基于系统动力学的沼气发电工程资源供需优化模型研究

张彩庆++臧鹏飞

摘要：资源优化是沼气发电工程建设中的一个重要课题，对于解决沼气发电工程中资源供需不对称问题、使资源得到充分利用，以及保护当地生态环境具有重要意义。本研究充分考虑沼气发电工程生产运行系统中发酵原料、沼肥、沼气等的供需情况，提出了基于系统动力学方法的沼气发电工程资源供需模型。该模型包括状态变量，如人口总数和各类禽畜总数等，每个状态变量两侧都有1个速率变量，还包括发酵原料、沼肥、沼气等供需有关的常量或辅助变量。然后，在原有模型的基础上通过修改或增加某些变量，构造出了沼气发电工程资源供需优化模型。最后，通过1个具体案例，证明该模型是解决沼气发电工程资源优化问题的一种实用方法。

关键词：沼气发电工程；系统动力学；资源供需；优化模型

中图分类号： S216.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0478-05

收稿日期：2015-05-14

基金项目：国家自然科学基金 （编号：71201057）。

作者简介：张彩庆（1964—），男，河北保定人，博士，教授，研究方向为技术经济及管理、电力市场等。E-mail：hdzhangcaiqing@126.com。

通信作者：臧鹏飞，硕士研究生，研究方向为物流工程。E-mail：291996671@qq.com。 能源短缺和环境污染是我国农村亟待解决的两大难题，而沼气发电工程是解决这些问题的有力措施。在农村发展沼气不仅能开发新能源、让农民用上清洁绿色能源、节约农民生活用能成本，而且也可以充分利用禽畜粪便、保护生态环境。此外，沼肥也可以作为农村耕地的肥料，节约农民生产成本。但是，很多沼气发电工程由于在兴建之前没有对沼气生产系统进行规划与分析，导致沼气发电工程在生产运行时出现了资源供需不配套等问题，不仅造成了资源浪费，而且造成生态环境污染。因此，依据发酵原料、沼肥及沼气的供需情况，确定沼气发电工程的规模大小和合理安排沼气生产，使各种资源充分合理利用，是沼气发电工程生产运行中首要解决的问题。

近年来，我国对沼气发电工程的研究工作越来越重视，学者们从不同方面对沼气产业的发展进行了讨论。如张无敌等分析了农村沼气和商品化沼气池的发展情况，对促进沼气产业发展提出了一些建议[1]。张佰明阐述了沼气发电工程在现代生态建设中的6大功能、沼气产业化发展思路、沼气产业规模化发展模式等，最后提出以基地示范效应促进沼气产业发展[2]。

国内外关于系统动力学应用和沼气发电工程运行中供需平衡问题的研究较少。Andrews首次提出了厌氧消化系统的动态抑制结构模型[3]，其他一些研究人员先后对该模型进行了修正和补充[4-6]。王凯军等结合黑箱模型和结构模型，提出了对厌氧动力学进行模拟的系统动力学方法[7]。顾树华等采用系统动力学模型对沼气发展的综合效益进行了分析，并以1个具体案例说明了系统动力学能帮助我们更好地认识沼气建设的效益，并为制定发展政策提供很好的参考[8]。欧阳彪先对沼气运行状态进行分析，然后用线性规划模型分析了沼气的供需模型并对原料及能源供需进行了优化[9]。王丽丽等应用系统动力学和有限元热平衡分析方法，针对黑龙江省某大型沼气发电工程，研究其能量供需平衡情况，并确定工程实际运行过程中的一些关键参数[10]。

一般沼气发电工程由政府投资建设，禽畜粪便等是沼气发电工程主要的发酵原料，其产生的沼气用于农户的炊事和取暖用气或供温室大棚用气，沼液、沼渣可用作肥料。如剩余沼气特别多，可以考虑利用沼气发电等。沼气发电工程的生产系统相当复杂，需要考虑发酵原料、沼肥等的供需平衡问题，以免造成资源浪费和环境污染，所以需要对这个系统的资源供需进行优化研究。本研究对沼气发电工程生产运行系统的资源供需优化问题进行研究，以实现各种资源的合理利用，充分发挥沼气发电工程在解决农村能源问题和环境保护中的作用。

