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1、第 27 卷增刊 1农 业 工 程 学 报Vol.27Supp.1262011 年5 月Transactions of the CSAEMay.2011基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析王丽丽1，王忠江1，卢化伟2（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.哈尔滨良大实业有限公司，哈尔滨 150090）摘要：该文应用系统动力学和有限元热平衡分析方法，针对黑龙江省某大型沼气发电工程，研究其能量供需平衡情况，并确定工程实际运行过程中的一些关键参数。研究结果表明：罐体散热损失、水分蒸发热损失、沼气排出带走的显热损失、管路热损失占发酵系统总热损失的比例分别为 85.59%90.2

2、2%、2.05%8.42%、3.93%4.78%、2.06%2.96%；通过对加热料液所需热量的分析确定了配料热水的加热温度，6、7、8 月份为 53，其它月份为 65，其占沼气工程总需热量的 73.13%87.91%；通过对管路热损失的分析确定了不同外界气温条件下维持发酵罐 35恒温发酵的日均加热时间；通过整个系统能量供需平衡的分析得出该工程发电回收的余热能够维持系统全年连续运转，为北方高寒地区大型沼气工程的应用及推广奠定了理论基础。关键词：沼气，动力学，发电厂，热损失，热平衡doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z1.006中图分类号：TK123文献标志码：A

3、文章编号：1002-6819(2011)-Supp.1-0026-06王丽丽，王忠江，卢化伟.基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析J.农业工程学报，2011，27(增刊 1)：2631.Wang Lili,Wang Zhongjiang,Lu Huawei.Thermal balance analysis of northern large-scale biogas generating system based onsystem dynamicsJ.Transactions of the CSAE,2011,27(Supp.1):2631.(in Chinese with Engl

4、ish abstract)0引言中国北方冬季气温低，为保证大中型沼气工程实现全年连续运转，除增加保温材料外必须考虑适当加热。但增加保温加热系统的同时也大大增加了工程施工及运行成本，进而阻碍了北方高寒地区大中型沼气工程的应用及推广。由于沼气发电系统运行过程中仅有 30%左右的能量转化为电能，除内燃机散热、空气冷却器、润滑油冷却器等 30%的能量损失外，还有 40%的能量随冷却水和尾气排出而损失1。将这部分热量回收后用于维持发酵系统正常运转，不仅使沼气的能量能够得到充分利用，而且还可以降低工程运行成本，有利于北方高寒地区大中型沼气工程的推广。目前，国内外专家和学者在沼气发酵系统热平衡方面进行了一些

5、研究，如古大田通过分析厌氧消化器的各种热量损失确定了反应器的最佳尺寸2；王飞利用传热学基本理论分析了太阳能双效增温沼气系统内各部分的热利用效率3；B.Wu 等采用 Fluent 软件对塞流式厌氧反应器的散热损失进行了分析4；K.G.Gebremedhin 等比较分收稿日期：2010-12-31修订日期：2011-02-17基金项目：国家 863 项目（2007AA100705）；国家十一五科技支撑项目（2006BAD07A10）；黑龙江省科技攻关项目（ZD200817）；黑龙江省留学归国人员科学技术专项资金（LC06C03）；东北农业大学科学研究基金作者简介：王丽丽（1979），女，黑龙江人，

6、从事农业生物环境与能源工程的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email:通信作者：王忠江（1978），男，黑龙江人，博士，硕士生导师，主要从事生物质能转化与利用的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email:析了塞流式厌氧反应器各月份的能量需求情况5。但目前针对中国北方高寒地区大型沼气发酵系统热平衡的系统性研究鲜见报道。因此，对北方高寒地区沼气发电系统进行热平衡分析势在必行。系统动力学是系统分析与模拟相结合的模型模拟研究方法，是分析复杂大系统结构和功能动态变化的有效方法6。VENSIM 是系统动力学分析软件，在水资源供需平衡、粮食供需平衡、木材供需平衡等领域都得到

