成瀟偉 朱洪光 吉進

摘要 結(jié)合調(diào)研結(jié)果分析了當前我國沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困境，建議構(gòu)建并優(yōu)化沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的原料收儲運體系，并對其中涉及的站點選址布局和運輸路徑的優(yōu)化問題的國內(nèi)外研究進展進行概述分析，提出原料收儲運體系的優(yōu)化思路，并分析了原料可供給性的影響因素。

關鍵詞 沼氣；生物天然氣；原料可供給性；路徑優(yōu)化；站點選址布局

中圖分類號 S216 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）25-0077-03

Abstract The dilemma of the development of biogas and bionatural gas industry in China was analyzed. It was suggested to construct and optimize the raw material storage and transportation system of biogas and bionatural gas industry. And the optimization problem which involved the site location and transportation route was analyzed. The optimization ideas of the raw material storage and transportation system were put forward， the influencing factors of the availability of raw materials were analyzed.

Key words Biogas；Bionatural gas；Raw material availability；Path optimization；Site location layout

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，是制約國民經(jīng)濟前進的首要因素，經(jīng)濟的快速發(fā)展需要以較高的能源消耗為代價，當前化石能源的大量使用導致“能源危機”、環(huán)境污染和氣候變化等問題日益突出[1]。因此，大力開發(fā)利用可再生能源和新能源，是應對上述問題和保證經(jīng)濟快速可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

沼氣是以有機廢棄物為原料，通過厭氧消化所獲得的一種可再生能源[2]。我國沼氣工程的發(fā)展開始于20世紀30年代，截至2014年底我國有各類農(nóng)業(yè)廢棄物處理沼氣工程102 693處，各類大型沼氣工程8 997處。2003—2014年國家投資近400億，助力農(nóng)業(yè)領域沼氣工程發(fā)展。由此可見，國家大力支持沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)，市場前景廣闊[3]。

目前，盲目建工程、原料供應不足、“三沼”難以得到合理的利用均嚴重限制了沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，迫切需要構(gòu)建一套能夠長期高效運行的沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。而原料的收儲運作為沼氣工程運行的基本保障，直接影響了后續(xù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，科學合理的原料收儲運體系構(gòu)建可以規(guī)避當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展所遇到的多數(shù)困境，但是相關的優(yōu)化方法在沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)中幾乎很少應用。國內(nèi)外對區(qū)域沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的成功發(fā)展也鮮有報道，因此在整個沼氣工程轉(zhuǎn)型升級的大背景下，有必要對其原料的收儲運體系優(yōu)化方法進行深入研究。筆者從我國沼氣發(fā)展的困境出發(fā)，提出需要對沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)原料收儲運體系進行優(yōu)化，對其涉及的站點選址布局優(yōu)化和運輸路徑優(yōu)化的國外內(nèi)研究進展進行了概述，并分析了原料收儲運體系中原料可供給性的影響因素。

1 我國沼氣發(fā)展的困境

2016年5—6月農(nóng)業(yè)部組織專家在全國開展農(nóng)村沼氣調(diào)研，認為當前我國沼氣工程需求快速增長，但閑置現(xiàn)象嚴重，整體運行效果不佳。具體表現(xiàn)為多數(shù)虧損嚴重，運行效率低，部分地方僅有40%～50%的沼氣工程能夠正常運行；部分沼氣工程建設與運行脫節(jié)，不少工程存在偷工減料、施工質(zhì)量差等問題，導致建成后難以運行；沼渣沼液尚未得到有效利用，工程效益不高，甚至造成二次污染。造成以上問題的原因主要有沼氣功能定位未能隨著需求變化而調(diào)整；沼氣工程支持政策單一，僅有建設投資補助缺少沼氣沼肥等產(chǎn)品后端補貼政策；忽視全程服務管理，未重視原料收儲運和“三沼”產(chǎn)品利用市場；法規(guī)及政策落實不到位。