1模型

1.1沼气发电工程生产运行系统

沼气发电工程一般都是由政府投资建设，通常都兴建在养殖场等发酵原料充沛的地方。沼气发电工程生产运行系统由前处理工程、生产工程、后处理工程组成。前处理工程包括发酵原料运输、浓度调节等，生产工程包括保温、原料搅拌等，后处理工程包括沼气的净化、管道运输以及沼肥的利用等。发酵原料主要是禽畜粪便等，净化的沼气供农户们炊事供暖使用，沼液沼渣等沼肥返入耕地作为肥料[11-12]。依据发酵原料和农户对沼气的需求量来确定沼气发电工程的规模。其因果关系如下：（1）有关沼气供给的因果关系：发酵原料→沼气发电工程的规模→ 沼气量→可供的农户数；（2）有关沼气需求的因果关系：农户数→沼气的需求量→沼气发电工程规模→发酵原料需求量。

1.2系统动力学

系统动力学[13-16]是对系统进行分析及实现计算机模拟仿真的有效方法，在许多领域都发挥了重要作用。它以控制论为基础，对系统中的各个因素进行因果关系分析，根据信息反馈原理，描述整个系统的运行情况。根据系统因果关系建立随时间变化的动态模拟仿真模型，在进行仿真过程中，可以改变模型中的一些变量来优化运行系统，从而提供更好的结果，作出更好的决策。

1.3沼气发电工程资源供需模型

1.3.1基本假设本研究应用VENSIM 软件建立沼气发电工程生产运行系统资源供需的系统动力学模型，各个变量的参数基本依据原始的模型设定，通过修改原来模型的数据或增加某些变量，对原始模型进行优化，使沼气发电工程的资源供需状况得到更好的改善。特做如下假设：

（1）农村的沼气发电工程能够在其整个寿命周期内持续运行，其生产能力处于基本稳定的状态[17]；

（2）农户人口及饲养禽畜的数量不会出现大幅增减的状况；

（3）剩余的禽畜粪便和产生的沼肥都被用作改良耕地的肥料[18-19]。

1.3.2模型构建沼气发电工程资源供需系统动力学模型见图1。

1.3.3建立仿真方程式

1.3.4沼气发电工程资源供需优化模型基于上述沼气发电工程资源供需的系统动力学模型，要使沼气发电工程的资源供需状况得到更好的改善，我们需要修改或增加模型中的一些变量，以对其进行优化。如农村沼气发电工程[20-21]产生的沼气不仅能满足计划供气的农户需求，还有很多剩余，则可以考虑其他用途，比如给更多的农户供应沼气，也可以考虑建温室大棚；同时，沼气发电工程产生的沼肥可首先要满足农业耕地对肥料的需求和其他用途比如温室大棚对它的需求，剩下的沼肥可以用来生产商品颗粒有机肥。假如沼气发电工程的规模很大，生产的沼气除了满足农户和温室大棚的需求外，剩余的沼气可以用来发电（图2）。

改变的仿真方程式：

2具体算例

2.1河北某沼气发电工程简介

河北省某沼气发电工程被计划兴建于某村，沼气发电工程规模暂定为1 000 m3，并在2015年正式投产。该工程以禽畜粪便为发酵原料，产生的沼气为农户提供炊事和取暖用能，而且产生的沼肥还可被用作改良耕地的肥料。该村有 892 户，3 618 口人，耕地面积1 058.933 hm2，主要以生产猪为主导产业。目前，猪饲养量 18 000头。日处理鲜猪粪 345 t，年产沼气可达35.2 万m3，依托该工程，能够为600户农户提供沼气。

