养殖场沼气综合利用系统的热经济学分析

刘青荣， 阮应君， 吴家正

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院， 上海 200090； 2.同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)



养殖场沼气综合利用系统的热经济学分析

刘青荣1， 阮应君2， 吴家正2

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院， 上海 200090； 2.同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)

沼气工程中厌氧反应器由于温度不稳定导致产沼量变动，从而阻碍了沼气的有效利用。针对这一问题，文章对某养殖场的沼气工程进行了沼气综合利用系统的设计，在给厌氧反应器加热保温保持沼气连续产出的基础之上，综合利用沼气进行热电联产。在对系统的选型和运行优化结果介绍的基础之上，建立沼气综合利用系统的热经济学模型，进而对其进行热经济性指标评价。评价结果表明对于本沼气综合利用系统来讲，在保证连续稳定的产沼气的基础之上，让更多的沼气用于发电，将会改善整个系统的经济效益。

沼气综合利用系统； 热经济学； 火用成本差； 火用经济因子

随着养殖场规模和数量的增多，沼气工程的建设为了处理养殖带来的环境问题提供了行之有效的途径。然而对于厌氧发酵工艺，由于厌氧反应器无法维持适宜的产沼温度[1]，造成沼气产量不稳定，沼气不能有效利用。目前很多研究涉及到了如何为厌氧反应器加热保温，而对沼气的综合利用未作全面的分析。基于此，笔者对某养殖场的沼气工程进行了沼气综合利用系统的改造。本系统中利用沼气锅炉、沼气发电机以及太阳能集热加热3个子系统为厌氧反应器加热保温，使其达到最佳产沼温度，同时利用沼气发电机热电联产来实现沼气的有效利用，既能发电又同时供热。

文章在首先介绍了前期系统选型和运行优化结果的基础之上，建立了沼气综合利用系统的热经济学模型，进而通过火用成本差、火用经济因子来对系统进行热经济学的分析评价。从而找出系统的热力学改善对象和经济学改善对象，从而为系统在养殖场的沼气工程设计中提供理论指导。

1 沼气综合利用系统和设备选型及运行优化结果介绍

1.1 沼气综合利用系统简介

沼气工程设计研究的对象养殖场参看文献[2]，基于此养殖场设计的沼气综合利用系统流程如图1所示。厌氧反应器内所产沼气进入储气罐，再经过后面的沼气净化设备、增压设备后，优先供给沼气锅炉使用，沼气锅炉的热水用来给厌氧反应器供热保温，在沼气有剩余的情况下考虑供给发电机组发电使用，发电的同时烟气余热同样为厌氧反应器提供保温热量。在沼气发电余热可以保证厌氧反应器的热需求的情况下，沼气锅炉停运，从而可以利用更多的沼气发电产生高品位电能。此外系统中还增加了太阳能热利用系统，来为系统补充加热。

图1 沼气综合利用系统流程图

1.2 系统设备选型和运行优化结果

基于以前的研究[2]，以投资收益率最大化为目标的设备选型和运行优化策略分别见表1和表2。

表1 系统设备选型

表2 各季节运行策略及收益率

优化是基于沼气充分利用、厌氧反应器需热量优先保证，尽可能多的利用沼气进行发电的前提之下，选型优化结果为发电机组容量为35 kW，沼气锅炉容量40 kW，而太阳能集热器由于投资上的不合理，优化结果的显示为0。

不同季节的系统运行策略表可以发现，由于厌氧反应器需热量需优先供应，因此对于厌氧反应器需热量大的冬季，锅炉需在36.8 kW的功率下运行，供应沼气锅炉之后，剩余沼气不多，因此冬季发电机的运行功率为18.9 kW,在约54%的部分负荷下运行。而夏季由于厌氧反应器需热量的减小，发电机发电时的烟气余热已经能够满足需求，发电机的运行功率为32.2 kW，接近满负荷运行。春秋两季介于冬夏季之间，锅炉运行功率为13.8 kW，而发电机运行功率为27.2 kW。

