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(yǎng)殖場沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)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(wěn)定導致產(chǎn)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(yǎng)殖場的沼氣工程進行了沼氣綜合利用系統(tǒng)的設計，在給厭氧反應器加熱保溫保持沼氣連續(xù)產(chǎn)出的基礎之上，綜合利用沼氣進行熱電聯(lián)產(chǎn)。在對系統(tǒng)的選型和運行優(yōu)化結(jié)果介紹的基礎之上，建立沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟學模型，進而對其進行熱經(jīng)濟性指標評價。評價結(jié)果表明對于本沼氣綜合利用系統(tǒng)來講，在保證連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)沼氣的基礎之上，讓更多的沼氣用于發(fā)電，將會改善整個系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

沼氣綜合利用系統(tǒng)； 熱經(jīng)濟學； 火用成本差； 火用經(jīng)濟因子

隨著養(yǎng)殖場規(guī)模和數(shù)量的增多，沼氣工程的建設為了處理養(yǎng)殖帶來的環(huán)境問題提供了行之有效的途徑。然而對于厭氧發(fā)酵工藝，由于厭氧反應器無法維持適宜的產(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(yǎng)殖場的沼氣工程進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)電機以及太陽能集熱加熱3個子系統(tǒng)為厭氧反應器加熱保溫，使其達到最佳產(chǎn)沼溫度，同時利用沼氣發(fā)電機熱電聯(lián)產(chǎn)來實現(xiàn)沼氣的有效利用，既能發(fā)電又同時供熱。

文章在首先介紹了前期系統(tǒng)選型和運行優(yōu)化結(jié)果的基礎之上，建立了沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟學模型，進而通過火用成本差、火用經(jīng)濟因子來對系統(tǒng)進行熱經(jīng)濟學的分析評價。從而找出系統(tǒng)的熱力學改善對象和經(jīng)濟學改善對象，從而為系統(tǒng)在養(yǎng)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(tǒng)和設備選型及運行優(yōu)化結(jié)果介紹

1.1 沼氣綜合利用系統(tǒng)簡介

沼氣工程設計研究的對象養(yǎng)殖場參看文獻[2]，基于此養(yǎng)殖場設計的沼氣綜合利用系統(tǒng)流程如圖1所示。厭氧反應器內(nèi)所產(chǎn)沼氣進入儲氣罐，再經(jīng)過后面的沼氣凈化設備、增壓設備后，優(yōu)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(fā)電機組發(fā)電使用，發(fā)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(fā)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(fā)電產(chǎn)生高品位電能。此外系統(tǒng)中還增加了太陽能熱利用系統(tǒng)，來為系統(tǒng)補充加熱。

圖1 沼氣綜合利用系統(tǒng)流程圖

1.2 系統(tǒng)設備選型和運行優(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的設備選型和運行優(yōu)化策略分別見表1和表2。

表1 系統(tǒng)設備選型

表2 各季節(jié)運行策略及收益率

優(yōu)化是基于沼氣充分利用、厭氧反應器需熱量優(yōu)先保證，盡可能多的利用沼氣進行發(fā)電的前提之下，選型優(yōu)化結(jié)果為發(fā)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(yōu)化結(jié)果的顯示為0。

不同季節(jié)的系統(tǒng)運行策略表可以發(fā)現(xiàn)，由于厭氧反應器需熱量需優(yōu)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(fā)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(fā)電機發(fā)電時的煙氣余熱已經(jīng)能夠滿足需求，發(fā)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(fā)電機運行功率為27.2 kW。

由于夏季發(fā)電機運行功率大，發(fā)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(jīng)濟學評價模型

2.1 系統(tǒng)熱經(jīng)濟學矩陣

根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化選型結(jié)果，綜合利用系統(tǒng)中不設太陽能熱利用系統(tǒng)，因此文章中的沼氣綜合利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟學模型圖見圖2。系統(tǒng)中共有厭氧反應器、沼氣鍋爐和沼氣發(fā)電機3個子系統(tǒng)。分別有沼氣鍋爐進氣、發(fā)電機組進氣、沼氣鍋爐供熱、發(fā)電機組發(fā)電、發(fā)電機組供熱5股火用流，基于參考文獻[3-4]，本系統(tǒng)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(tǒng)的非能量費用向量Cp分列如下。