7、了广泛的应用7-9，但在沼气生产方面应用甚少10。ANSYS是一个大型通用有限元分析软件，能够分析工程中普遍存在的热问题，如稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、热应力、相变等11，具有简单、方便、高效等优点，且具有很好的灵活性和适应性12。论文根据工程热力学基本原理，应用 VENSIM 和 ANSYS 等分析软件，针对黑龙江省北大荒牛业大型沼气发电工程，研究其能量供需平衡情况，探讨大型沼气工程实际运行过程中的一些关键参数，为北方高寒地区大中型沼气工程的应用及推广奠定理论基础。1大型沼气发电系统热平衡分析1.1沼气工程简介本研究对象是黑龙江省北大荒牛业大型沼气工程。该工程采用两相厌氧发酵工艺，包括

8、1 个酸化罐和 3 个产气罐，每个罐体的有效容积均为 376.6 m3。工程日处理黄牛粪 60 t，牛粪总固体质量分数为 17%，发酵原料粪水比为11，发酵料液总固体质量分数为8.5%，日产沼气量为 2 400 m3/d，日均发电量为 3 600 KWh。由工程所在地区 20062008 年统计数据得到最低平均气温为-24.33，增刊 1王丽丽等：基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析27全年 112 月各月平均气温分别为-14.73、-10.9、-2.6、6.73、14.0、20.4、23.57、22.1、15.8、7.2、-5.03、-11.83。1.2系统动力学模型构建沼气工程所

9、需热量主要包括：将发酵原料从初始温度加热至发酵温度所需热量；发酵罐内沼气、发酵料液通过罐壁、罐顶、罐底散失的热量；输热管道损失的热量；发酵罐内水蒸气、沼气等排出带走的热量等。这些是分析沼气发电系统能量平衡问题的关键。根据工程实际热平衡关系建立的大型沼气发电系统热平衡系统动力学模型如图 1 所示。图 1大型沼气发电系统热平衡系统动力学模型Fig.1System dynamics model of thermal balance analysis of large-scale biogas generating system1.3模型求解及结果分析模型模拟时间长度为 13 个月，时间步长为 1 个

10、月，第 13 个月对应最低平均气温-24.33。根据相关文献资料及工程实际结构、材料和实际运行过程中的工艺参数，并结合 ANSYS 分析软件对该沼气发电系统热平衡系统动力学模型进行求解和分析。下面对模型中主要变量的求解及结果分析分别进行阐述。1.3.1罐体散热损失Qd分析由于发酵罐部分罐体置于室内，所以罐壁散失热量由三部分组成，即室内部分罐壁散失的热量，室外部分包括气体和料液通过罐壁散失的热量。室内平均温度 6、7、8 月份为 25，其它月份为 20，全年平均为 21。基于有限元稳态热平衡模型，不考虑瞬态效应，得到单个发酵罐在全年各月平均气温及最低平均气温-24.33条件下的总散失热量 Qd如

11、图 2 所示2,13-15。图 2单个发酵罐在不同外界气温条件下的总散热损失Fig.2Total heat transfer loss of digester at different ambienttemperatures由图 2 可知，发酵罐体散失热量随外界气温变化较大，全年各月平均气温中最低的 1 月比最高的 7 月增加了 281.26%，在最低平均气温-24.33条件下为 1 148.7农业工程学报2011 年28MJ/d。各温度条件下，罐顶、罐壁和罐底的温度与总热流密度分布趋势基本一致。罐顶、罐壁和罐底至地下 2 m深及周围 12 m 12 m 范围内的土壤在-24.33条件下的温度

12、和总热流密度分布情况如图 3图 6 所示。图 3-24.33下的罐顶温度分布Fig.3Temperature distribution of roof at-24.33图 4-24.33下的罐顶总热流密度分布Fig.4Total heat flux distribution of roof at-24.33图 5-24.33下的罐壁和罐底的温度分布Fig.5Temperaturedistribution of side-wall and bottomat-24.33图 6-24.33下的罐壁和罐底的总热流密度分布Fig.6Total heat flux distribution of side

13、-wall and bottom at-24.331.3.2水分蒸发热损失Qw分析水分蒸发热损失是蒸汽显热与水的气化潜热的总和，与沼气流中水蒸汽的质量流率、沼气中水的分子分数、水的汽化潜热、甲烷的体积产率、发酵罐有效容积等参数有关，根据水分蒸发热损失计算模型14得到在全年各月平均气温和最低平均气温-24.33条件下，单个发酵罐的沼气流中水蒸汽的质量流率为 13.7363 kg/d，单个发酵罐的水分蒸发热损失 Qw如图 7 所示。图 7不同外界气温条件下的水分蒸发热损失Fig.7Heat losses of water evaporation at different ambienttemper

