我国大型养殖场沼气工程经济效益分析——以江西泰华牧业科技有限公司为例

涂国平， 张 浩

(1.南昌大学 管理学院， 江西 南昌 330031； 2.南昌大学 中国中部经济社会发展研究中心， 江西 南昌 330031)

项目来源： 国家自然科学基金资助项目(71163032)； 教育部人文社会科学重点研究基地项目(13JJD630016)

我国大型养殖场沼气工程经济效益分析
——以江西泰华牧业科技有限公司为例

涂国平1，2， 张 浩1

(1.南昌大学 管理学院， 江西 南昌 330031； 2.南昌大学 中国中部经济社会发展研究中心， 江西 南昌 330031)

经济效益是影响沼气工程正常运转的关键因素，对沼气工程能源效益和生态效益的发挥有着重要的意义。文章以经营状况较好的大型养殖场——泰华牧业科技有限公司为研究对象，利用系统动力学方法，从系统发展的角度、运用财务现值分析法分析了其沼气工程的经济效益及经济可行性，得出仅在当前的政府补贴和发电上网两项政策支持下该养殖场沼气工程不具有经济可行性的结论，需进一步提高沼气工程的经济效益，其中促进沼渣有机肥行业的发展和种植经济价值高的作物是提高沼气工程经济效益的有效途径。

沼气工程； 系统动力学； 财务现值分析； 经济可行性

沼气工程具有良好的能源效益和生态效益[1-2]，一方面，沼气工程能够解决养殖场动物粪便尿液的污染问题，并减少温室气体的排放[3]，从而保护环境，促进养殖场的发展；另一方面，沼气工程产生的沼气可以用于发电或者直接用作燃料，部分地区也已经建立了沼气集中供气工程[4]，这都能在一定程度上缓解我国的能源紧张问题，同时发酵得到的沼渣沼液能在一定程度上代替化肥农药，这都符合我国低碳发展的要求，因此沼气工程对于养殖场和社会而言都具有重要意义。然而，目前我国的大型沼气工程的运营现状并不能完全令人满意，在部分地区甚至出现了停运的现象[5]，从而影响了沼气工程能源效益和生态效益的发挥。

沼气工程的能源和生态效益具有一定的外部性[6]。有学者指出对于养殖场而言，沼气工程能否良好运转最关键的因素是经济效益，只有在具有一定经济效益的前提之下，沼气工程才有可能正常运转下去[7]。在沼气工程的经济效益的界定上，除了沼气用于发电、用作燃料或者出售、沼渣出售或者用作肥料等经济收益以外[8-9]，沼液节约化肥农药的费用以及发电机余热回收用于日常生活所节约的能量也应作为沼气工程的经济收益来源[10-11]。在对沼气工程经济效益的评价上，有学者采用财务净现值分析法(NPV)分析并评价了大中型沼气工程的经济效益[12-13]。笔者利用系统动力学方法，以江西泰华牧业科技有限公司为例，从系统发展的角度对该大型养殖场的沼气工程的经济效益做出分析与评价。

1 模型的建立

泰华牧业科技有限公司地处江西省萍乡市湘东区排上镇兰坡村，是当地养殖业的龙头企业。该企业在2008年投资共计360万元(其中中央政府补贴90万元)，建立了配有热电联产的中温厌氧发酵储气一体化的沼气工程，中温厌氧发酵罐的有效容积为1200 m3，沼气发电机额定功率为120 kW，2009年正式投入使用；除此之外，该公司于2005年建造的1200 m3地下式常温发酵沼气池和800 m3地面式常温发酵沼气池仍同时使用。猪粪便用冲栏水稀释后进中温厌氧发酵罐进行中温发酵，猪尿进地下及地面式常温发酵沼气池进行常温发酵。发酵产物为沼液、沼渣和沼气。沼液流经13.3 hm2水稻田，用于灌溉，可代替化肥节约农药，多余的沼液经三级过滤好氧延迟存储工程技术处理后最终达到排放要求[14]；沼渣直接出售；沼气用作生活燃料和沼气发电；从2016年始，可以发电上网，享有政府补贴；发电机运转发出的热量由热量回收装置回收后，一方面传送至发酵罐进行加热，保持罐内35℃的发酵温度，另一方面以热水的形式流经食堂浴室等用于做饭沐浴洗衣等。该养殖场沼气工程收益主要来自于沼气发电的收益、沼气用作燃料的收益、出售沼渣的收益、沼液代替化肥的间接收益，以及利用发电机发电的部分余热以热水的形式用于沐浴洗衣做饭的间接收益；年运行成本主要包括发电机、管道等设备的年维护费用、沼气工程自身年能耗费用、厌氧发酵罐的年清淤费用和管理人员的薪酬。

