文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

畜禽养殖业中所产生的固体废弃物（粪尿、粪便）通过厌氧发酵产生沼气，利用沼气发电、供热或直接用于农业生产。

虽然沼气发电能够为企业带来可观的经济效益，但作为发电能源消耗了大量的化石能源，同时也会产生较多的温室气体。因此，通过减少固体废弃物产生量和优化能源使用结构，z以沼气发电为核心的畜禽养殖场热电联供系统可以在节能减排和经济环保上实现双重目标。

养殖场沼气热电联供系统

1.系统组成：该系统主要由沼气生产系统、沼气发电系统和供热系统三部分组成。其中，沼气生产系统由发酵原料、发酵池、输送管道及贮气柜等组成；沼气发电系统由发电设备和升压变压器等设备组成；供热系统由锅炉、汽轮机及热交换器等设备组成。

根据养殖场的规模大小，可以将该系统划分为小型、中型和大型。其中，小型养殖场只需进行沼气发酵，不需要配套建设供热和发电等设施；中型养殖场则需要配套建设供热和发电设施，也可以单独建设，但所需投资较高；大型养殖场则需要配套建设供热和发电设施。

2.系统工作原理：以一个小型养殖场为例进行分析，该养殖场采用“沼气—电—蒸汽”的方式进行能源生产。在沼气池内产生的沼气经过压力输送管道送入到沼气发电系统，将电能转化为机械能并供给给发电机组。

而发电机组产生的蒸汽在汽轮机中膨胀做功，推动发电机进行发电。在沼气池内发酵产生的沼液被输送到沼液池后，经过管道进入到沼液池中进行储存。在沼气池中发酵产生的沼气用于机组发电时，其温度维持在45~55℃之间。

而沼液通过管道流入到沼液池后被储存起来，待需要时再利用。在沼气发电后产生的剩余气体进入到沼气净化系统中进行净化处理，然后进入到供热系统中为养殖场提供所需热量。

3.系统评价指标：以该养殖场为例进行计算分析，该养殖场每年将产生约10万t的固体废弃物（其中甲烷气体占到80%左右），如果采用传统的燃烧发电方式，其每年产生的沼气量约为20万m3。

采用沼气发电+沼气净化+沼气供热+锅炉供热的方式进行能源综合利用，则其每年将产生约60万m3的固体废弃物。随着固体废弃物产生量的减少和沼气发电规模的扩大，该养殖场每年可以节省约20万元的燃料成本和30万元的土地使用成本。

该养殖场采用“沼气—电—蒸汽”的能源利用方式能够产生较高经济效益。但是在该系统中也存在着一些问题：当某一地区养殖场数量较多时，由于地区间沼气产量和上网电量存在差异，容易造成上网电量不足。

沼液未经处理直接排放到沼液池中会对当地环境造成污染；在沼液池储存和输送过程中需要消耗大量的电力，增加了系统成本。

供需协调特性分析

在热电联供系统中，采用沼气发电来代替化石能源，以满足养殖场的供热需求。沼气发电所消耗的燃料是沼气，而不是电。因此，沼气发电的发电量与沼气的供应量之间并不存在一一对应关系，沼气供应充足时，发电量会相应减少。

而当畜禽养殖场热电联供系统中的沼气需求量增加时，则需要增加沼气发电量，而增加的发电量会以沼气供应不足时的量来补偿。在热电联供系统中，能源与用户之间是一种双向互补关系，因此在能源需求较大时，用户可以选择清洁能源或对环境影响较小的电力。

在畜禽养殖场热电联供系统中采用以燃气-蒸汽联合循环发电为主的系统配置方案时，只有在燃料需求量较大时才会增加发电量以满足用户需求。

而当燃料需求量较小时，由于系统内产生了多余的热量来补偿燃料消耗所造成的发电量减少。同时当沼气供应不足时则需要通过增加机组来提供足够的气量来满足需求。

但由于畜禽养殖场热电联供系统中热电联供机组所消耗的燃料是一种廉价易得且不会产生温室气体排放的气体燃料，因此即使在燃料供应不足时也能够满足系统需求。

而当燃料需求量较小时则会通过增加机组来满足需求。通过对热电联供系统进行分析，我们可以得出畜禽养殖场热电联供系统中供需之间是一种双向互补关系。

一方面，用户可以选择清洁能源或对环境影响较小的电力作为供能方式；另一方面，由于沼气发电所消耗的化石能源很少会排放温室气体导致其对环境造成不良影响，因此沼气发电可以为用户提供足够量的电能。

