養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

劉青榮， 阮應(yīng)君， 吳家正

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

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養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

劉青榮1， 阮應(yīng)君2， 吳家正2

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

沼氣工程中厭氧反應(yīng)器由于溫度不穩(wěn)定導(dǎo)致產(chǎn)沼量變動(dòng)，從而阻礙了沼氣的有效利用。針對(duì)這一問(wèn)題，文章對(duì)某養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程進(jìn)行了沼氣綜合利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在給厭氧反應(yīng)器加熱保溫保持沼氣連續(xù)產(chǎn)出的基礎(chǔ)之上，綜合利用沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。在對(duì)系統(tǒng)的選型和運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果介紹的基礎(chǔ)之上，建立沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明對(duì)于本沼氣綜合利用系統(tǒng)來(lái)講，在保證連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)沼氣的基礎(chǔ)之上，讓更多的沼氣用于發(fā)電，將會(huì)改善整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

沼氣綜合利用系統(tǒng)； 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)； 火用成本差； 火用經(jīng)濟(jì)因子

隨著養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模和數(shù)量的增多，沼氣工程的建設(shè)為了處理養(yǎng)殖帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題提供了行之有效的途徑。然而對(duì)于厭氧發(fā)酵工藝，由于厭氧反應(yīng)器無(wú)法維持適宜的產(chǎn)沼溫度[1]，造成沼氣產(chǎn)量不穩(wěn)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(yīng)器加熱保溫，而對(duì)沼氣的綜合利用未作全面的分析。基于此，筆者對(duì)某養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程進(jìn)行了沼氣綜合利用系統(tǒng)的改造。本系統(tǒng)中利用沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機(jī)以及太陽(yáng)能集熱加熱3個(gè)子系統(tǒng)為厭氧反應(yīng)器加熱保溫，使其達(dá)到最佳產(chǎn)沼溫度，同時(shí)利用沼氣發(fā)電機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)沼氣的有效利用，既能發(fā)電又同時(shí)供熱。

文章在首先介紹了前期系統(tǒng)選型和運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)之上，建立了沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，進(jìn)而通過(guò)火用成本差、火用經(jīng)濟(jì)因子來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的分析評(píng)價(jià)。從而找出系統(tǒng)的熱力學(xué)改善對(duì)象和經(jīng)濟(jì)學(xué)改善對(duì)象，從而為系統(tǒng)在養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程設(shè)計(jì)中提供理論指導(dǎo)。

1 沼氣綜合利用系統(tǒng)和設(shè)備選型及運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果介紹

1.1 沼氣綜合利用系統(tǒng)簡(jiǎn)介

沼氣工程設(shè)計(jì)研究的對(duì)象養(yǎng)殖場(chǎng)參看文獻(xiàn)[2]，基于此養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)計(jì)的沼氣綜合利用系統(tǒng)流程如圖1所示。厭氧反應(yīng)器內(nèi)所產(chǎn)沼氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，再經(jīng)過(guò)后面的沼氣凈化設(shè)備、增壓設(shè)備后，優(yōu)先供給沼氣鍋爐使用，沼氣鍋爐的熱水用來(lái)給厭氧反應(yīng)器供熱保溫，在沼氣有剩余的情況下考慮供給發(fā)電機(jī)組發(fā)電使用，發(fā)電的同時(shí)煙氣余熱同樣為厭氧反應(yīng)器提供保溫?zé)崃俊Ｔ谡託獍l(fā)電余熱可以保證厭氧反應(yīng)器的熱需求的情況下，沼氣鍋爐停運(yùn)，從而可以利用更多的沼氣發(fā)電產(chǎn)生高品位電能。此外系統(tǒng)中還增加了太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)，來(lái)為系統(tǒng)補(bǔ)充加熱。

圖1 沼氣綜合利用系統(tǒng)流程圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)備選型和運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

基于以前的研究[2]，以投資收益率最大化為目標(biāo)的設(shè)備選型和運(yùn)行優(yōu)化策略分別見(jiàn)表1和表2。

表1 系統(tǒng)設(shè)備選型

表2 各季節(jié)運(yùn)行策略及收益率

優(yōu)化是基于沼氣充分利用、厭氧反應(yīng)器需熱量?jī)?yōu)先保證，盡可能多的利用沼氣進(jìn)行發(fā)電的前提之下，選型優(yōu)化結(jié)果為發(fā)電機(jī)組容量為35 kW，沼氣鍋爐容量40 kW，而太陽(yáng)能集熱器由于投資上的不合理，優(yōu)化結(jié)果的顯示為0。

