涂國平， 張 浩

(1.南昌大學 管理學院， 江西 南昌 330031； 2.南昌大學 中國中部經濟社會發(fā)展研究中心， 江西 南昌 330031)

項目來源： 國家自然科學基金資助項目(71163032)； 教育部人文社會科學重點研究基地項目(13JJD630016)

我國大型養(yǎng)殖場沼氣工程經濟效益分析
——以江西泰華牧業(yè)科技有限公司為例

涂國平1，2， 張 浩1

(1.南昌大學 管理學院， 江西 南昌 330031； 2.南昌大學 中國中部經濟社會發(fā)展研究中心， 江西 南昌 330031)

經濟效益是影響沼氣工程正常運轉的關鍵因素，對沼氣工程能源效益和生態(tài)效益的發(fā)揮有著重要的意義。文章以經營狀況較好的大型養(yǎng)殖場——泰華牧業(yè)科技有限公司為研究對象，利用系統動力學方法，從系統發(fā)展的角度、運用財務現值分析法分析了其沼氣工程的經濟效益及經濟可行性，得出僅在當前的政府補貼和發(fā)電上網兩項政策支持下該養(yǎng)殖場沼氣工程不具有經濟可行性的結論，需進一步提高沼氣工程的經濟效益，其中促進沼渣有機肥行業(yè)的發(fā)展和種植經濟價值高的作物是提高沼氣工程經濟效益的有效途徑。

沼氣工程； 系統動力學； 財務現值分析； 經濟可行性

沼氣工程具有良好的能源效益和生態(tài)效益[1-2]，一方面，沼氣工程能夠解決養(yǎng)殖場動物糞便尿液的污染問題，并減少溫室氣體的排放[3]，從而保護環(huán)境，促進養(yǎng)殖場的發(fā)展；另一方面，沼氣工程產生的沼氣可以用于發(fā)電或者直接用作燃料，部分地區(qū)也已經建立了沼氣集中供氣工程[4]，這都能在一定程度上緩解我國的能源緊張問題，同時發(fā)酵得到的沼渣沼液能在一定程度上代替化肥農藥，這都符合我國低碳發(fā)展的要求，因此沼氣工程對于養(yǎng)殖場和社會而言都具有重要意義。然而，目前我國的大型沼氣工程的運營現狀并不能完全令人滿意，在部分地區(qū)甚至出現了停運的現象[5]，從而影響了沼氣工程能源效益和生態(tài)效益的發(fā)揮。

沼氣工程的能源和生態(tài)效益具有一定的外部性[6]。有學者指出對于養(yǎng)殖場而言，沼氣工程能否良好運轉最關鍵的因素是經濟效益，只有在具有一定經濟效益的前提之下，沼氣工程才有可能正常運轉下去[7]。在沼氣工程的經濟效益的界定上，除了沼氣用于發(fā)電、用作燃料或者出售、沼渣出售或者用作肥料等經濟收益以外[8-9]，沼液節(jié)約化肥農藥的費用以及發(fā)電機余熱回收用于日常生活所節(jié)約的能量也應作為沼氣工程的經濟收益來源[10-11]。在對沼氣工程經濟效益的評價上，有學者采用財務凈現值分析法(NPV)分析并評價了大中型沼氣工程的經濟效益[12-13]。筆者利用系統動力學方法，以江西泰華牧業(yè)科技有限公司為例，從系統發(fā)展的角度對該大型養(yǎng)殖場的沼氣工程的經濟效益做出分析與評價。