养殖场沼气热电联供系统的优化研究

本文通过对畜禽养殖场沼气热电联供系统的分析，将该系统优化问题转换为如何使该系统在保证满足用户需求的同时，实现企业经济效益最大和环境效益最优的目标。

并采用遗传算法，利用MATLAB语言编程实现了畜禽养殖场沼气热电联供系统的优化。该系统可通过与分布式能源发电系统的配合，实现养殖场内畜禽养殖废弃物的综合利用。

由于在整个系统中，沼气发电、供热和制冷三个子系统存在着不同的性能指标要求，因此在进行具体优化设计时需要对这三个子系统分别进行优化，然后综合考虑整个系统的性能指标要求，从而制定出最优的系统配置。

对于沼气发电子系统而言，其性能指标要求主要有：投资回收期、年平均收益、年发电量等。该子系统主要是通过对沼气发电所消耗的天然气消耗量和电能消耗量进行核算来确定该子系统的经济技术性能指标。

该子系统应满足一定的能量品位要求，即满足沼气发电所需燃料热值、电能需求或余热回收等要求。该子系统应满足一定的供热负荷要求，即满足用户对热负荷需求。

综合上述三个子系统的性能指标要求，并结合养殖场内畜禽养殖废弃物的能量品位特点以及相关参数信息，可建立一个养殖场沼气热电联供系统的优化模型，从而通过求解该优化模型来确定养殖场沼气热电联供系统中三个子系统的最佳配置。

结论

1、以沼气发电为核心的畜禽养殖场热电联供系统通过对沼气、电力、供热能源需求的分析，在满足了用户需求的基础上，提高了系统效率和可靠性。

其中，沼气发电部分可减少污染物排放约50%，降低了温室气体排放，而太阳能集热器作为一种分布式太阳能供热系统，与集中供热系统相比具有更好的经济性。

畜禽养殖场热电联供系统不仅能够提供稳定可靠的电能，同时能够实现能源梯级利用和减排降耗，达到了节能减排的目的。

2、畜禽养殖场热电联供系统中以沼气发电为核心的能源需求具有较强的季节性和随机性。在北方冬季利用沼气发电供热可以减少碳排放，提高能源利用率。

而在南方地区利用沼气发电供热可以解决农村冬季和夏季的供暖问题。因此，在不同地区和季节应根据当地的情况选择合适的能源利用模式。

3、畜禽养殖场热电联供系统中太阳能集热器（太阳能+地热）、溴化锂吸收式制冷式热泵机组等设备可以有效降低系统能耗。在畜禽养殖场热电联供系统中，太阳能集热器和溴化锂吸收式制冷设备是节能减排的重点。

随着太阳能集热器面积和热泵机组容量的增加，系统年总能耗呈下降趋势，但在运行初期能耗较大；溴化锂吸收式制冷机组是一种具有潜力的替代方案，可以满足畜禽养殖场热电联供系统对制冷和供热的需求。

4、为实现畜禽养殖场热电联供系统在节能减排和经济环保上实现双重目标，应从以下几个方面进行优化：

1、以沼气发电为核心的畜禽养殖场热电联供系统通过太阳能集热器和溴化锂吸收式制冷设备降低了系统能耗。因此在设计时应考虑将太阳能集热器面积作为参数进行优化设计。

2、畜禽养殖场热电联供系统中太阳能集热器面积应尽可能地增加，并根据太阳能光照情况选择适宜的太阳能集热器面积。

3、沼气发电所需的高温高压环境对蓄热装置提出了更高的要求，因此蓄热装置应尽可能选用高效蓄热设备。

4、沼气发电部分要合理选择燃气压缩机和余热锅炉，以提高沼气发电效率。

5、畜禽养殖场热电联供系统中溴化锂吸收式制冷机组可通过调节吸收式制冷机组的输出温度控制制冷机组运行在最佳状态。

6、在畜禽养殖场热电联供系统中应注意热电联产和沼气发电间的协调运行。沼气发电部分需要大量蒸汽供应给热电联产机组，而热电联产机组不能满足负荷需求时会消耗大量蒸汽，因此热电联产机组与沼气发电设备间需做好协调工作。

笔者观点

本文通过对畜禽养殖场热电联供系统的供需特性分析，提出了以沼气发电为核心的畜禽养殖场热电联供系统优化配置方法。

该方法从整体上优化了系统配置，对系统中的各个子系统进行了优化设计，在保证系统供热的同时实现了节能减排的目标，从而为畜禽养殖场热电联供系统的推广应用提供理论基础。

随着国家对节能减排工作的重视，沼气发电将在今后一段时间内得到大力推广。本文提出的方法可为畜禽养殖场热电联供系统的设计提供理论依据和方法指导，并可为今后畜禽养殖场热电联供系统的发展提供相关建议，从而推动我国畜禽养殖场热电联供系统的健康发展。

参考文献

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