當前沼氣發(fā)展的困境使得生物天然氣作為一種清潔的可再生能源難以得到很好的應用，難以形成一個完善的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)，難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可持續(xù)發(fā)展，整體表現(xiàn)為基礎薄弱、規(guī)模散小的特征。區(qū)域內(nèi)沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應該包括產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與設計、工程興建、工程與產(chǎn)業(yè)管理、產(chǎn)品高附加值利用與開發(fā)、產(chǎn)品銷售與售后等方面。目前各大高校與科研機構(gòu)對沼氣發(fā)酵過程、加溫保溫以及“三沼”的利用均有較深入的研究，許多技術難題先后被克服，沼氣工程的產(chǎn)氣效率得到很大提升。然而，產(chǎn)業(yè)依舊發(fā)展不理想，除了上述原因外，更主要的還在于新建沼氣工程之前，未進行合理的規(guī)劃與設計，盲目建池、建工程，導致大多數(shù)工程在投入使用后出現(xiàn)各種問題，最終被荒廢，或者是區(qū)域內(nèi)工程無法聯(lián)動，所產(chǎn)資源難以得到有效利用與調(diào)度，導致資源被浪費甚至會對環(huán)境造成二次污染。

規(guī)劃與設計是沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，作為前行的第1步，如果未進行合理規(guī)劃設計，后續(xù)進程會受到限制，難以得到良好的發(fā)展，更難以形成區(qū)域內(nèi)的沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)。一套系統(tǒng)、科學的沼氣與生物天然氣規(guī)劃應當包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的選擇，發(fā)展影響因素的確定，產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的分析，原料分布及產(chǎn)能潛力分析，站點設施及相關配套設備規(guī)劃，產(chǎn)品利用與高附加值開發(fā)，相關安全措施及應急方案，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與投資估算、效益分析、實施方案等內(nèi)容。目前，國內(nèi)各地在發(fā)展沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)時幾乎沒有較系統(tǒng)的規(guī)劃，整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢、散亂。

2014年，國家發(fā)改委和農(nóng)業(yè)部提出把農(nóng)村沼氣作為國家能源戰(zhàn)略和新農(nóng)村建設的重要內(nèi)容，推動農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級。2015年發(fā)布的《2015年農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級工作方案》要求沼氣工程在具有公益性的同時，也要具有一定的經(jīng)營性，向綜合利用、規(guī)模發(fā)展、多種模式、重視效益的方向轉(zhuǎn)型升級。要想實現(xiàn)沼氣工程的順利轉(zhuǎn)型升級，相關產(chǎn)業(yè)規(guī)劃必不可少，而原料的可靠供給直接關系沼氣工程能否運行，因此在發(fā)展區(qū)域沼氣與生物天然氣時，原料收儲運體系的構(gòu)建與優(yōu)化是極為重要的一步，這其中主要涉及的優(yōu)化問題有工程站點及原料收集轉(zhuǎn)運點的選址布局優(yōu)化和原料的運輸路徑優(yōu)化。關于沼氣與生物天然氣領域這類問題的研究鮮有報道，但是在進行原料收儲運體系優(yōu)化研究時，可借鑒相關優(yōu)化方法在果蔬、冷鏈、物流等領域的應用與研究。

2 原料收儲運體系優(yōu)化相關研究進展

2.1 站點選址布局優(yōu)化

在站點選址布局優(yōu)化方面，Hhn等[4]基于GIS的方法，在考慮現(xiàn)有道路網(wǎng)絡和空間變化的運輸優(yōu)化后，通過計算核密度（KD）圖以精確定位具有高生物質(zhì)資源濃度的區(qū)域，進而識別確定生物燃氣工廠的最合適位置，該方法可進一步用于環(huán)境影響評估及成本分析。Yeo等[5]利用環(huán)境與能源地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和人工神經(jīng)網(wǎng)絡，提出了城市能源供應廠站點位置潛力模型，可以綜合管理影響供應廠址的因素，進而確定供應廠的位置或?qū)ΜF(xiàn)有工廠位置的適宜性及地區(qū)可再生能源潛力進行評估。