1.1 系统流图的建立

对沼气工程这一系统进行定性分析：由于考察沼气工程收益问题，因此首先设立沼气工程年利润这一流位；沼气工程的收益主要和沼气产量相关，而沼气产量取决于猪粪尿量，猪粪尿量是由养殖系统确定的；养殖系统的3个关键变量分别是年日均存栏、年出栏、养殖年利润，因此，该系统包括两大子系统，分别是养殖子系统是沼气工程收益子系统，共包含4个流位变量，分别是年日均存栏、年出栏、养殖年利润、沼气工程年利润，再根据实际情况设定各辅助变量，表函数和常量。在此定性分析的基础上，建立沼气工程SD模型(见图1)。

图1 沼气工程SD模型

1.2 仿真方程的构建

仿真方程构造如下：

(1)出栏年变化量(头·年-1)=出栏年基本变化量×日均存栏保障因子；

日均存栏保障因子=IF THEN ELSE(年日均存栏>0.506×年出栏,1,0.96)，该选择函数中0.506为2013年～2015年年日均存栏与年出栏比的平均值；0.96为调控参数。

(2)日均存栏年变化量(头/年)=2009-2015年日均存栏年基本变化量+2016-2028年日均存栏对年出栏变化量关系函数×出栏年变化量×利润促进因子×年未处理猪粪尿制约因子×年未利用沼气污染因子；

2016年～2028年日均存栏对年出栏变化量关系函数=STEP(0.506,2015)，该跳跃函数表示的是设定从2016年开始取值为0.506，之前都取零；

利润促进因子=IF THEN ELSE(总利润>-1,1,0.9)，该选择函数刻画的是即使当年养殖场略亏损，企业规模仍继续发展；

年未处理猪粪尿制约因子=IF THEN ELSE(猪尿年产气量+猪粪年产气量>610776,0.9,1)，610776为根据文献[15]中的公式计算出的泰华养殖场一个厌氧罐和两个发酵池一年的最大产沼气量，该方程刻画的是当“猪尿年产气量+猪粪年产气量>=610776”，即理论产气量大于实际最大产气量时，也就意味着沼气工程不足以处理猪粪尿，今年未处理的猪粪尿逐年堆积产生污染，从而影响日均存栏数，形成对系统的制约；

年未利用沼气污染因子=IF THEN ELSE(沼气年产量×发电用沼气量期望比重×沼气产电量系数>414720,0.9,1)，414720为该发电机在标准工况下的年最大发电量，该方程刻画的是当“发电用沼气量×发电用沼气量期望比重×沼气产电量系数>414720”，即理论发电量大于实际最大发电量，也就意味着发电机没有消耗完沼气，剩余的沼气只能向外排放，产生污染，从而影响日均存栏数，形成对系统的制约。

(3)规模养殖利润年变化量(万元·年-1)=2009年～2015年规模养殖年利润变化量+(2016-2028年价格制约下平均每头利润函数×年出栏/10000-规模养殖年利润)×起始时间；

起始时间=STEP(1, 2015)，该跳跃函数刻画的是规模养殖年利润变化量在2009年～2015年时间段内由2009年～2015年规模养殖年利润变化量决定，在2016年～2028年时间段内由算式2016～2028年价格制约下平均每头利润函数×年出栏/10000-规模养殖年利润决定。

(4)沼气工程利润年变化量(万元·年-1)=沼气燃料年收益+沼气发电自用年收益+沼液替代化肥收益+发电上网年收益+年沼渣收益+发电余热回收热量年收益-沼气工程年运行成本-沼气工程年利润。

