仲 聲，牛叔文，邱 欣，王義鵬

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大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)優(yōu)化模擬及經(jīng)濟環(huán)境效益評估

仲 聲，牛叔文※，邱 欣，王義鵬

（1. 西部環(huán)境教育部重點實驗室，蘭州 730000； 2. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)能夠為農(nóng)村居民集中供應(yīng)穩(wěn)定清潔的炊事能源，是中國農(nóng)村能源發(fā)展的方向。該文首先對大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)經(jīng)濟環(huán)境效益進行核算，然后根據(jù)各系統(tǒng)經(jīng)濟效益內(nèi)部收益率的大小將原始系統(tǒng)分層。結(jié)果顯示，原始狀態(tài)下，系統(tǒng)的環(huán)境效益普遍較好且具有規(guī)模效應(yīng)，但經(jīng)濟效益差異較大，體現(xiàn)出規(guī)模越大越不經(jīng)濟的狀況。以貼現(xiàn)率0.08和原點0為分層點，依據(jù)各系統(tǒng)的內(nèi)部收益率將原始系統(tǒng)分為3層進行優(yōu)化。根據(jù)不同層級系統(tǒng)的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，從替換發(fā)酵罐恒溫燃料、配置沼氣發(fā)電設(shè)備為沼氣系統(tǒng)供電、建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)3個方面靈活選擇制定符合不同層級現(xiàn)實需求的優(yōu)化措施。優(yōu)化后各系統(tǒng)的綜合效益均得到不同程度的提升。系統(tǒng)優(yōu)化后，一級系統(tǒng)的2個項目經(jīng)濟效益變化不大，環(huán)境效益提升顯著，分別提升了112.88%和134.43%。二級系統(tǒng)的4個項目在優(yōu)化后內(nèi)部收益率都達到或超過了貼現(xiàn)率8%，經(jīng)濟效益由一般升級為良好；同時，環(huán)境效益分別提升了88.16%、100.02%、103.22%和109.09%。三級系統(tǒng)的3個項目內(nèi)部收益率都為負值，屬于不具備經(jīng)濟效益的項目，優(yōu)化之后，其中的2個項目內(nèi)部收益率已經(jīng)轉(zhuǎn)正，經(jīng)濟效益由無升級為一般，同時，環(huán)境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%。優(yōu)化的主要措施是削減運營成本，但現(xiàn)實情況更為復(fù)雜，各地應(yīng)該因地制宜，靈活選擇優(yōu)化措施。大型系統(tǒng)需要在建設(shè)時積極參考國家大中型沼氣工程建設(shè)規(guī)劃，嚴格控制成本。

沼氣；環(huán)境控制；大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)；炊事能源；多層次優(yōu)化；綜合效益

0 引 言

目前，農(nóng)村家庭能源消費和可再生能源發(fā)展是能源領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。其中沼氣作為農(nóng)村可再生能源推廣、利用和消費的重要內(nèi)容[3-4]，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。中國農(nóng)村戶用沼氣的建設(shè)始于20個世紀50年代末期，但建設(shè)步伐緩慢，幾近停滯。直到1979年以后，隨著國家經(jīng)濟狀況的好轉(zhuǎn)和技術(shù)水平的成熟，戶用沼氣穩(wěn)步發(fā)展，年均增長率達到4%。到2000年底，農(nóng)村戶用沼氣池已達到了848萬戶[5-6]。2000年以后，隨著中國政府對“三農(nóng)”問題的重視，中國農(nóng)村沼氣建設(shè)事業(yè)進入了快速發(fā)展期，到2010年底，中國農(nóng)村戶用沼氣池保有量已超過4 000萬戶。但此時，由于農(nóng)業(yè)機械化水平的提升和農(nóng)村勞動力的外流，導(dǎo)致戶用型沼氣發(fā)展受阻。與此同時，中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的不斷推進，產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)有機廢料亟待處理和利用，這對沼氣規(guī)?；募猩a(chǎn)創(chuàng)造了條件[7]。同時，隨著國家“建設(shè)社會主義新農(nóng)村”運動的推廣，中國農(nóng)村地區(qū)開始大規(guī)模推進基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。這對能源項目的集中供應(yīng)提出了要求。在天然氣還無法覆蓋農(nóng)村地區(qū)的前提下，沼氣具有集中化供應(yīng)的相對優(yōu)勢[8]。因此，沼氣發(fā)展的模式發(fā)生了新的變化和新的趨勢——大中型沼氣集中供氣[9]。