14、atures由图 7 可知，外界气温对水分蒸发热损失影响较小，全年各月平均气温中最低的 1 月仅比最高的 7 月增加了2.96%，在最低平均气温-24.33条件下为 34.7788 MJ/d。1.3.3沼气排出带走的显热损失Qg分析由于沼气的主要成分为 CH4和 CO2，所以沼气排出带走的显热损失主要为 CH4和 CO2二者的显热之和，与甲烷的体积产率、沼气中甲烷的体积分数等参数有关，根据沼气排出带走的热损失计算模型14得到在全年各月平均气温和最低平均气温-24.33条件下，单个发酵罐的沼气排出带走的显热损失 Qg如图 8 所示。图 8不同外界气温条件下的沼气排出带走的显热损失Fig.8Sen

15、sible heat losses of extracted biogas of different ambienttemperatures由图 8 可知，外界气温对沼气排出带走的显热损失影响较大，全年各月平均气温中最低的 1 月比最高的 7月增加了 335.08%，在最低平均气温-24.33条件下为81.1447 MJ/d。1.3.4管路热损失Qh分析发酵系统管路主要包括输送料液管路和加热管路两部分，热水管主管埋于地下 1.6 m，输料管和热水管分管全部设在室内。根据管路热损失相关计算公式16和工程实际发电系统回收热水平均温度及各段管路长度得到发酵罐内热管的传热系数为 917.48144 k

16、J/(m2 h)，单个发酵罐内热管传热量为 529.2 MJ/h，酸化罐和产气罐日均加热时间及管路总热损失 Qh如图 9 至图 11 所示。由图 9 和图 10 可知，酸化罐和产气罐日均加热时间在 59 月份均低于 1 h；产酸罐在 14、1012 月低于增刊 1王丽丽等：基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析29图 9酸化罐在不同外界气温条件下的日均加热时间Fig.9Average heating times of acidification tank of differentambient temperatures per day图 10产气罐在不同外界气温条件下的日均加热时间Fi

17、g.10Average heating times of gas tank of different ambienttemperatures per day图 11不同外界气温条件下的管路总热损失Fig.11Total heat losses of pipeline of different ambienttemperatures2 h，在最低平均气温-24.33条件下为 2.17 h；产气罐在24、1012 月也低于 2 h，在 1 月和-24.33条件下分别为 2.04 和 2.39 h。这些加热时间可以为工程实际运行提供参考。由图 11 可知，外界气温对管路热损失影响较大，全年各月平均气

18、温中最低的 1 月比最高的 7 月增加390.04%，在最低平均气温-24.33条件下为 150.524MJ/d。1.3.5加热料液所需热量Qj分析考虑减少加热设备成本及热损失，系统采用热水配料，使发酵料液的总固体浓度达到 8.5%的同时，温度也达到 35。根据在相同初始条件下的热水加热温度理论值和实际加热温度值，并基于系统动力学模型（如图 12）得到加热损耗系数为 1.1，加热配料热水实际需热量 6、7、8 月份为 8 316 MJ/d，其它月份为 13 860 MJ/d，实际平均加热温度 6、7、8 月份为 53，其它月份为 65。图 12加热料液需热量分析系统动力学模型Fig.12Sys

19、tem dynamics model of thermal analysis of heatingfermented material1.3.6沼气发电回收余热QR分析沼气发电余热回收系统首先利用燃气发电机组高温缸套水（一次水）的余热将加热发酵系统后的 6570回水（二次水）加热至大于 80，之后再通过回收高温烟气余热产生的高压饱和蒸汽将该热水加热至 8590，然后再送入发酵系统17。由沼气低热值 23.1 MJ/m3和工程日产沼气量得到日均沼气燃烧总热量为 55 440 MJ/d。由于发电机组冷却水回收的热量和通过热交换器转换烟气回收的热量平均约为燃烧总热量的 23%和 17%，所以工程日均