由于夏季发电机运行功率大，发电量大，其投资收益率最高，可达14.1%。即使冬季，投资收益率仍可达到4.64%。

2 热经济学评价模型

2.1 系统热经济学矩阵

根据系统优化选型结果，综合利用系统中不设太阳能热利用系统，因此文章中的沼气综合利用系统的热经济学模型图见图2。系统中共有厌氧反应器、沼气锅炉和沼气发电机3个子系统。分别有沼气锅炉进气、发电机组进气、沼气锅炉供热、发电机组发电、发电机组供热5股火用流，基于参考文献[3-4]，本系统的事件矩阵A、各股火用流的对角矩阵E，各股火用流的单价向量C和各个子系统的非能量费用向量Cp分列如下。

各个矩阵和向量之间关系如公式(1)：

A×E×C=-Cp

(1)

由于e1和e2为从厌氧反应器输入沼气锅炉和发电机组的沼气，其火用价应相等； e4为发电机组发电，e5为发电机组余热为厌氧反应器的供热，而对本系统而言,给厌氧反应器的供热处于极其重要的地位，为系统能够运行的关键一环，同时参考文献[5]，e4和e5的火用价相等。由此热经济学模型的补充方程为式(2)和(3)。

c1=c2

(2)

c4=c5

(3)

图2 沼气综合利用系统的热经济学模型图

2.2 热经济学评价指标[3-4]

为了定量和定性评价本沼气综合利用系统的各子系统的热经济学性能的优劣，引入火用成本差和火用经济因子，其中子系统i的火用成本差的计算定义为公式(4):

ΔCi,d=ΔCin,d-ΔCout,d

(4)

式中 ：ΔCin,d为子系统i的输入火用的平均火用价；ΔCout,d为子系统i的输出火用的平均火用价。

若子系统i由m股火用流入，n股火用流出，则ΔCin,d和ΔCout,d的计算方法如公式(5)和(6)。

(5)

(6)

式中：Cin,j，ein,j分别为子系统i输入的第j股火用流的火用价和火用流；Cout,j，eout,j分别为子系统i输出的第j股火用流的火用价和火用流。

火用成本差反应的是火用在子系统i中转换所需付出的代价，若火用成本差越大，说明其代价越大。但此代价并不能显示是由于子系统i的热工性能引起的还是该子系统的非能量成本造成的。因此定义了火用经济因子f,其计算式为公式(7)或式(8)。

(7)

(8)

式中：Cpi为子系统i的非能量费用。

对于子系统i,若输入火用流量为定值，则采用公式(7)做计算，反之若子系统i的输出火用流量为定值，再采用公式(8)做计算。通常情况下，若f<0.3时，则表明子系统火用成本主要受系统的热工性能影响，需从系统的热工设计和结构上进行改善；若f>0.7,则火用成本主要受非能量费用的影响；而0.3

3 评价结果及分析

3.1 火用流和火用价

根据上面的热经济性评价模型，沼气综合利用系统的火用流和火用价结果分别表示在表3和表4中。

由于此次沼气综合利用系统的资源来源于养殖场牲畜的粪便污水，没有任何外部能源的输入而带来的成本，成本中仅仅为养殖场的系统运行人员约2个人以及设备维护费用，所以系统的火用价都非常低，从表4来看，均低于0.09元·MJ-1。由表3和表4可见，由于系统在不同季节的运行策略的不同，系统在不同季节的火用流也不同，冬季主要由沼气锅炉供热，因此沼气锅炉的火用流较大，且沼气锅炉的供热火用价小于发电机组的供热火用价。春秋季由于锅炉供热份额的减少，锅炉部分负荷运行，热工性能变差，导致其供热火用价的升高。与锅炉相反，在春秋季发电机组的运行功率提高，其发电火用价和供热火用价都降低。在夏季发电机组发电余热足够厌氧反应器供热，沼气锅炉不运行，因此其输入输出火用流均为零。而随着发电机组接近满负荷运行，其火用流增大，而火用价降到最低。

表3 沼气综合利用系统火用流 (MJ)

表4 沼气综合利用系统火用价 (元·MJ-1)