雖然近年來大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)取得了長足的發(fā)展，但在實際推廣過程中還出現(xiàn)了很多問題。其中最大的問題是經(jīng)濟效益較差，這個問題也引起了許多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Markus等[10]分析評估了使用奶牛糞便進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和利用沼氣發(fā)電和供熱的經(jīng)濟可行性，認為一個經(jīng)濟上可行的厭氧消化工廠至少需要每個農(nóng)場3 000頭奶牛，這在無形之中就限制了很多大中型沼氣系統(tǒng)經(jīng)濟效益的穩(wěn)定；而Rácz等[11]在丹麥沼氣集中供氣項目生產(chǎn)率和效率的研究結(jié)果中認為，沼氣集中產(chǎn)氣系統(tǒng)沒有經(jīng)濟效益，因此對其進行推廣是不劃算的。Wang等[12]則從政府補貼的角度得出結(jié)論，認為沒有任何補貼政策的沼氣項目是不可行的，而即便是政府對其進行補貼和政策優(yōu)惠，其經(jīng)濟效益也十分微弱。沼氣集中供氣系統(tǒng)微弱的經(jīng)濟效益是限制它進一步推廣的主要原因，但從另一個角度來說，其又具有良好的環(huán)境效益和社會效益，這是它相對于傳統(tǒng)生物質(zhì)能和化石能源的優(yōu)勢。而這方面也得到了許多學(xué)者的關(guān)注。Rana 等[13]認為大中型沼氣集中供氣項目能夠減少溫室氣體排放和環(huán)境污染物排放，顯著改善農(nóng)村地區(qū)的室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境；得到同樣結(jié)論的還有瑞典學(xué)者Olsson，他在關(guān)于瑞典沼氣生產(chǎn)與利用的社會技術(shù)分析的研究中指出，大規(guī)模利用沼氣可使瑞典公路運輸產(chǎn)生的溫室氣體排放量減少25%，顯著改善空氣質(zhì)量[14]；而Subedi等[15-16]則分別得出結(jié)論，認為利用沼氣產(chǎn)生的環(huán)境效益不僅體現(xiàn)在對溫室氣體的減排上，還體現(xiàn)在通過替代化肥而提升土壤土質(zhì)和通過替代傳統(tǒng)生物質(zhì)能對生態(tài)環(huán)境的保護上。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，現(xiàn)有研究對大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、社會及綜合效益都有了較為豐富的研究成果。例如，丁京濤等[17]以實地調(diào)研和問卷調(diào)查的形式，通過采樣分析發(fā)酵原料、沼渣和沼液樣品的養(yǎng)分含量、糞大腸菌群數(shù)、銅、鋅、砷、鉛等指標，從技術(shù)層面了解了北京市大中型沼氣工程冬季運行情況及發(fā)酵剩余物理化特性；李金平等[18]以生命周期評價法為基礎(chǔ)，對發(fā)酵出料直接排放及固液分離后排放2種情況進行對比，在此基礎(chǔ)上從經(jīng)濟、能效和環(huán)境影響3個方面評價了大型沼氣工程不同沼液處理方式造成的綜合性能差異。其中，也有一些研究對沼氣系統(tǒng)未來的發(fā)展和優(yōu)化提出了一些構(gòu)思，但也僅限于一些政策性建議和措施。目前還沒有對現(xiàn)有大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)進行全面優(yōu)化，針對不同規(guī)模、效益和現(xiàn)實條件提出相應(yīng)解決方案的相關(guān)研究。

此次研究的目的，是基于上述背景，通過對大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)經(jīng)濟環(huán)境效益的核算，綜合考量不同層級系統(tǒng)的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，制定符合不同層級現(xiàn)實需求的優(yōu)化措施，并追蹤系統(tǒng)在優(yōu)化過程中經(jīng)濟環(huán)境效益的變動，以此來確定系統(tǒng)優(yōu)化的有效性和可操作性。在持續(xù)發(fā)揮系統(tǒng)環(huán)境優(yōu)勢的同時，致力于系統(tǒng)經(jīng)濟效益這個最大短板的提升，使其實現(xiàn)綜合效益最大化，為沼氣集中供氣系統(tǒng)的優(yōu)化和市場化推廣提供有力支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為了獲取研究所需數(shù)據(jù)和資料，分別于2016年7月和2016年8月實地訪談了甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣和武威市涼州區(qū)2個地區(qū)的5個農(nóng)村大中型沼氣集中供氣項目。除此之外，還遠程訪談了涼州區(qū)柏樹莊社區(qū)、天馬社區(qū)，莊浪縣上寨村、連王村4個沼氣集中供氣項目。在訪談過程中，對項目的生產(chǎn)過程、投入產(chǎn)出的相關(guān)參數(shù)進行了逐項的清查，收集到了各項目物質(zhì)投入、人力消耗、生產(chǎn)經(jīng)營等的全部數(shù)據(jù)和信息資料（表1）。