1 模型的建立

泰華牧業(yè)科技有限公司地處江西省萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)排上鎮(zhèn)蘭坡村，是當地養(yǎng)殖業(yè)的龍頭企業(yè)。該企業(yè)在2008年投資共計360萬元(其中中央政府補貼90萬元)，建立了配有熱電聯產的中溫厭氧發(fā)酵儲氣一體化的沼氣工程，中溫厭氧發(fā)酵罐的有效容積為1200 m3，沼氣發(fā)電機額定功率為120 kW，2009年正式投入使用；除此之外，該公司于2005年建造的1200 m3地下式常溫發(fā)酵沼氣池和800 m3地面式常溫發(fā)酵沼氣池仍同時使用。豬糞便用沖欄水稀釋后進中溫厭氧發(fā)酵罐進行中溫發(fā)酵，豬尿進地下及地面式常溫發(fā)酵沼氣池進行常溫發(fā)酵。發(fā)酵產物為沼液、沼渣和沼氣。沼液流經13.3 hm2水稻田，用于灌溉，可代替化肥節(jié)約農藥，多余的沼液經三級過濾好氧延遲存儲工程技術處理后最終達到排放要求[14]；沼渣直接出售；沼氣用作生活燃料和沼氣發(fā)電；從2016年始，可以發(fā)電上網，享有政府補貼；發(fā)電機運轉發(fā)出的熱量由熱量回收裝置回收后，一方面?zhèn)魉椭涟l(fā)酵罐進行加熱，保持罐內35℃的發(fā)酵溫度，另一方面以熱水的形式流經食堂浴室等用于做飯沐浴洗衣等。該養(yǎng)殖場沼氣工程收益主要來自于沼氣發(fā)電的收益、沼氣用作燃料的收益、出售沼渣的收益、沼液代替化肥的間接收益，以及利用發(fā)電機發(fā)電的部分余熱以熱水的形式用于沐浴洗衣做飯的間接收益；年運行成本主要包括發(fā)電機、管道等設備的年維護費用、沼氣工程自身年能耗費用、厭氧發(fā)酵罐的年清淤費用和管理人員的薪酬。

1.1 系統流圖的建立

對沼氣工程這一系統進行定性分析：由于考察沼氣工程收益問題，因此首先設立沼氣工程年利潤這一流位；沼氣工程的收益主要和沼氣產量相關，而沼氣產量取決于豬糞尿量，豬糞尿量是由養(yǎng)殖系統確定的；養(yǎng)殖系統的3個關鍵變量分別是年日均存欄、年出欄、養(yǎng)殖年利潤，因此，該系統包括兩大子系統，分別是養(yǎng)殖子系統是沼氣工程收益子系統，共包含4個流位變量，分別是年日均存欄、年出欄、養(yǎng)殖年利潤、沼氣工程年利潤，再根據實際情況設定各輔助變量，表函數和常量。在此定性分析的基礎上，建立沼氣工程SD模型(見圖1)。

圖1 沼氣工程SD模型

1.2 仿真方程的構建

仿真方程構造如下：

(1)出欄年變化量(頭·年-1)=出欄年基本變化量×日均存欄保障因子；

日均存欄保障因子=IF THEN ELSE(年日均存欄>0.506×年出欄,1,0.96)，該選擇函數中0.506為2013年～2015年年日均存欄與年出欄比的平均值；0.96為調控參數。

(2)日均存欄年變化量(頭/年)=2009-2015年日均存欄年基本變化量+2016-2028年日均存欄對年出欄變化量關系函數×出欄年變化量×利潤促進因子×年未處理豬糞尿制約因子×年未利用沼氣污染因子；

2016年～2028年日均存欄對年出欄變化量關系函數=STEP(0.506,2015)，該跳躍函數表示的是設定從2016年開始取值為0.506，之前都取零；

利潤促進因子=IF THEN ELSE(總利潤>-1,1,0.9)，該選擇函數刻畫的是即使當年養(yǎng)殖場略虧損，企業(yè)規(guī)模仍繼續(xù)發(fā)展；

年未處理豬糞尿制約因子=IF THEN ELSE(豬尿年產氣量+豬糞年產氣量>610776,0.9,1)，610776為根據文獻[15]中的公式計算出的泰華養(yǎng)殖場一個厭氧罐和兩個發(fā)酵池一年的最大產沼氣量，該方程刻畫的是當“豬尿年產氣量+豬糞年產氣量>=610776”，即理論產氣量大于實際最大產氣量時，也就意味著沼氣工程不足以處理豬糞尿，今年未處理的豬糞尿逐年堆積產生污染，從而影響日均存欄數，形成對系統的制約；

年未利用沼氣污染因子=IF THEN ELSE(沼氣年產量×發(fā)電用沼氣量期望比重×沼氣產電量系數>414720,0.9,1)，414720為該發(fā)電機在標準工況下的年最大發(fā)電量，該方程刻畫的是當“發(fā)電用沼氣量×發(fā)電用沼氣量期望比重×沼氣產電量系數>414720”，即理論發(fā)電量大于實際最大發(fā)電量，也就意味著發(fā)電機沒有消耗完沼氣，剩余的沼氣只能向外排放，產生污染，從而影響日均存欄數，形成對系統的制約。

(3)規(guī)模養(yǎng)殖利潤年變化量(萬元·年-1)=2009年～2015年規(guī)模養(yǎng)殖年利潤變化量+(2016-2028年價格制約下平均每頭利潤函數×年出欄/10000-規(guī)模養(yǎng)殖年利潤)×起始時間；