不同季節(jié)的系統(tǒng)運(yùn)行策略表可以發(fā)現(xiàn)，由于厭氧反應(yīng)器需熱量需優(yōu)先供應(yīng)，因此對(duì)于厭氧反應(yīng)器需熱量大的冬季，鍋爐需在36.8 kW的功率下運(yùn)行，供應(yīng)沼氣鍋爐之后，剩余沼氣不多，因此冬季發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率為18.9 kW,在約54%的部分負(fù)荷下運(yùn)行。而夏季由于厭氧反應(yīng)器需熱量的減小，發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)的煙氣余熱已經(jīng)能夠滿足需求，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率為32.2 kW，接近滿負(fù)荷運(yùn)行。春秋兩季介于冬夏季之間，鍋爐運(yùn)行功率為13.8 kW，而發(fā)電機(jī)運(yùn)行功率為27.2 kW。

由于夏季發(fā)電機(jī)運(yùn)行功率大，發(fā)電量大，其投資收益率最高，可達(dá)14.1%。即使冬季，投資收益率仍可達(dá)到4.64%。

2 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)模型

2.1 系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)矩陣

根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化選型結(jié)果，綜合利用系統(tǒng)中不設(shè)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)，因此文章中的沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型圖見(jiàn)圖2。系統(tǒng)中共有厭氧反應(yīng)器、沼氣鍋爐和沼氣發(fā)電機(jī)3個(gè)子系統(tǒng)。分別有沼氣鍋爐進(jìn)氣、發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣、沼氣鍋爐供熱、發(fā)電機(jī)組發(fā)電、發(fā)電機(jī)組供熱5股火用流，基于參考文獻(xiàn)[3-4]，本系統(tǒng)的事件矩陣A、各股火用流的對(duì)角矩陣E，各股火用流的單價(jià)向量C和各個(gè)子系統(tǒng)的非能量費(fèi)用向量Cp分列如下。

各個(gè)矩陣和向量之間關(guān)系如公式(1)：

A×E×C=-Cp

(1)

由于e1和e2為從厭氧反應(yīng)器輸入沼氣鍋爐和發(fā)電機(jī)組的沼氣，其火用價(jià)應(yīng)相等； e4為發(fā)電機(jī)組發(fā)電，e5為發(fā)電機(jī)組余熱為厭氧反應(yīng)器的供熱，而對(duì)本系統(tǒng)而言,給厭氧反應(yīng)器的供熱處于極其重要的地位，為系統(tǒng)能夠運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)，同時(shí)參考文獻(xiàn)[5]，e4和e5的火用價(jià)相等。由此熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型的補(bǔ)充方程為式(2)和(3)。

c1=c2

(2)

c4=c5

(3)

圖2 沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型圖

2.2 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-4]

為了定量和定性評(píng)價(jià)本沼氣綜合利用系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)性能的優(yōu)劣，引入火用成本差和火用經(jīng)濟(jì)因子，其中子系統(tǒng)i的火用成本差的計(jì)算定義為公式(4):

ΔCi,d=ΔCin,d-ΔCout,d

(4)

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

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

(5)

(6)

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

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

(7)

(8)

式中：Cpi為子系統(tǒng)i的非能量費(fèi)用。

對(duì)于子系統(tǒng)i,若輸入火用流量為定值，則采用公式(7)做計(jì)算，反之若子系統(tǒng)i的輸出火用流量為定值，再采用公式(8)做計(jì)算。通常情況下，若f<0.3時(shí)，則表明子系統(tǒng)火用成本主要受系統(tǒng)的熱工性能影響，需從系統(tǒng)的熱工設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善；若f>0.7,則火用成本主要受非能量費(fèi)用的影響；而0.3

3 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

3.1 火用流和火用價(jià)

根據(jù)上面的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，沼氣綜合利用系統(tǒng)的火用流和火用價(jià)結(jié)果分別表示在表3和表4中。

由于此次沼氣綜合利用系統(tǒng)的資源來(lái)源于養(yǎng)殖場(chǎng)牲畜的糞便污水，沒(méi)有任何外部能源的輸入而帶來(lái)的成本，成本中僅僅為養(yǎng)殖場(chǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行人員約2個(gè)人以及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，所以系統(tǒng)的火用價(jià)都非常低，從表4來(lái)看，均低于0.09元·MJ-1。由表3和表4可見(jiàn)，由于系統(tǒng)在不同季節(jié)的運(yùn)行策略的不同，系統(tǒng)在不同季節(jié)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(jià)小于發(fā)電機(jī)組的供熱火用價(jià)。春秋季由于鍋爐供熱份額的減少，鍋爐部分負(fù)荷運(yùn)行，熱工性能變差，導(dǎo)致其供熱火用價(jià)的升高。與鍋爐相反，在春秋季發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率提高，其發(fā)電火用價(jià)和供熱火用價(jià)都降低。在夏季發(fā)電機(jī)組發(fā)電余熱足夠厭氧反應(yīng)器供熱，沼氣鍋爐不運(yùn)行，因此其輸入輸出火用流均為零。而隨著發(fā)電機(jī)組接近滿負(fù)荷運(yùn)行，其火用流增大，而火用價(jià)降到最低。