表1 各系統(tǒng)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of each system

目前這幾個項目都是新建的，處于試驗階段的項目。目的是通過這些項目對大中型沼氣集中供氣項目的建設(shè)和運營進行試驗參考和過程優(yōu)化。

1.2 研究方法

此文在研究的過程中使用了成本效益分析方法。成本效益分析方法是通過比較各系統(tǒng)的全部成本和效益來評估系統(tǒng)運營價值的方法，主要包含的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益3個方面的量化評估。由于社會效益難以量化，文章在研究過程中只量化了項目的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

1）經(jīng)濟效益量化

經(jīng)濟效益通過凈現(xiàn)值（NPV）、內(nèi)部收益率（IRR）和投資回收期（Pt）進行量化。凈現(xiàn)值為[19]

式中CI為現(xiàn)金流入量，CO為現(xiàn)金流出量，i為貼現(xiàn)率，(CI?CO)為第年的凈現(xiàn)金流量，為項目年限，按照中國現(xiàn)階段的貼現(xiàn)率，i取值為0.08。

內(nèi)部收益率為[19]

式中IRR為內(nèi)部收益率，其將作為分層優(yōu)化的依據(jù)。

投資回收期為[19]

式中為項目各年累計凈現(xiàn)金流量出現(xiàn)正值或零的年數(shù)，從投產(chǎn)當年開始計算。

2）環(huán)境效益量化

環(huán)境效益通過計算環(huán)境影響因子的減排量來進行量化，具體是通過核算替代能源（沼氣）和被替代能源（傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)）之間環(huán)境影響因子排放量的差額來實現(xiàn)，公式模擬如下

式中EB是環(huán)境效益量化值，EC是種被替代能源的消耗量，f是種被替代能源排放因子的排放系數(shù)，是種被替代能源在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中的比例；BG是替代能源的消耗量，f是替代能源排放因子的排放系數(shù)；表示排放因子的數(shù)量，表示傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中的能源數(shù)量。

2 研究過程與結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)原始狀態(tài)

優(yōu)化前，各項目的系統(tǒng)運營狀況處于最原始的狀況，在此情境下，系統(tǒng)的邊界設(shè)定為：

1）忽略沼氣項目建設(shè)階段的環(huán)境影響；

2）發(fā)酵原料就地取材，沼渣沼液就地使用，忽略關(guān)于原料和產(chǎn)品運輸?shù)沫h(huán)境影響；

3）所用發(fā)酵工藝采用CSTR（Continuous stirred-tank reactor）發(fā)酵工藝；

4）恒溫所用燃料為煤炭，設(shè)備運行所用電能為火電；

5）沼氣僅作為炊事能源供應(yīng)農(nóng)戶燃燒；

6）沼渣沼液僅作為有機肥施用在農(nóng)田中。

基于此，優(yōu)化前沼氣系統(tǒng)的成本支出點、收益點和環(huán)境污染物排放點分布狀況如圖1。

圖1 原始系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界和基本狀況 Fig.1 System boundary and basic condition of primitive system

優(yōu)化前沼氣系統(tǒng)的主要特征有：運營周期成本支出點較多，特別是輸入階段和生產(chǎn)階段存在多個成本支出點；運營周期收益點較少，只存在于輸出階段；運營周期會產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，部分環(huán)節(jié)會排放環(huán)境影響因子（溫室氣體和環(huán)境污染物），其中輸入階段的恒溫燃料使用和設(shè)備用電環(huán)節(jié)，以及輸出階段的沼氣燃燒環(huán)節(jié)都是主要的排放源。

2.2 原始狀態(tài)效益核算

2.2.1 經(jīng)濟效益

系統(tǒng)優(yōu)化前，成本支出點主要有6處，其中原料支出是最大的成本支出點。目前收益點只有2個，分別為沼氣和沼渣沼液的銷售。沼氣系統(tǒng)雖然收益點較少，但都具有一定的盈利能力，可以維持系統(tǒng)的日常運營。

由成本支出額和收益額（表2），并以設(shè)備運營期20 a為周期，列出現(xiàn)金流量表，以此計算出各項目的內(nèi)部收益率（IRR）和投資回收期（Pt）。

從結(jié)果可以看出，系統(tǒng)優(yōu)化前，中小規(guī)模的系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟效益（表3），普遍能在有效運行期內(nèi)收回初始投資，但規(guī)模較大的系統(tǒng)經(jīng)濟效益則相對越差，難以收回投資。

表2 優(yōu)化前各系統(tǒng)主要成本和收入情況

注：*1牛糞的單位產(chǎn)氣量為26 m3·t-1，豬糞為22 m3·t-1，雞糞為40 m3·t-1；*2沼氣和沼渣沼液的產(chǎn)量按照理論最大產(chǎn)量計算；*3沼氣和沼渣沼液的價格按照調(diào)研當?shù)氐膶嶋H出售價格計算（沼氣2.00元·m-3，沼渣沼液40.00元·m-3）。

Note: *1. The unit biogas production of raw material: cow dung is 26 m3·t-1, pig dung is 22 m3·t-1, chicken dung is 40 m3·t-1; *2. The output of biogas and biogas residues is calculated according to the maximum theoretical yield; *3. The prices of biogas and biogas residues are calculated on the basis of the actual local sales prices (biogas 2.00 yuan·m-3, biogas residues 40.00 yuan·m-3).