起始時間=STEP(1, 2015)，該跳躍函數刻畫的是規(guī)模養(yǎng)殖年利潤變化量在2009年～2015年時間段內由2009年～2015年規(guī)模養(yǎng)殖年利潤變化量決定，在2016年～2028年時間段內由算式2016～2028年價格制約下平均每頭利潤函數×年出欄/10000-規(guī)模養(yǎng)殖年利潤決定。

(4)沼氣工程利潤年變化量(萬元·年-1)=沼氣燃料年收益+沼氣發(fā)電自用年收益+沼液替代化肥收益+發(fā)電上網年收益+年沼渣收益+發(fā)電余熱回收熱量年收益-沼氣工程年運行成本-沼氣工程年利潤。

沼氣燃料年收益(萬元)=沼氣年產量×燃料用沼氣量期望比重×煤單價×沼氣煤當量/10000000，沼氣年產量=MIN 610776 m3(豬尿年產氣量+豬糞年產氣量)，該方程刻畫的是沼氣年產量取“豬尿年產氣量+豬糞年產氣量”和沼氣工程最大產氣量610776的最小值；

豬尿年產氣量(m3)=年豬尿量×鮮豬尿產氣量系數，豬糞年產氣量(m3)=年豬糞量×鮮豬糞產氣量系數，鮮豬尿產氣量系數按照3%×257.3(m3·t-1)計算，鮮豬糞產氣量系數為18%×459.54(m3·t-1)。 年豬尿量(t)=年日均存欄×2.6×365/1000，年豬糞量(t)=年日均存欄×1.5×365/1000，2.6 kg和1.5 kg分別為泰華養(yǎng)殖場實測每頭豬日平均排尿糞量[16]。

沼氣發(fā)電自用年收益(萬元)=發(fā)電自用沼氣量比重×沼氣工程年發(fā)電量×電價/10000；沼氣工程年發(fā)電量=MIN(沼氣年產量×發(fā)電用沼氣量期望比重×沼氣產電量系數,414720)。

沼液替代化肥收益(萬元)=4.4，這是因為泰華養(yǎng)殖場下游僅有13.3 hm2農田，用于種植水稻、馬鈴薯等作物，可完全吸收日均存欄1000頭豬產生的沼液量，因此，筆者只計算用于灌溉13.3 hm2農田的那部分沼液年代替化肥減少農藥用量的間接受益，為4.4萬元[17]。

發(fā)電上網年收益(萬元)=發(fā)電入網單價×發(fā)電上網沼氣量比重×沼氣工程年產總電量×發(fā)電上網調控因子/10000；發(fā)電上網調控因子=STEP( 1, 2015 )，刻畫的是該養(yǎng)殖場16年初才可以發(fā)電上網，因此值為1，之前的值都為零；發(fā)電入網單價(元·kWh-1)=1.07，1.07是萍鄉(xiāng)市給予生物質資源發(fā)電上網補貼后的電單價。

發(fā)電余熱回收熱量年收益(萬元)=沼氣工程年產總電量×回收熱量用于日常生活比重×發(fā)電余熱回收效率×沼氣煤當量×煤單價/15000000；發(fā)電余熱回收效率取40%[18]；沼氣煤當量3.1318kg·m-1[19]。

沼氣工程年運行成本=管理人員薪酬+清淤年費用+設備年維護費用+年能耗費;考慮到我國經濟的快速發(fā)展以及工資水平的上調，設定管理人員薪酬和清淤年費用均以每年8%的幅度遞增。

2 模型的檢驗與仿真分析

2.1 模型的檢驗

系統動力學模型的檢驗方法一般有量綱一致性檢驗、模型界限是否合適、極端條件檢驗、外觀檢驗、現實性檢驗等[20]。模型通過了量綱一致性檢驗、模型界限檢驗、外觀檢驗，下面進行現實性檢驗和極端條件檢驗。

(1)現實性檢驗

該養(yǎng)殖場冬季采取燃燒沼氣加熱水進行熱水循環(huán)的方式給豬舍保溫，隨著年日均存欄數的增加燃料用沼氣量應增加，因此沼氣燃料年收益逐年增加；夏季采取電制冷的方式給豬舍降溫，隨著年日均存欄數的增加養(yǎng)殖場自用電量應增加，因此沼氣發(fā)電自用年收益逐年增加。如圖2和圖3所示。