梁會民等[6]對影響快遞網(wǎng)點布局的因素進行了分析，提出了基于GIS網(wǎng)絡分析模型的快遞網(wǎng)點布局優(yōu)化策略，在對交通、人口與業(yè)務量、網(wǎng)點建設成本等影響因素進行綜合考慮后，建立了快遞網(wǎng)點布局優(yōu)化的動態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)需求動態(tài)調(diào)整優(yōu)化快遞網(wǎng)絡系統(tǒng)。唐秀英等[7]針對生鮮冷鏈物流網(wǎng)點布局優(yōu)化問題，以總體運輸成本最小為目標，提出了一種定性和定量分析相結(jié)合的網(wǎng)點布局優(yōu)化方法，收集產(chǎn)品供應情況后，使用該方法確定網(wǎng)點的覆蓋范圍，并進一步確定網(wǎng)點位置與網(wǎng)點總?cè)萘?。蘭鑫[8]針對銀行網(wǎng)點布局問題，對影響網(wǎng)點選址的因素進行了系統(tǒng)分析，引入GIS和空間決策支持系統(tǒng)，利用基于IBM的網(wǎng)點布局模型，提出銀行業(yè)的網(wǎng)點布局及優(yōu)化方案，并建立了區(qū)位評價模型，可以定量分析選址過程中的影響因素。

綜上可知，工程站點布局選址優(yōu)化問題已被廣泛運用于各行各業(yè)的網(wǎng)點規(guī)劃中，主要采用的方法是先確定并分析影響布局的因素，然后可以選擇建立模型求解、基于GIS進行位置識別、定性定量分析等方法進行網(wǎng)點位置確定、布局優(yōu)化以及布局適宜性評估等操作，可以很好地解決設施設備布局優(yōu)化問題。在求解過程中，前期對影響因素的分析至關重要，只有全面考慮可能的影響因素后才能做出最合理的優(yōu)化設計，否則結(jié)果必然難以投入實際應用中。

2.2 運輸路徑優(yōu)化

在路徑優(yōu)化尋找最佳路徑方面，Abousaeidi等[9]為了確定吉隆坡地區(qū)新鮮蔬菜交付的最快路徑，基于地理信息系統(tǒng)，同時應用回歸模型來確定影響最快遞送路線選擇的參數(shù)，采用具有網(wǎng)絡分析器擴展的ArcGIS軟件來解決復雜網(wǎng)絡的問題，最終輸出基于所有變量的具有最佳交貨時間的最快路線地圖，該研究表明，居民區(qū)、人口是影響運輸時間和路徑的有效參數(shù)。 Kanchanabhan等[10]使用人口密度、廢棄物產(chǎn)生能力、道路網(wǎng)絡、儲存箱和收集車輛等參數(shù)，基于GIS的最優(yōu)路由模型開發(fā)了城市固體廢棄物高效運輸系統(tǒng)，確定最佳路線圖，用于追蹤最小距離以及確定從收集點到轉(zhuǎn)運站到最終處置場的最佳有效收集路徑，可為市政當局提供參考性意見。Khan等[11]提出了一種在合適的地方布置固體廢棄物收集箱的辦法，使得收集車路線最優(yōu)，該方法將ArcGIS所提供的網(wǎng)絡分析工具用于查找固體廢棄物收集的優(yōu)化路線，同時考慮了有效收集過程中所有必要參數(shù)，該研究所得的ArcGIS路徑問題求解工具可以用于識別廢物收集的成本效益方案，估算運行成本并考慮行程時間、距離來模擬其應用。

石兆等[12]為解決食品冷鏈配送系統(tǒng)優(yōu)化問題，針對易腐品特性，結(jié)合配送網(wǎng)絡時變特征進行行程時間分析，根據(jù)服務時間窗設計滿意度函數(shù)，建立時變條件下的仿真模型；采用“預優(yōu)化階段+實時優(yōu)化階段”2階段求解策略，利用分解法進行問題分解，設計最小包絡聚類分析方法與混合遺傳算法求解，在最大化客戶滿意度的基礎上完成了車輛路徑優(yōu)化。査偉雄等[13]在對危險貨物道路運輸進行系統(tǒng)分析的基礎上，根據(jù)危險貨物運輸?shù)奶攸c和廣義阻抗函數(shù)的定義，建立了危險貨物道路運輸路段阻抗函數(shù)模型，根據(jù)Wardrop平衡原理，建立了以UE模型為下層模型的危險貨物道路運輸路徑優(yōu)化的雙層規(guī)劃模型，通過模擬退火算法和對雙層規(guī)劃模型進行求解，完成危險貨物的運輸路徑優(yōu)化。