20、回收的总余热量 QR为 22 176 MJ/d。1.3.7发酵系统热平衡分析由发酵系统各部分需热量可得到整个系统总需热量QT，如公式（1）所示。QT=Qd+Qw+Qg+Qh+Qj（1）式中，QT系统总需热量，MJ/d；Qd罐体散热损失，MJ/d；Qw水分蒸发热损失，MJ/d；Qg沼气排出带走的显热损失，MJ/d；Qh管路热损失，MJ/d；Qj加热料液所需热量，MJ/d。由整个发酵系统的各部分热损失分析结果可知，罐体散热损失、水分蒸发热损失、沼气排出带走的显热损失、管路热损失占发酵系统总热损失的比例分别为85.59%90.22%、2.05%8.42%、3.93%4.78%、2.06%2.96%，

21、说明对于北方大中型沼气工程合理设计保温加热系统，减少罐体散热损失尤为重要。由发酵系统总热损失和加热料液所需热量的分析结果可知，工程所需热量主要用于加热配料热水，占总需热量的 73.13%87.91%，所以提高加热配料热水的热效率，减少牛粪与热水混合搅拌过程中的热损失尤为重要。由发酵系统总需热量和沼气发电回收余热量进而可得到利用沼气发电回收余热维持发酵系统 35中温发酵和加热配料热水后的剩余热量，即热量供需差 QC，如公式（2）所示。整个系统热量供需平衡情况如图 13 所示。QC=QR-QT（2）图 13沼气发电系统热量供需平衡情况Fig.13Energy balance of demand a

22、nd supply of biogasgenerating system由图 13 可知，发电回收余热能够满足整个工程全年连续运转所需热量，整个系统热量供需差为 3 222.9112 665.5 MJ/d，在冬季寒冷月份，即使在最低平均气温-24.33条件下，仍能实现正能输出。农业工程学报2011 年302结论1）通过对发酵系统各部分热损失分析得出，外界气温对罐体散热损失、沼气排出带走的显热损失、管路热损失影响较大，全年各月平均气温中最低的 1 月比最高的 7 月分别增加了 281.26%、335.08%、390.04%；外界气温对水分蒸发热损失影响较小，1 月仅比 7 月增加了2.96%；罐

23、体散热损失、水分蒸发热损失、沼气排出带走的显热损失、管路热损失占发酵系统总热损失的比例分别为 85.59%90.22%、2.05%8.42%、3.93%4.78%、2.06%2.96%，说明对于北方大中型沼气工程，合理设计保温加热系统，减少罐体散热损失尤为重要；2）通过对发酵系统总热损失和加热料液所需热量分析得出，回收的余热主要用于加热配料热水，占总需热量的 73.13%87.91%，所以提高加热配料热水的热效率，减少牛粪与热水混合搅拌过程中的热损失尤为重要；3）通过对加热料液所需热量分析得出了在不同条件下配料热水的加热温度，6、7、8 月份为 53，实际需热量为 8 316 MJ/d，其它月

24、份为 65，实际需热量为13 860 MJ/d；通过对发酵系统管路热损失分析得出了在不同外界气温条件下，利用沼气发电回收的余热维持产酸罐和产气罐 35恒温发酵的日均加热时间，为实际沼气工程运行提供了参数依据；4）通过对沼气发电回收的余热与整个沼气工程运行过程中总需热量的比较分析得出，该工程发电回收的余热能够满足整个沼气工程所需热量，即使在最低平均气温条件下仍能实现正能量输出，为北方高寒地区大中型沼气工程的应用及推广奠定了理论基础。参考文献1任南琪，王爱杰.厌氧生物技术原理与应用M.北京：化学工业出版社，2004，(3)：1112.Ren Nanqi,Wang Aijie et al.Princ

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27、.Development of 3-D anaerobic digesterheat transfer model for cold weather applicationsJ.AmericanSociety of Agricultural and Biological Engineers,2006,49(3):749757.5Gebremedhin K G,Wu B,Gooch C,et al.Simulation of HeatTransferforBiogasProductionC.2004ASAE/CSAEAnnualInternationalMeeting.Canada:ASAE,2

28、004:044165.6王凯军，阎中.厌氧反应器系统动力学模型构建方法学研究J.环境科学，2008，(9)：25072512.Wang Kaijun,Yan Zhong.Methodology of the anaerobicreactor SD model s constructionJEnvironmental Science,2008,(9):25072512.(in Chinese with English abstract)7朱宏飞，李定龙，张文艺，等.城市污水回用的系统动力学模型构建及应用 以常州市为例J.水利水电技术，2008，(10)：8689.Zhu Hongfei,Li D