2.2模型

依据河北某沼气发电工程生产运行的实际资源供需关系，以沼气需求总量、施肥耕地需求量、猪粪和沼肥的供需差、沼气发电工程规模等变量为主要研究对象，沼气发电工程资源供需动力学模型见图3。

2.3模型模拟及结果分析

依据河北某村的人口及猪的数量变化和有关沼气发电工程的生产运行参数，查找其他沼气发电工程相关数据并经过检验后，确定了上述模型是有效的。模型包含很多变量，主要变量的初值如下：总人口数的初值是2 343，猪的总数的初值是18 000，设定此模型的模拟时间为16年，时间步长为 1。在模型模拟仿真运行中，主要考察沼气需求总量、施肥耕地需求量、猪粪和沼肥的供需差、沼气发电工程规模等变量（表1）。主要变量的初值如下：

从表1能够看出，沼气需求总量、沼气发电工程规模、猪粪总产量、用户数量、施肥耕地需求量、猪粪的供需差都随时间变化呈上升趋势。依据人口出生率及死亡率，600 户农户在未来16 年将会增加到628 户，沼气需求总量每年达 23.71万～24.78 万 m3，计划兴建的1 000 m3沼气发电工程可以满足600户农户未来 16 年对沼气的需求，并且每年还能剩余10.42万～11.49 万m3的沼气。对于此问题，可以考虑增加沼气供气的农户数，以便能够充分利用沼气。该村猪粪产量每年达 12.6万～17.59万 t，它主要被用作沼气发电工程的发酵原料，而且每年还剩余11.98万～16.95 万 t 。沼气生产会产生大量的沼液、沼渣等沼肥，假如要把所有剩下的沼肥和粪肥利用掉，那么就需要2 320～3 267 hm2的农业耕地，但是这比现有的耕地面积要多许多，这说明该村的沼气发电工程虽然可以获得一定的效益，可是还存在着许多的问题，比如资源浪费及环境污染等。

2.4优化分析

根据上述系统动力学模型的模拟分析，河北某沼气发电工程不但要增加其生产规模，而且要改善它的生产运行模式，才能解决该村存在的浪费及污染问题。

现在假定该沼气发电工程产生的沼气能够满足该村892户人口的炊事和取暖用能，产生的猪粪大都被用作沼气发电工程的发酵原料，剩下的猪粪全部用作农业耕地肥料，产生的沼肥先满足该村耕地所需肥料，剩余的经过后续加工处理生产成商品颗粒有机肥（图4）。该村的施肥耕地面积是1 058.933 hm2，设定生产颗粒有机肥比例为 0.125[22]（表2）。

沼气需求总量、沼气发电工程规模、沼肥供需差及颗粒有机肥总产量都随时间变化呈上升趋势。沼气发电工程规模只有达到 992～1 038 m3才能为全村农户提供集中供气。该村892户农户在未来16年每年沼气需求总量34.92万～36.57万 m3。沼气发电工程产生的沼肥先被用作耕地肥料，剩余的6.40万～11.37万t每年可以生产 8 002.19～14 208.3 t 商品颗粒有机肥（表2）。通过上述分析，优化后的沼气发电工程不仅能为全村农户提供清洁的炊事和取暖用气，还可以利用剩余的沼肥生产出商品颗粒有机肥，为该村带来了巨大的效益：一方面解决了该村的资源浪费和环境污染问题，另一方面满足了该村的能源需求问题。此外，生产的颗粒有机肥也增加了该村的经济收益。目前，该村已将有机肥生产项目列入沼气发电工程配套项目。

3总结

本研究对沼气发电工程的生产运行系统资源供需与优化进行了分析，应用系统动力学方法，建立了沼气发电工程资源供需模型。通过改变模型中的发酵原料、沼肥、沼气等变量对沼气发电工程生产运行系统进行了优化，建立了资源供需优化模型，实现了沼气发电工程资源平衡，为沼气发电工程建设提供理论依据。此外，将该模型应用于河北省某沼气发电工程项目的资源优化，证明了该方法的可行性和有效性。

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