沼气燃料年收益(万元)=沼气年产量×燃料用沼气量期望比重×煤单价×沼气煤当量/10000000，沼气年产量=MIN 610776 m3(猪尿年产气量+猪粪年产气量)，该方程刻画的是沼气年产量取“猪尿年产气量+猪粪年产气量”和沼气工程最大产气量610776的最小值；

猪尿年产气量(m3)=年猪尿量×鲜猪尿产气量系数，猪粪年产气量(m3)=年猪粪量×鲜猪粪产气量系数，鲜猪尿产气量系数按照3%×257.3(m3·t-1)计算，鲜猪粪产气量系数为18%×459.54(m3·t-1)。 年猪尿量(t)=年日均存栏×2.6×365/1000，年猪粪量(t)=年日均存栏×1.5×365/1000，2.6 kg和1.5 kg分别为泰华养殖场实测每头猪日平均排尿粪量[16]。

沼气发电自用年收益(万元)=发电自用沼气量比重×沼气工程年发电量×电价/10000；沼气工程年发电量=MIN(沼气年产量×发电用沼气量期望比重×沼气产电量系数,414720)。

沼液替代化肥收益(万元)=4.4，这是因为泰华养殖场下游仅有13.3 hm2农田，用于种植水稻、马铃薯等作物，可完全吸收日均存栏1000头猪产生的沼液量，因此，笔者只计算用于灌溉13.3 hm2农田的那部分沼液年代替化肥减少农药用量的间接受益，为4.4万元[17]。

发电上网年收益(万元)=发电入网单价×发电上网沼气量比重×沼气工程年产总电量×发电上网调控因子/10000；发电上网调控因子=STEP( 1, 2015 )，刻画的是该养殖场16年初才可以发电上网，因此值为1，之前的值都为零；发电入网单价(元·kWh-1)=1.07，1.07是萍乡市给予生物质资源发电上网补贴后的电单价。

发电余热回收热量年收益(万元)=沼气工程年产总电量×回收热量用于日常生活比重×发电余热回收效率×沼气煤当量×煤单价/15000000；发电余热回收效率取40%[18]；沼气煤当量3.1318kg·m-1[19]。

沼气工程年运行成本=管理人员薪酬+清淤年费用+设备年维护费用+年能耗费;考虑到我国经济的快速发展以及工资水平的上调，设定管理人员薪酬和清淤年费用均以每年8%的幅度递增。

2 模型的检验与仿真分析

2.1 模型的检验

系统动力学模型的检验方法一般有量纲一致性检验、模型界限是否合适、极端条件检验、外观检验、现实性检验等[20]。模型通过了量纲一致性检验、模型界限检验、外观检验，下面进行现实性检验和极端条件检验。

(1)现实性检验

该养殖场冬季采取燃烧沼气加热水进行热水循环的方式给猪舍保温，随着年日均存栏数的增加燃料用沼气量应增加，因此沼气燃料年收益逐年增加；夏季采取电制冷的方式给猪舍降温，随着年日均存栏数的增加养殖场自用电量应增加，因此沼气发电自用年收益逐年增加。如图2和图3所示。

图2 沼气燃料年收益曲线

图3 沼气发电自用年收益曲线

该沼气工程的管理人员薪酬、年清淤费、维护成本均随着年数的增加而增加，因此运行成本也呈现整体上涨的趋势；由于需要每3～4年支付1次沼气发电机的大修费用，因此运行成本曲线应呈现整体上涨，每3～4年一大涨的周期变化；该沼气工程于2028年底报废，故当年不再进行维护，因此，该沼气工程2028年的运行成本由管理人员薪酬、年清淤费、年能耗费构成，维护成本不再计入年运行成本中(见图4)。