圖2 沼氣燃料年收益曲線

圖3 沼氣發(fā)電自用年收益曲線

該沼氣工程的管理人員薪酬、年清淤費、維護成本均隨著年數的增加而增加，因此運行成本也呈現整體上漲的趨勢；由于需要每3～4年支付1次沼氣發(fā)電機的大修費用，因此運行成本曲線應呈現整體上漲，每3～4年一大漲的周期變化；該沼氣工程于2028年底報廢，故當年不再進行維護，因此，該沼氣工程2028年的運行成本由管理人員薪酬、年清淤費、年能耗費構成，維護成本不再計入年運行成本中(見圖4)。

圖4 沼氣工程年運行成本曲線

(2)極端條件檢驗

該沼氣工程發(fā)電機在正常工作狀況下年最大發(fā)電量為414720 kWh，隨著養(yǎng)殖場日均存欄數的增加，年產沼氣量逐年增大，而用作生活燃料的沼氣量增加較慢，因此用作發(fā)電的沼氣量增加較快。當沼氣量超出發(fā)電機消耗量時，年發(fā)電量應取決于發(fā)電機年最大發(fā)電量。此模型于2026年達到了此極端情況，從2026年～2028年年發(fā)電量均不再增加。若養(yǎng)殖場加快擴張養(yǎng)殖規(guī)模，極端情況會提前出現。如圖5所示。

圖5 沼氣工程年發(fā)電量曲線

2.2 模型的仿真及分析

通過對模型的仿真，得到沼氣工程年利潤的收益曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著養(yǎng)殖場日均存欄數的增加，沼氣工程的年利潤在逐年增加，2016年利潤增大幅度較大，是因為從該年開始沼氣可以發(fā)電上網，

圖6 沼氣工程年利潤曲線

多余的電量產生了經濟效益，從而使收益曲線大幅提升；曲線呈現3～4年周期性下跌，主要是因為需要支付發(fā)電機3～4年的周期大修費用而導致的收益降低。

筆者考慮在政府補貼的條件下，通過計算凈收益現值(NPV)來對沼氣工程經濟效益進行評價。這里假定泰華沼氣工程2028年年底殘值為10萬元；社會貼現率為10%。泰華養(yǎng)殖場2008年投資360萬元建設沼氣工程，政府補貼90萬元。財務分析見表1。

表1 泰華養(yǎng)殖場財務現值分析表 (萬元)

由財務分析表計算可得凈收益現值NPV=-41.57萬元，由NPV<0知，在現行的政府補貼和發(fā)電上網兩項政策的支持下，泰華養(yǎng)殖場沼氣工程不具有經濟可行性。

下面對現有的發(fā)電入網單價和政府補貼兩項政策進行調整，分別以10%的幅度遞增，計算出各情況下的NPV，結果見表2。

表2 基于現有政策的調整分析表

計算結果表明，在現有的發(fā)電入網和政府補貼兩項政策的基礎上，發(fā)電入網單價增加20%，政府補貼增加30%，此時NPV=0.41,泰華養(yǎng)殖場沼氣工程才具有經濟可行性。

3 結論

泰華養(yǎng)殖場是萍鄉(xiāng)市規(guī)模較大，發(fā)展較好的養(yǎng)殖企業(yè)，但是從財務分析可知其沼氣工程仍然不具有經濟可行性。目前，當地養(yǎng)殖企業(yè)是用養(yǎng)殖利潤來補貼沼氣工程的虧損，而且對于大多數企業(yè)來說，沼氣工程初始固定投資資金往往是來自于銀行貸款和政府投資，因此企業(yè)在承擔沼氣工程虧損的同時還需要支付由建設沼氣工程帶來的銀行利息，這一隱性成本也不可忽視。如果在一些經營狀況不太理想的養(yǎng)殖企業(yè)，沼氣工程的運營現狀會更加糟糕，沼氣工程的作用也將大打折扣，從而造成了資源的浪費和環(huán)境的污染。萍鄉(xiāng)市的這種情況在全國來看也具有普遍性。因此，僅靠政府補貼和發(fā)電上網兩項支持政策，大型養(yǎng)殖場沼氣工程不具有經濟可行性。

要使大型養(yǎng)殖場沼氣工程具有良好的經濟可行性，除了提升政府補貼和發(fā)電上網兩項政策的支持力度外，還需要進一步提升其收益，其中開發(fā)沼渣有機肥是一條重要的途徑。開發(fā)沼渣有機肥是一個漸進的過程，這個過程需要科研機構、公司、農戶、政府的“四位一體”合作開發(fā)模式，共同促進沼渣有機肥的規(guī)?；c商品化。提升沼氣工程收益的另一條途徑是種植高經濟效益的作物，把“養(yǎng)—種”更好的結合起來，從而開發(fā)出更大的經濟價值。