各個矩陣和向量之間關(guān)系如公式(1)：

A×E×C=-Cp

(1)

由于e1和e2為從厭氧反應器輸入沼氣鍋爐和發(fā)電機組的沼氣，其火用價應相等； e4為發(fā)電機組發(fā)電，e5為發(fā)電機組余熱為厭氧反應器的供熱，而對本系統(tǒng)而言,給厭氧反應器的供熱處于極其重要的地位，為系統(tǒng)能夠運行的關(guān)鍵一環(huán)，同時參考文獻[5]，e4和e5的火用價相等。由此熱經(jīng)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(tǒng)的熱經(jīng)濟學模型圖

2.2 熱經(jīng)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(tǒng)的各子系統(tǒng)的熱經(jīng)濟學性能的優(yōu)劣，引入火用成本差和火用經(jīng)濟因子，其中子系統(tǒng)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(tǒng)i的輸入火用的平均火用價；ΔCout,d為子系統(tǒng)i的輸出火用的平均火用價。

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股火用流的火用價和火用流。

火用成本差反應的是火用在子系統(tǒng)i中轉(zhuǎn)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(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)濟因子f,其計算式為公式(7)或式(8)。

(7)

(8)

式中：Cpi為子系統(tǒng)i的非能量費用。

對于子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)火用成本主要受系統(tǒng)的熱工性能影響，需從系統(tǒng)的熱工設計和結(jié)構(gòu)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(jié)果及分析

3.1 火用流和火用價

根據(jù)上面的熱經(jīng)濟性評價模型，沼氣綜合利用系統(tǒng)的火用流和火用價結(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)的資源來源于養(yǎng)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(yǎng)殖場的系統(tǒng)運行人員約2個人以及設備維護費用，所以系統(tǒng)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(tǒng)在不同季節(jié)的運行策略的不同，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小于發(fā)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(fā)電機組的運行功率提高，其發(fā)電火用價和供熱火用價都降低。在夏季發(fā)電機組發(fā)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(fā)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(tǒng)火用流 (MJ)

表4 沼氣綜合利用系統(tǒng)火用價 (元·MJ-1)

3.2 火用成本差和火用經(jīng)濟因子分析

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(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(chǎn)生，因此火用成本差為零。發(fā)電機組從冬季到春秋季再過渡到夏季，根據(jù)運行策略，其運行負荷越來越接近于滿負荷運行，系統(tǒng)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(tǒng)的火用成本差

圖4表示了各個子系統(tǒng)的火用經(jīng)濟因子。由圖4可見，沼氣鍋爐的火用經(jīng)濟因子介于0.3～0.5之間，根據(jù)火用經(jīng)濟因子的意義，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)電機組在冬季和春秋季其火用經(jīng)濟因子低于0.3，這說明發(fā)電機組在冬季和春秋季的火用成本差主要是由于發(fā)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(jié)發(fā)電機組均在部分負荷下運行，其熱工性能相對較差。夏季發(fā)電機組的火用經(jīng)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(jié)果。厭氧反應器根據(jù)沼氣發(fā)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(jīng)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(jīng)濟因子低于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)濟因子也僅有0.31，非能量費用的影響較少。

圖4 各子系統(tǒng)的火用經(jīng)濟因子

基于以上對火用成本差和火用經(jīng)濟因子的分析，對于該沼氣綜合利用系統(tǒng)中，為了提高熱經(jīng)濟性，冬季應從改善發(fā)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(guān)維護費用上著手。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)沼氣的基礎之上，讓更多的沼氣用于發(fā)電，將會改善整個系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

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

[1] 吳大慶.常規(guī)厭氧發(fā)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(qū)中型養(yǎng)殖場沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(jīng)濟學分析方法及其在冷凝水回收系統(tǒng)中的應用[J].中國動力工程學報，2005，25(1)：121-125.

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[5] 彭啟珍, 張樹芳, 郭江龍. 熱經(jīng)濟學成本分析中補充方程的合理構(gòu)造[J]. 熱力發(fā)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(tǒng)，E-mail: lqr0320@sina.com

S216.4

B

1000-1166(2016)02-0062-04