綜上可知，路徑優(yōu)化主要被應用于特殊物品的運輸規(guī)劃中，如新鮮果蔬、冷鏈食品、危險貨物、廢棄物、應急救援物資等，主要采用的方法為確定影響參數(shù)后建立具有針對性的模型，對相關算法優(yōu)化后進行模型求解，在結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術后，可以更加高效地解決相關問題，并且輸出可視化的最佳路徑優(yōu)化結(jié)果。

綜上所述，原料收儲運體系優(yōu)化問題所涉及的研究方法中，無論是站點布局選址問題，還是運輸路徑優(yōu)化問題，概括起來，可以是先確定影響結(jié)果的參數(shù)，然后建立或者選擇相關的模型，對算法優(yōu)化后進行求解得到最優(yōu)結(jié)果。如果在優(yōu)化的過程中引入地理信息系統(tǒng)技術，將便于問題的求解，得到可視化的結(jié)果，有利于結(jié)果的信息轉(zhuǎn)化與應用。

3 區(qū)域沼氣與生物天然氣產(chǎn)業(yè)原料可供給性影響因素分析

區(qū)域沼氣與生物天然氣發(fā)展的前提是要保障原料的長期穩(wěn)定供給，這樣沼氣工程才能夠持續(xù)運行，原料的保障不僅要考慮區(qū)域內(nèi)可利用原料的總量，更要關心區(qū)域內(nèi)原料的可供給性。影響原料可供給性的因素包括4個方面：

3.1 環(huán)境敏感區(qū)

即影響原料收集可通達性規(guī)劃的重要障礙。由于發(fā)酵的原料往往是畜禽糞污和農(nóng)作物秸稈，其在運輸過程中易產(chǎn)生惡臭或者粉塵污染，因此其運輸過程中需要盡量減少對道路周邊環(huán)境的影響，在運輸路徑的規(guī)劃上需要盡量避開居民區(qū)、水源地等環(huán)境敏感區(qū)。

3.2 鄉(xiāng)村道路的完善程度 即交通的可達性。無論是原料的產(chǎn)地還是沼氣工程點，往往都是選址在遠離居民點的鄉(xiāng)間地區(qū)，因此原料的運輸往往需要經(jīng)過大量鄉(xiāng)村公路，此時鄉(xiāng)村道路的完善程度對原料的運輸起到至關重要的影響，具體包括多點之間道路是否通暢，道路的路況是否便于運輸車輛的行駛。

3.3 原料的收集成本

由于原料來源復雜、季節(jié)變化大，因此在收集時往往采用分散收集，此時需要考慮單個收集點原料可供給量與收集成本之間的平衡，對于路途較遠或者原料可供給量較少而導致收集成本過高的收集點往往不予考慮，一般只考慮實際運距在10 km以內(nèi)且達到一定規(guī)模的收集點。

3.4 原料收集的技術水平和工具配套情況

原料的收儲運體系需要一定的收集技術，并配到相應的工具設備，如秸稈的收集中就需要配套秸稈打捆設備，工具的應用可以節(jié)約收集和轉(zhuǎn)運的時間，進而提高收集效率，能夠在有限的時間內(nèi)完成更多原料的收集與運輸。

4 結(jié)語

我國沼氣與生物天然氣經(jīng)歷了多年的探索與發(fā)展，當前正處于轉(zhuǎn)型升級的階段，產(chǎn)業(yè)化與區(qū)域化發(fā)展是其必然的選擇，而科學、合理的規(guī)劃對區(qū)域內(nèi)整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將起到至關重要作用。通過建立相關模型，對算法優(yōu)化后進行求解并引入地理信息系統(tǒng)技術，可以得到可視化的原料收儲運體系優(yōu)化結(jié)果。做好原料收儲運體系的構(gòu)建與優(yōu)化可以降低原料的收集成本，并有效保障沼氣工程的長期穩(wěn)定運行。

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