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30、ion of thesupply and demand equilibrium model of the forest resourceand timber in Shandong provinceJ.Journal of NaturalResource,1996,（1）：66 71.9叶明.系统动力学方法及其在粮食产需系统中的应用J.农业技术经济，1988，(1)：4349.Ye Ming.System dynamics method and its application ingrain supply systemJ.Journal of Agrotechnical Economics,1

31、988,(1):4349.(in Chinese with English abstract)10 顾树华，王革华.沼气建设的综合效益系统动力学在沼气建设上的应用J.农业工程学报，1988，(2)：8895.Gu Shuhua,Wang Gehua.Comprehensive benefit of biogasconstruction an application of system dynamics in biogasconstructionJ.Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering,1988,(2):88

32、95.(in Chinesewith English abstract)11 商福民，张永.ANSYS 有限元分析系统在数值传热中的应用J.长春工程学院学报，2004，(1)：1820.Shang Fumin,Zhang Yong.The application of ANSYS innumericalheattransmittingJ.JournalofChangchunInstitute of Technology,2004,(1):1820.(in Chinese withEnglish abstract)12 袁艳平，程宝义，茅靳丰.ANSYS 在浅埋工程围护结构传热模拟中的运用J.解

33、放军理工大学学报：自然科学版，2004，5(2)：5256.Yuan Yanping,Cheng Baoyi,Mao Jinfeng.The applicationof ANSYS in heat transfer simulation of shallow buried outerprotective structureJ.Journal of PLA University of Scienceand Technology:Natural Science,2004,5(2):5256.(inChinese with English abstract)13 朱新荣，刘佳平.关于底层地面传热系数

34、的探讨J.暖通空调，2008，38(5)：105108.Zhu Xinrong,Liu Jiaping.Study of ground floor heat transfercoefficientsJ.Heating Ventilating and Air Conditioning,2008,38(5):105108.(in Chinese with English abstract)14 周晓俭.厌氧发酵系统温度的选择和热量平衡J.环境科学研究，1992，5(l)：3035.增刊 1王丽丽等：基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析31Zhou Xiaojian.The selecti

35、on of the temperature and thecorresponding heat balance of an anaerobic fermentationsystemJ.Research of Environmental Sciences,1992,5(l):3035.(in Chinese with English abstract)15 许家忠.黑龙江省畜禽养殖场能源环保站工艺设计D.东北农业大学，2002.XuJiazhong.TechnologyDesignofEnergyandEnvironmental Protection Station in Animal and

36、Poultry Farmsin HeilongjiangProvinceD.Northeast Agricultural University,2002.(in Chinese with English abstract)16 金其荣.沼气能源发酵池的热量计算J.化学世界，1980(3)：119122.JinQirong.HeatcalculationofbiogasfermentationdigesterJ.Chemical World,1980,(4):119 122.(inChinese with English abstract)17 沈剑山.生物质能源沼气发电M.北京：中国轻工业出版

37、社，2009：9196.Thermal balance analysis of northern large-scale biogas generatingsystem based on system dynamicsWang Lili1,Wang Zhongjiang1,Lu Huawei2(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Haerbin 150030,China;2.Harbin liangda Industry Co.,Ltd,Haerbin 150090,China)Abstract：Aiming at

38、 a large-scale biogas generating system in Heilongjiang Province,the energy balance of demand andsupply was studied by the methods of system dynamics and finite element analysis of thermal balance,and some keyparameters in course of operation were determined.The results showed that the heat loss pro

39、portion of the transfer heat of thedigester,the evaporation of water,the extracted biogas and the pipelines were 85.59%-90.22%、2.05%-8.42%、3.93%-4.78%、2.06%-2.96%,respectively.The temperatures of mixing hot water were 53 from June to August and 65 at other months bythe heat requirement calculation o

40、f heating fermentative materials.The heat requirement of heating fermentative materialsmade up 73.13%-87.91%of the total heat requirement.The mean heating time of maintaining 35 of digester was determinedby the heat loss analysis of pipelines.It was determined by the energy balance analysis of deman

41、d and supply of the totalfermentative system that the system could realize yearly continuous running using the recovery surplus heat of biogasgeneration.The research laid the theoretic foundation for the application and expansion of large-scale biogas project innorthern high-cold region.Key words:biogas,dynamics,power plants,heat losses,thermal balance