表3 優(yōu)化前各系統(tǒng)經(jīng)濟效益

2.2.2 環(huán)境效益

沼氣系統(tǒng)具有正的環(huán)境外部性，但其是否能彌補經(jīng)濟效益的不足，主要取決于它所取代的燃料的種類和數(shù)量。大中型沼氣系統(tǒng)建成后，原有的炊事能源結(jié)構(gòu)，包括一些分散的戶用型沼氣，將被集中供應(yīng)的大中型沼氣所替代。此處利用IPCC（聯(lián)合國氣候變化國家間專家委員會）公布的氣候變化因子及其排放系數(shù)[20-22]（表4），分別計算出傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下和沼氣替代結(jié)構(gòu)下環(huán)境影響因子（溫室氣體和環(huán)境污染物）的排放量，并將二者之差作為沼氣的環(huán)境替代效益，即系統(tǒng)的環(huán)境效益。

表4 主要炊事能源的氣候變化因子及排放系數(shù)

注：單位為千克每噸標煤。

Note: Unit is kg per ton coal equivalent.

在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下，煤炭和秸稈是農(nóng)村地區(qū)最主要的炊事能源，這種能源結(jié)構(gòu)會排放大量的溫室氣體和環(huán)境污染物，沼氣正是由于替代了這種傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)生了較強的環(huán)境正外部性。

表5顯示了傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)組合的多樣性。

假設(shè)調(diào)研中各系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)的農(nóng)戶使用傳統(tǒng)的炊事用能結(jié)構(gòu)，按照調(diào)研中的各氣站供應(yīng)的農(nóng)村家庭總戶數(shù)，得出各氣站服務(wù)范圍內(nèi)一年炊事活動所用的各種能源用量，并基于此計算出傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下溫室氣體和環(huán)境污染物的排放量（表6）。

表5 傳統(tǒng)炊事能源結(jié)構(gòu)

表6 傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下的環(huán)境影響因子及排放量

沼氣替代結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，主要存在于發(fā)酵罐恒溫所用燃料的燃燒、沼氣燃燒、沼肥施用等環(huán)節(jié)。沼氣結(jié)構(gòu)下的環(huán)境影響因子排放情況如表7。

表7 沼氣替代結(jié)構(gòu)下的環(huán)境影響因子及排放量

通過比較傳統(tǒng)和現(xiàn)在的炊事能源結(jié)構(gòu)，可以核算出大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響因子減排量，即原始狀態(tài)下沼氣系統(tǒng)的環(huán)境效益（表8）。

表8 優(yōu)化前各系統(tǒng)的環(huán)境效益

注： * CO2當量，CH4為21，N2O為298。

Note: * CO2equivalent, CH4is 21, N2O is 298.

從結(jié)果可以看出，原始系統(tǒng)的環(huán)境效益較為理想，特別是對溫室氣體和PM的減排效應(yīng)十分顯著，而且體現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大的系統(tǒng)環(huán)境效益越顯著。

2.2.3 小 節(jié)

系統(tǒng)原始狀態(tài)下，經(jīng)濟效益隨系統(tǒng)規(guī)模的增大有急劇下降的趨勢。中小規(guī)模的系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟效益，普遍能在有效運行期內(nèi)快速收回初始投資，但規(guī)模較大的系統(tǒng)經(jīng)濟效益則相對較差，甚至不具備經(jīng)濟效益，很難收回投資。環(huán)境效益則普遍較為理想，特別是對溫室氣體和PM的減排效應(yīng)十分顯著，而且體現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大的系統(tǒng)環(huán)境效益越顯著?？傮w來看，原始系統(tǒng)經(jīng)濟效益差異較大，但環(huán)境效益普遍較好且具有規(guī)模效應(yīng)，由于其良好的環(huán)境效益帶來的社會效應(yīng)也比較顯著，因此多數(shù)原始系統(tǒng)的綜合效益還是比較理想的。但對于一個自負盈虧的項目而言，具有一定的經(jīng)濟效益是這些項目得以穩(wěn)定運營的前提，也是這些得以最大化地發(fā)揮它的綜合效益的必要條件。因此，需要對現(xiàn)有大中型沼氣系統(tǒng)項目進行優(yōu)化，致力于提升它們的經(jīng)濟效益，以確保它們能夠穩(wěn)定運營。