图4 沼气工程年运行成本曲线

(2)极端条件检验

该沼气工程发电机在正常工作状况下年最大发电量为414720 kWh，随着养殖场日均存栏数的增加，年产沼气量逐年增大，而用作生活燃料的沼气量增加较慢，因此用作发电的沼气量增加较快。当沼气量超出发电机消耗量时，年发电量应取决于发电机年最大发电量。此模型于2026年达到了此极端情况，从2026年～2028年年发电量均不再增加。若养殖场加快扩张养殖规模，极端情况会提前出现。如图5所示。

图5 沼气工程年发电量曲线

2.2 模型的仿真及分析

通过对模型的仿真，得到沼气工程年利润的收益曲线，如图6所示。

从图6可以看出，随着养殖场日均存栏数的增加，沼气工程的年利润在逐年增加，2016年利润增大幅度较大，是因为从该年开始沼气可以发电上网，

图6 沼气工程年利润曲线

多余的电量产生了经济效益，从而使收益曲线大幅提升；曲线呈现3～4年周期性下跌，主要是因为需要支付发电机3～4年的周期大修费用而导致的收益降低。

笔者考虑在政府补贴的条件下，通过计算净收益现值(NPV)来对沼气工程经济效益进行评价。这里假定泰华沼气工程2028年年底残值为10万元；社会贴现率为10%。泰华养殖场2008年投资360万元建设沼气工程，政府补贴90万元。财务分析见表1。

表1 泰华养殖场财务现值分析表 (万元)

由财务分析表计算可得净收益现值NPV=-41.57万元，由NPV<0知，在现行的政府补贴和发电上网两项政策的支持下，泰华养殖场沼气工程不具有经济可行性。

下面对现有的发电入网单价和政府补贴两项政策进行调整，分别以10%的幅度递增，计算出各情况下的NPV，结果见表2。

表2 基于现有政策的调整分析表

计算结果表明，在现有的发电入网和政府补贴两项政策的基础上，发电入网单价增加20%，政府补贴增加30%，此时NPV=0.41,泰华养殖场沼气工程才具有经济可行性。

3 结论

泰华养殖场是萍乡市规模较大，发展较好的养殖企业，但是从财务分析可知其沼气工程仍然不具有经济可行性。目前，当地养殖企业是用养殖利润来补贴沼气工程的亏损，而且对于大多数企业来说，沼气工程初始固定投资资金往往是来自于银行贷款和政府投资，因此企业在承担沼气工程亏损的同时还需要支付由建设沼气工程带来的银行利息，这一隐性成本也不可忽视。如果在一些经营状况不太理想的养殖企业，沼气工程的运营现状会更加糟糕，沼气工程的作用也将大打折扣，从而造成了资源的浪费和环境的污染。萍乡市的这种情况在全国来看也具有普遍性。因此，仅靠政府补贴和发电上网两项支持政策，大型养殖场沼气工程不具有经济可行性。

要使大型养殖场沼气工程具有良好的经济可行性，除了提升政府补贴和发电上网两项政策的支持力度外，还需要进一步提升其收益，其中开发沼渣有机肥是一条重要的途径。开发沼渣有机肥是一个渐进的过程，这个过程需要科研机构、公司、农户、政府的“四位一体”合作开发模式，共同促进沼渣有机肥的规模化与商品化。提升沼气工程收益的另一条途径是种植高经济效益的作物，把“养—种”更好的结合起来，从而开发出更大的经济价值。

笔者未将支付银行贷款的利息这一隐形成本计算在内，同时由于数据有限，文章SD模型中尚未加入沼渣开发子系统，这两个问题是笔者今后的研究方向，以此对大型养殖场沼气工程的经济可行性和可采取的措施进行更全面的研究。

[1] 戴 婧,陈 彬,齐 静. 低碳沼气工程建设的生态经济效益核算研究—以广西恭城瑶族自治县为例[J].中国人口·资源与环境,2012,22(3):157-163.

[2] 孙 淼,王效华. 实例分析大中型沼气工程能源效益[J].能源研究与利用,2011,(04):45-47.

[3] 蔡 梅,孙 钊,郭倩倩,李 鱼. 规模化养殖场沼气工程温室气体减排选址优化模型研究[J].可再生能源,2011,29(06):134-137.

[4] 孙 赫,林 聪,田海林,段娜,赵业华. 北京市夏村沼气集中供气工程案例分析[J].中国沼气,2015,33(01):91-94.