表3 沼氣綜合利用系統(tǒng)火用流 (MJ)

表4 沼氣綜合利用系統(tǒng)火用價(jià) (元·MJ-1)

3.2 火用成本差和火用經(jīng)濟(jì)因子分析

本沼氣綜合利用系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的火用成本差見(jiàn)圖3。厭氧反應(yīng)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(fā)酵，因此其成本最低；而冬季由于采用自產(chǎn)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(duì)于沼氣鍋爐而言，冬季基本滿負(fù)荷運(yùn)行，熱工性能較好，因此火用成本差要比春秋季部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的火用成本差要低；而沼氣鍋爐在夏季不運(yùn)行，沒(méi)有火用流的產(chǎn)生，因此火用成本差為零。發(fā)電機(jī)組從冬季到春秋季再過(guò)渡到夏季，根據(jù)運(yùn)行策略，其運(yùn)行負(fù)荷越來(lái)越接近于滿負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)熱工性能越來(lái)越好，因此火用成本差逐漸降低。

圖3 各子系統(tǒng)的火用成本差

圖4表示了各個(gè)子系統(tǒng)的火用經(jīng)濟(jì)因子。由圖4可見(jiàn)，沼氣鍋爐的火用經(jīng)濟(jì)因子介于0.3～0.5之間，根據(jù)火用經(jīng)濟(jì)因子的意義，其火用成本差是由系統(tǒng)的熱工性能和非能量成本共同作用的結(jié)果。而發(fā)電機(jī)組在冬季和春秋季其火用經(jīng)濟(jì)因子低于0.3，這說(shuō)明發(fā)電機(jī)組在冬季和春秋季的火用成本差主要是由于發(fā)電機(jī)組的熱工性能不佳引起的，而從運(yùn)行策略來(lái)看，這兩個(gè)季節(jié)發(fā)電機(jī)組均在部分負(fù)荷下運(yùn)行，其熱工性能相對(duì)較差。夏季發(fā)電機(jī)組的火用經(jīng)濟(jì)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(jié)果。厭氧反應(yīng)器根據(jù)沼氣發(fā)酵主要受溫度的影響的角度來(lái)看，夏季其工作工況最好，因此其火用經(jīng)濟(jì)因子大于0.7，火用成本差主要受非能量費(fèi)用的影響。厭氧反應(yīng)器在冬季的火用經(jīng)濟(jì)因子低于0.3，顯然是其發(fā)酵工況不夠好引起的，即使在春秋季其火用經(jīng)濟(jì)因子也僅有0.31，非能量費(fèi)用的影響較少。

圖4 各子系統(tǒng)的火用經(jīng)濟(jì)因子

基于以上對(duì)火用成本差和火用經(jīng)濟(jì)因子的分析，對(duì)于該沼氣綜合利用系統(tǒng)中，為了提高熱經(jīng)濟(jì)性，冬季應(yīng)從改善發(fā)電機(jī)組的熱工特性和提高厭氧反應(yīng)器的工作溫度上著手；夏季主要從降低人工費(fèi)和設(shè)備相關(guān)維護(hù)費(fèi)用上著手。且夏季的各種火用成本差都比其他季節(jié)要低，因此對(duì)于該沼氣綜合利用系統(tǒng)在保證連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)沼氣的基礎(chǔ)之上，讓更多的沼氣用于發(fā)電，將會(huì)改善整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

文章針對(duì)某養(yǎng)殖場(chǎng)所設(shè)計(jì)的沼氣綜合利用系統(tǒng)，在介紹了系統(tǒng)的設(shè)備選型和運(yùn)行策略優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)之上，參照參考文獻(xiàn)[2]，畫出了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型圖，并列出了其熱經(jīng)濟(jì)學(xué)矩陣，經(jīng)計(jì)算得出各子系統(tǒng)的火用流和火用價(jià)，并對(duì)各子系統(tǒng)的火用成本差和火用經(jīng)濟(jì)因子進(jìn)行了分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，各子系統(tǒng)的火用價(jià)均較低，而火用成本差也受系統(tǒng)在不同季節(jié)的運(yùn)行策略的影響，且從火用經(jīng)濟(jì)因子的角度來(lái)看，不同子系統(tǒng)在不同季節(jié)其提高改善熱經(jīng)濟(jì)性的著手點(diǎn)也不相同。對(duì)于該沼氣綜合利用系統(tǒng)來(lái)講，在保證連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)沼氣的基礎(chǔ)之上，讓更多的沼氣用于發(fā)電，將會(huì)改善整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

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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(xiàng)目來(lái)源： “十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAJ21B01-01)

劉青榮(1976 - )，女，山東煙臺(tái)人，副教授，主要研究方向?yàn)槟茉聪到y(tǒng)，E-mail: lqr0320@sina.com

S216.4

B

1000-1166(2016)02-0062-04