2.3 優(yōu)化情景模擬及分析

2.3.1 劃分優(yōu)化層級

不同層級的系統(tǒng)有不同的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，因此需要制定符合不同層級現(xiàn)實需求的優(yōu)化措施，并追蹤系統(tǒng)在優(yōu)化過程中經(jīng)濟環(huán)境效益的變動，以此來確定系統(tǒng)優(yōu)化的有效性和可操作性。

此處根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部收益率，以貼現(xiàn)率0.08和原點0為分層點，將系統(tǒng)分為3層：

1）一級系統(tǒng)：內(nèi)部收益率≥8%，共有野趙村和小果園村2個項目。

2）二級系統(tǒng)：0≤內(nèi)部收益率<8%，共有石陽村、岳堡村、連王村和上寨村4個項目。

3）三級系統(tǒng)：內(nèi)部收益率<0，共有天馬社區(qū)、南安社區(qū)、柏樹莊社區(qū)3個項目。

各層根據(jù)其經(jīng)濟效益表現(xiàn)的差異，采取不同的優(yōu)化措施。

2.3.2 一級系統(tǒng)的優(yōu)化情景

該情景下的野趙村和小果園村2個沼氣集中供氣系統(tǒng)經(jīng)濟效益較好，不僅能夠在有效運行期內(nèi)回收投資，還能夠產(chǎn)生較為可觀的收益；但這2個系統(tǒng)由于規(guī)模較小，環(huán)境效益不十分顯著。因此，該情景下的優(yōu)化原則和優(yōu)化措施如下：

1）優(yōu)化原則：保持經(jīng)濟效益穩(wěn)定的前提下，持續(xù)提升系統(tǒng)環(huán)境效益。

2）優(yōu)化措施：將恒溫燃料由煤炭替換為生物質(zhì)固體成型燃料。

優(yōu)化后，一級系統(tǒng)2個項目的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都發(fā)生了變化，如表9所示。

首先，可以看出優(yōu)化后一級系統(tǒng)的經(jīng)濟效益有略微下降，相比原始系統(tǒng)，2個項目純收益分別下降了1.50%和1.51%，這是由于生物質(zhì)固體成型燃料單價比煤炭略高，導(dǎo)致成本有小幅上升。但總體上下降幅度很小，基本保持穩(wěn)定，對于經(jīng)濟效益較高的野趙村和小果園村的沼氣集中供氣系統(tǒng)幾乎不會產(chǎn)生影響。相比之下，優(yōu)化后環(huán)境效益得到了較大程度的提升，特別是碳減排量分別提升112.88%和134.43%，環(huán)境效益顯著提升。綜上，優(yōu)化后系統(tǒng)經(jīng)濟效益保持穩(wěn)定，環(huán)境效益顯著提升，達成了優(yōu)化目的。

表9 優(yōu)化后一級系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟效益變動

2.3.3 二級系統(tǒng)的優(yōu)化情景

該情景下石陽村、岳堡村、連王村、上寨村都屬于經(jīng)濟效益一般的系統(tǒng)，勉強能在有效運行期內(nèi)回收投資，但盈利能力較低，抗市場風險能力較弱。因此，該情景下的優(yōu)化原則和優(yōu)化措施如下：

1）優(yōu)化原則：保持系統(tǒng)環(huán)境優(yōu)勢的前提下，提升系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

2）優(yōu)化措施：保持一級優(yōu)化的措施；配置發(fā)電機組利用剩余沼氣發(fā)電滿足用電需求。

原始狀態(tài)下，沼氣系統(tǒng)普遍對外購電，所購電能中火電占比在7成以上，而火電在其生命周期中會產(chǎn)生大量的溫室氣體和環(huán)境污染物，會實際影響系統(tǒng)的環(huán)境效益。因此，在二級優(yōu)化情景下，建議配置發(fā)電機組利用所產(chǎn)沼氣內(nèi)部供電，以取代對外購電。這樣，一方面節(jié)省了購電支出，一方面可以進一步提升系統(tǒng)的環(huán)境效益。配置發(fā)電設(shè)備后，按照2 kWh/m3的單位發(fā)電量，滿足系統(tǒng)的用電需求，而配置發(fā)電機組的支出算作系統(tǒng)設(shè)備投資，并計入折舊。優(yōu)化后，二級系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都發(fā)生了變化（表10）。