[5] 邹欣媛. 宁夏部分农村沼气工程运行难[EB/OL].http://news.xinhuanet.com/local/2014-06/18/c_1111203394.htm，2014-06-18.

[6] 刘文昊,张宝贵,陈理,董仁杰,庞昌乐. 基于外部性收益的畜禽养殖场沼气工程补贴模式分析[J].可再生能源,2012,30(08):118-122.

[7] 涂国平,贾仁安. 以沼气工程为纽带的农业科技园系统反馈结构分析[J].中国沼气,2004,1(22):25-27.

[8] 杨甲锁,韩小平. 庄浪县某生猪养殖有限公司大型沼气工程效益分析及思考[J].中国沼气,2011,29(03):41-42，44.

[9] 马京军,黄 岩,高 莉. 北方地区大中型沼气工程运行效益评价—以宁夏青铜峡600 m3沼气工程为例[J].中国沼气,2015,33(06):79-83.

[10] 翟慧娟,刘金朋,王官庆. 大型沼气发电综合利用工程效益评价研究[J].华东电力,2012,40(7):1241-1244.

[11] 李长安,王德刚,李小龙. 规模化养猪场沼气工程成本效益典型案例研究[J].浙江农业科学,2013(12):1679-1682.

[12] 洪燕真,林 斌,戴永务,余建辉. 基于敏感性分析的规模化养猪场沼气工程经济效益评价—以建瓯市健华猪业有限公司青州养殖场为例[J].中国农学通报,2010,26(14):388-391.

[13] David B, Tobias H, Russell M. An Evaluation of Optimal Biogas Plant Configurations in Germany[J].Waste Biomass Valor,2014,5(5):743-758.

[14] 涂国平,贾仁安,王翠霞,等. 基于系统动力学创建养种生物质能产业的理论应用研究[J].系统工程理论与实践,2009,29(3):1-9.

[15] 蒲小东,邓良伟,尹 勇,等. 大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析[J].农业工程学报,2010,26(7):281-284.

[16] 王翠霞,贾仁安,邓群钊. 中部农村规模养殖生态系统管理策略的系统动力学仿真分析[J].系统工程理论与实践,2007,27(12):158-169.

[17] 贾仁安,等.组织管理系统动力学[M].北京:科学出版社,2014:244-245.

[18] 汪国刚,赵明梅,宋 刚,等. 万头猪场沼气发电工程热平衡影响因素研究[J].环境工程学报,2011,5(11):2635-2640.

[19] 刘静华,贾仁安,袁新发,等. 反馈系统发展对策生成的顶点赋权反馈图法—以鄱阳湖区德邦生态能源经济反馈系统发展为例[J].系统工程理论与实践,2011,31(3):423-437.

[20] 姜庆国,穆 东. 基于SD的煤炭企业煤层气发电项目的经济平衡性[J].系统工程理论与实践,2013,33(5):1207-1216.

TheBenefitAnalysisforLargeBiogasProjectsinChina:ACaseofTaihuaLivestockHusbandryLtdinJiangxiProvince/

TUGuo-ping1, 2,ZHANGHao1/

(1.InstituteofSystemsEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China; 2.CenterforCentralChinaEconomicDevelopmentResearch,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)

Taking a large well-operated farm plant of Taihua Livestock Husbandry Ltd as an example, adopting system dynamics method and net present value method, the economic feasibility and benefit of the biogas project were analyzed. And the result came to a conclusion that the biogas project had no economic feasibility if only under the present government subsidy policy and the policy of biogas-generated power leading into the grid. So the economic benefit of the biogas project needs a further promotion. Facilitating biogas residue as organic fertilizer and planting high-value crops are effective ways to promote economic benefit of large farm biogas plant.

biogas project; system dynamics; net present value; economic feasibility

2016-06-15

2016-08-11

涂国平(1963-)，男，江西南昌人，教授，主要研究方向为系统工程与管理科学，E-mail: 839424934@qq.com

F062.2; S216.4

B

1000-1166(2017)04-0073-06