3.2 火用成本差和火用经济因子分析

本沼气综合利用系统中各子系统的火用成本差见图3。厌氧反应器的火用成本差中，夏季由于粪便污水的温度较高，比较适合沼气的发酵，因此其成本最低；而冬季由于采用自产的沼气利用沼气锅炉供暖，火用成本差比夏季要高；春秋季的火用成本差与冬季基本持平。对于沼气锅炉而言，冬季基本满负荷运行，热工性能较好，因此火用成本差要比春秋季部分负荷运行时的火用成本差要低；而沼气锅炉在夏季不运行，没有火用流的产生，因此火用成本差为零。发电机组从冬季到春秋季再过渡到夏季，根据运行策略，其运行负荷越来越接近于满负荷运行，系统热工性能越来越好，因此火用成本差逐渐降低。

图3 各子系统的火用成本差

图4表示了各个子系统的火用经济因子。由图4可见，沼气锅炉的火用经济因子介于0.3～0.5之间，根据火用经济因子的意义，其火用成本差是由系统的热工性能和非能量成本共同作用的结果。而发电机组在冬季和春秋季其火用经济因子低于0.3，这说明发电机组在冬季和春秋季的火用成本差主要是由于发电机组的热工性能不佳引起的，而从运行策略来看，这两个季节发电机组均在部分负荷下运行，其热工性能相对较差。夏季发电机组的火用经济因子约为0.4，火用成本差由热工性能和非能量成本共同作用的结果。厌氧反应器根据沼气发酵主要受温度的影响的角度来看，夏季其工作工况最好，因此其火用经济因子大于0.7，火用成本差主要受非能量费用的影响。厌氧反应器在冬季的火用经济因子低于0.3，显然是其发酵工况不够好引起的，即使在春秋季其火用经济因子也仅有0.31，非能量费用的影响较少。

图4 各子系统的火用经济因子

基于以上对火用成本差和火用经济因子的分析，对于该沼气综合利用系统中，为了提高热经济性，冬季应从改善发电机组的热工特性和提高厌氧反应器的工作温度上着手；夏季主要从降低人工费和设备相关维护费用上着手。且夏季的各种火用成本差都比其他季节要低，因此对于该沼气综合利用系统在保证连续稳定的产沼气的基础之上，让更多的沼气用于发电，将会改善整个系统的经济效益。

4 结论

文章针对某养殖场所设计的沼气综合利用系统，在介绍了系统的设备选型和运行策略优化结果的基础之上，参照参考文献[2]，画出了系统的热经济学模型图，并列出了其热经济学矩阵，经计算得出各子系统的火用流和火用价，并对各子系统的火用成本差和火用经济因子进行了分析。通过分析发现，各子系统的火用价均较低，而火用成本差也受系统在不同季节的运行策略的影响，且从火用经济因子的角度来看，不同子系统在不同季节其提高改善热经济性的着手点也不相同。对于该沼气综合利用系统来讲，在保证连续稳定的产沼气的基础之上，让更多的沼气用于发电，将会改善整个系统的经济效益。

[1] 吴大庆.常规厌氧发酵工艺与大中型沼气工程设计初探[J].安徽工学院学报，1986(2).

[2] 张亚鹏.南方地区中型养殖场沼气热电联产系统设计及评价方法研究 [D]. 上海：上海电力学院，2014.

[3] 赵衍海，罗永浩,等.热经济学分析方法及其在冷凝水回收系统中的应用[J].中国动力工程学报，2005，25(1)：121-125.

[4] 王加璇, 杨勇平, 王清照. 关于热经济学定价的矩阵法[J]. 工程热物理学报，1992, 13(1):1-6.

[5] 彭启珍, 张树芳, 郭江龙. 热经济学成本分析中补充方程的合理构造[J]. 热力发电，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

项目来源： “十二五”国家科技支撑项目(2012BAJ21B01-01)

刘青荣(1976 - )，女，山东烟台人，副教授，主要研究方向为能源系统，E-mail: lqr0320@sina.com

S216.4

B

1000-1166(2016)02-0062-04