筆者未將支付銀行貸款的利息這一隱形成本計算在內，同時由于數據有限，文章SD模型中尚未加入沼渣開發(fā)子系統，這兩個問題是筆者今后的研究方向，以此對大型養(yǎng)殖場沼氣工程的經濟可行性和可采取的措施進行更全面的研究。

[1] 戴 婧,陳 彬,齊 靜. 低碳沼氣工程建設的生態(tài)經濟效益核算研究—以廣西恭城瑤族自治縣為例[J].中國人口·資源與環(huán)境,2012,22(3):157-163.

[2] 孫 淼,王效華. 實例分析大中型沼氣工程能源效益[J].能源研究與利用,2011,(04):45-47.

[3] 蔡 梅,孫 釗,郭倩倩,李 魚. 規(guī)?；B(yǎng)殖場沼氣工程溫室氣體減排選址優(yōu)化模型研究[J].可再生能源,2011,29(06):134-137.

[4] 孫 赫,林 聰,田海林,段娜,趙業(yè)華. 北京市夏村沼氣集中供氣工程案例分析[J].中國沼氣,2015,33(01):91-94.

[5] 鄒欣媛. 寧夏部分農村沼氣工程運行難[EB/OL].http://news.xinhuanet.com/local/2014-06/18/c_1111203394.htm，2014-06-18.

[6] 劉文昊,張寶貴,陳理,董仁杰,龐昌樂. 基于外部性收益的畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程補貼模式分析[J].可再生能源,2012,30(08):118-122.

[7] 涂國平,賈仁安. 以沼氣工程為紐帶的農業(yè)科技園系統反饋結構分析[J].中國沼氣,2004,1(22):25-27.

[8] 楊甲鎖,韓小平. 莊浪縣某生豬養(yǎng)殖有限公司大型沼氣工程效益分析及思考[J].中國沼氣,2011,29(03):41-42，44.

[9] 馬京軍,黃 巖,高 莉. 北方地區(qū)大中型沼氣工程運行效益評價—以寧夏青銅峽600 m3沼氣工程為例[J].中國沼氣,2015,33(06):79-83.

[10] 翟慧娟,劉金朋,王官慶. 大型沼氣發(fā)電綜合利用工程效益評價研究[J].華東電力,2012,40(7):1241-1244.

[11] 李長安,王德剛,李小龍. 規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣工程成本效益典型案例研究[J].浙江農業(yè)科學,2013(12):1679-1682.

[12] 洪燕真,林 斌,戴永務,余建輝. 基于敏感性分析的規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣工程經濟效益評價—以建甌市健華豬業(yè)有限公司青州養(yǎng)殖場為例[J].中國農學通報,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] 涂國平,賈仁安,王翠霞,等. 基于系統動力學創(chuàng)建養(yǎng)種生物質能產業(yè)的理論應用研究[J].系統工程理論與實踐,2009,29(3):1-9.

[15] 蒲小東,鄧良偉,尹 勇,等. 大中型沼氣工程不同加熱方式的經濟效益分析[J].農業(yè)工程學報,2010,26(7):281-284.

[16] 王翠霞,賈仁安,鄧群釗. 中部農村規(guī)模養(yǎng)殖生態(tài)系統管理策略的系統動力學仿真分析[J].系統工程理論與實踐,2007,27(12):158-169.

[17] 賈仁安,等.組織管理系統動力學[M].北京:科學出版社,2014:244-245.

[18] 汪國剛,趙明梅,宋 剛,等. 萬頭豬場沼氣發(fā)電工程熱平衡影響因素研究[J].環(huán)境工程學報,2011,5(11):2635-2640.

[19] 劉靜華,賈仁安,袁新發(fā),等. 反饋系統發(fā)展對策生成的頂點賦權反饋圖法—以鄱陽湖區(qū)德邦生態(tài)能源經濟反饋系統發(fā)展為例[J].系統工程理論與實踐,2011,31(3):423-437.

[20] 姜慶國,穆 東. 基于SD的煤炭企業(yè)煤層氣發(fā)電項目的經濟平衡性[J].系統工程理論與實踐,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

涂國平(1963-)，男，江西南昌人，教授，主要研究方向為系統工程與管理科學，E-mail: 839424934@qq.com

F062.2; S216.4

B

1000-1166(2017)04-0073-06