表10 優(yōu)化后二級系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟效益變動

可以看出，二級系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后，經(jīng)濟效益得到了較大幅度的提升。4個項目的內(nèi)部收益率已經(jīng)達到或者超過8%，意味著不僅能夠在有效運行期內(nèi)收回投資，還具有相當?shù)挠芰?，市場競爭力和抗風險能力都相應(yīng)提高。這主要是由于配置發(fā)電機組內(nèi)部供電，節(jié)省了購電支出，雖然同時會產(chǎn)生發(fā)電機組的設(shè)備支出，但是這部分支出計入折舊之后對成本總額提升的影響很小。因此，二級系統(tǒng)的4個項目經(jīng)濟效益都得到了提升。環(huán)境上，延續(xù)一級系統(tǒng)的優(yōu)化措施，將恒溫燃料替換為生物質(zhì)固體成型燃料，同時取消了對外購電（火電為主），使二級系統(tǒng)在優(yōu)化之后的環(huán)境效益也得到了顯著提升，環(huán)境效益分別提升88.16%、100.02%、103.22%、109.09%。綜上，優(yōu)化后二級系統(tǒng)經(jīng)濟效益有較大幅度的提升，具有一定的盈利能力和抗風險能力。此外，環(huán)境效益也顯著提升，達成了優(yōu)化目標。

2.3.4 三級系統(tǒng)的優(yōu)化情景

該情景下柏樹莊、南安社區(qū)、天馬社區(qū)的沼氣集中供氣系統(tǒng)都屬于大型系統(tǒng)，規(guī)模大、成本高、收入低，不具備經(jīng)濟效益，不能在有效運行期內(nèi)回收投資，盈利能力和抗市場風險能力都很差。因此，對于三級系統(tǒng)的優(yōu)化，重點在于提升經(jīng)濟效益：

1）優(yōu)化原則：盡力提升經(jīng)濟效益，使其綜合效益最大化。

2）優(yōu)化措施：保持一級和二級優(yōu)化的措施；建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，穩(wěn)定系統(tǒng)原料供應(yīng)和產(chǎn)品銷售。

原始狀態(tài)下，大中型沼氣系統(tǒng)都是獨立運營的，原料需要從外收購，沼渣沼液也必須投入市場銷售。這種狀態(tài)下，一方面大幅提高了沼氣系統(tǒng)的成本負擔（主要有原料支出和運輸支出），另一方面無法確保沼渣沼液的穩(wěn)定銷售，進而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。而這個不足，對規(guī)模較大的系統(tǒng)尤為突出。因此，對于那些規(guī)模比較大的系統(tǒng)，建議建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，配合畜牧養(yǎng)殖場和果蔬農(nóng)場。畜牧養(yǎng)殖場為大中型沼氣系統(tǒng)供應(yīng)原料，節(jié)省系統(tǒng)的原料支出和運輸成本；大中型沼氣系統(tǒng)的沼渣沼液則為果蔬農(nóng)場免費提供新鮮優(yōu)質(zhì)的有機肥料；同時養(yǎng)殖場和農(nóng)場的部分運營收益用來補貼大中型沼氣系統(tǒng)，提升大中型沼氣系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。在此研究中，假設(shè)養(yǎng)殖場和農(nóng)場各自每年能夠為大中型沼氣系統(tǒng)補貼10萬元，則此情景下三級系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟效益變動情況如表11。

表11 優(yōu)化后三級系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟效益變動

三級系統(tǒng)優(yōu)化后，經(jīng)濟效益得到了相當程度的提升。南安社區(qū)和天馬社區(qū)的沼氣系統(tǒng)已經(jīng)從沒有經(jīng)濟效益升級為低經(jīng)濟效益。也就是說，這2個系統(tǒng)在經(jīng)過優(yōu)化后，具有了一定的盈利能力，可以勉強在有效運行期內(nèi)回收投資，但抗風險能力仍舊很弱，易受政策和市場風險的影響。而柏樹莊的沼氣系統(tǒng)由于規(guī)模過大，投資過高，雖然經(jīng)過優(yōu)化收入水平有了提升，但仍舊屬于不具備經(jīng)濟效益的系統(tǒng)，對于這類系統(tǒng)必須在優(yōu)化前就做好規(guī)劃，控制成本。環(huán)境上，繼續(xù)延續(xù)之前的優(yōu)化措施，使三級系統(tǒng)在優(yōu)化之后的環(huán)境效益也得到了顯著提升，環(huán)境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%。綜上，三級系統(tǒng)在優(yōu)化之后，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都得到了提升，綜合效益也更為顯著，基本達成了優(yōu)化目標。

