼氣在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行管理，將會產(chǎn)生非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會、生態(tài)效益，同時(shí)也將促進(jìn)沼氣事業(yè)的有益發(fā)展。