2.3.5 建 議

針對現(xiàn)階段大中型沼氣建設(shè)與推廣中存在的突出問題，提出一些建議如下：

1）因地制宜，靈活選擇優(yōu)化措施

在此研究中，假設(shè)了一種理想狀態(tài)，設(shè)定所有的系統(tǒng)都能夠滿負荷運行，所有的產(chǎn)品都能全部銷售轉(zhuǎn)化為運營收益。因此，優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟效益就完全依靠削減運營成本來實現(xiàn)。但實際上，對于大中型沼氣系統(tǒng)而言，沼氣的銷售相對穩(wěn)定，而沼渣沼液的銷售并不穩(wěn)定。調(diào)研中的多數(shù)項目沼渣沼液的銷售都不理想，這個收益點并沒有完全發(fā)揮作用。因此，在實際的優(yōu)化中應(yīng)該考慮擴寬沼渣沼液的銷售渠道，例如可以進行風干壓縮的初級加工，并進行簡單包裝對外銷售，一方面使用戶易于接受，另一方面也能大幅減少運輸成本，確保沼渣沼液的穩(wěn)定銷售，充分獲得沼渣沼液的銷售收入。此外，現(xiàn)有的優(yōu)化措施中，更換恒溫燃料和配置發(fā)電機組對于多數(shù)沼氣系統(tǒng)都較容易實現(xiàn)，但建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)則難度相對較大，不僅前期投入更多，而且日常管護更為復(fù)雜。因此，各地應(yīng)該根據(jù)本地的現(xiàn)實需求，靈活地選擇優(yōu)化措施。發(fā)展基礎(chǔ)較好，市場前景相對廣闊的地區(qū)可以采取程度較深的三級優(yōu)化措施；而發(fā)展基礎(chǔ)較弱，市場前景不佳的地區(qū)則建議采取一、二級優(yōu)化措施。

2）做好規(guī)劃，建立嚴格的成本控制機制

規(guī)模較大的沼氣集中供氣系統(tǒng)，由于其本身就沒有經(jīng)濟效益，而在優(yōu)化之后，雖然收益能力有所提升，但經(jīng)濟效益仍舊十分微弱，一旦政策和市場發(fā)生不利于大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)發(fā)展和推廣的變動，這些系統(tǒng)就會受到嚴重影響，導(dǎo)致無法在有效運行期內(nèi)回收投資。此外，還有一些大型系統(tǒng)在項目建設(shè)期間，由于可行性論證不夠深入，沒有控制好成本，導(dǎo)致投資過高，雖然經(jīng)過深入優(yōu)化，收入水平有了提升，但仍舊沒有經(jīng)濟效益。按照國家《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》制定的投資預(yù)算參考，發(fā)酵容量1 000 m3的沼氣系統(tǒng)工程，投資應(yīng)該控制在450萬人民幣左右。三級系統(tǒng)均是發(fā)酵容量在1000 m3左右的項目，但投資均遠遠超過《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的參考預(yù)算，因此這類系統(tǒng)必須在建設(shè)的時候積極參考國家沼氣發(fā)展規(guī)劃和標準，在規(guī)劃建設(shè)之前就做好設(shè)計方案，建立嚴格的成本控制機制，保證大型系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和推廣。

3 結(jié) 論

基于上述分析，此次研究得出如下結(jié)論：

1）系統(tǒng)原始的經(jīng)濟效益有很大差異，隨項目規(guī)模從大到小，各項目的內(nèi)部收益率分別為-7%、-3%、-3%、7%、6%、5%、7%、14%、12%，體現(xiàn)出規(guī)模越大越不經(jīng)濟的趨勢。環(huán)境效益則普遍較為理想，特別是對溫室氣體的減排效應(yīng)十分顯著，隨項目規(guī)模從大到小，溫室氣體減排量分別可為269 427.94、230 788.18、237 299.61、231 344.26、103 604.36、 81 050.29、79 047.68、90 434.88、36 584.20 kg/a，體現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大的系統(tǒng)環(huán)境效益越顯著。

2）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部收益率，以貼現(xiàn)率0.08和原點0為分層點，將系統(tǒng)分為3層。根據(jù)不同層級系統(tǒng)的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，從替換發(fā)酵罐恒溫燃料、配置沼氣發(fā)電設(shè)備為沼氣系統(tǒng)供電、建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)3個方面靈活選擇制定符合不同層級現(xiàn)實需求的優(yōu)化措施，并追蹤系統(tǒng)在優(yōu)化過程中經(jīng)濟環(huán)境效益的變動，以此來確定系統(tǒng)優(yōu)化的有效性和可操作性。

3）系統(tǒng)優(yōu)化后，一級系統(tǒng)的2個項目經(jīng)濟效益分別下降了1.50%和1.51%，但這2個項目本身經(jīng)濟效益就較好（內(nèi)部收益率分別為14%和12%），因此對其經(jīng)濟效益影響不大；其環(huán)境效益提升顯著，分別提升了112.88%和134.43%，整體的優(yōu)化結(jié)果十分顯著。二級系統(tǒng)的4個項目在優(yōu)化后內(nèi)部收益率都達到或超過了貼現(xiàn)率8%，經(jīng)濟效益由一般升級為良好；同時，環(huán)境效益分別提升了88.16%、100.02%、103.22%和109.09%，優(yōu)化結(jié)果同樣較為顯著。三級系統(tǒng)的3個項目內(nèi)部收益率都為負值，屬于不具備經(jīng)濟效益的項目。優(yōu)化之后，其中的2個項目內(nèi)部收益率已經(jīng)轉(zhuǎn)正，經(jīng)濟效益由無升級為一般。同時，環(huán)境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%，整體的優(yōu)化結(jié)果相對顯著。值得注意的是規(guī)模最大的柏樹莊社區(qū)項目，經(jīng)過了程度最深的三級優(yōu)化，經(jīng)濟效益還是無法轉(zhuǎn)正，對于這類項目，必須在建設(shè)之前就做好規(guī)劃，嚴格控制成本和規(guī)模。

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Optimization simulation of medium- and large-scale biogas projects and its evaluation of economic and environmental efficiency

Zhong Sheng, Niu Shuwen※, Qiu Xin, Wang Yipeng

(1.(),730000,; 2.,730000,)

At present, with the continuous development of Chinese agricultural industrialization and rural urbanization, the traditional household biogas has been gradually replaced by more efficient medium and large-scale biogas system. Medium and large-scale biogas system can provide biogas as stable and clean cooking energy for rural residents depending on centralized utilization of agricultural organic wastes. It has a good impact on the indoor and outdoor environment in rural areas, and is in line with the requirements of the transformation of China’s rural energy structure. Further, it is a new trend for the development of rural energy in China. In this paper, the cost-benefit analysis method is used to quantify the economic and environmental benefits of these medium and large-scale biogas systems investigated by the author. Then, according to the internal rate of return (IRR) of each original system, these original systems is divided into three levels: the first level system-the better economic benefit (the IRR is greater than the discount rate 0.08), the second level system-the general economic benefit (the IRR is less than the discount rate 0.08, but more than 0), the tertiary level system-poor economic benefits (the IRR is less than 0). After considering the scale, benefits, conditions and the necessity of optimization of different levels of systems, the optimization measures are formulated to meet the needs of reality in different levels. The results show that: 1) The environmental benefit of the original system before optimization is generally good. Among them, carbon emission reduction is the most significant. In order of project scale from large to small (Baishuzhuang community, Nanan community, Tianma community, Shangzhai village, Shiyang village, Lianwang village, Yuepu village, Yezhao village, Xiaoguoyuan village), carbon emission reduction can reach 269 427.94, 230 788.18, 237 299.61, 231 344.26, 103 604.36, 81 050.29, 79 047.68, 90 434.88, 36 584.20 kg per year, respectively. 2) There are great differences in economic benefits before optimization, and the internal rates of return are as follows:-7%, -3%, -3%, 7%, 6%, 5%, 7%, 14%, 12%, which shows that the larger the scale is, the more uneconomical it is. 3) With the discount rate of 0.08 and the 0 as the stratified points, the original system is divided into three levels to optimize according to the internal rates of return of each system. 4) In the first-level system, the economic benefits of the two projects (Yezhao village and Xiaoguoyuan village) are already good. After optimization, the economic benefits decreased by 1.50% and 1.51%, respectively, but the carbon emission reduction increased by 112.88% and 134.43%, respectively. The overall optimization results are remarkable. 5) In the four projects (Shangzhai village, Shiyang village, Lianwang village, Yuepu village) of the second-level system, because the internal rate of return is more than 8%, the economic benefits are upgraded from general to good. In addition, the environmental benefit increased by 88.16%, 100.02%, 103.22%, 109.09%, respectively. The optimization effect is also remarkable. 6) In the third-level system (Baishuzhuang community, Nanan community, Tianma community), the internal rate of return of most projects becomes positive after optimization, and the economic benefits are upgraded from no to general, while the environmental benefit increases by 116.36%, 123.92% and 101.19%, respectively. The overall optimization results are good. 7) The main measure of optimization is to cut down the operating cost, but the reality is more complicated, so the local conditions should be adapted to local conditions, and the optimization measures should be chosen flexibly. 8) Those large-scale systems need to actively refer to the national biogas project construction plan and strictly control the cost when building it.

biogas; environmental control; medium- and large-scale biogas projects; cooking energy; multi-level optimization; comprehensive benefit

仲 聲，牛叔文，邱 欣，王義鵬. 大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)優(yōu)化模擬及經(jīng)濟環(huán)境效益評估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(4)：232－240. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.029 http://www.tcsae.org

Zhong Sheng, Niu Shuwen, Qiu Xin, Wang Yipeng. Optimization simulation of medium- and large-scale biogas projects and its evaluation of economic and environmental efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 232－240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.029 http://www.tcsae.org

2018-11-13

2019-01-28

蘭州大學(xué)“一帶一路”專項項目（2018ldbryb031）

仲 聲，博士生，主要從事能源經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展方向研究。 Email：wywybz@163.com

牛叔文，研究員，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事人地關(guān)系地域系統(tǒng)分析方向研究。Email：shuwenn@lzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.029

S216

A

1002-6819(2019)-04-0232-09