负荷转移

2024-08-11

负荷转移（共4篇）

负荷转移篇1

随着城市电网的发展, 配电网络日益受到重视, 负荷开关—熔断器组合电器不仅在技术上具有无法比拟的优点, 而且具有较高的性能价格比, 所以日益受到广大用户和供电部门的青睐。

我们知道, 负荷开关—熔断器组合电器由一组三极负荷开关及三个带撞针的熔断器组成。当任何一个撞针动作时, 应使负荷开关三极全部自动分闸。在组合电器中这两种电器设备 (熔断器和负荷开关) 并不是简单地串联在一起, 而是用撞击脱扣装置将两者有效联系在一起, 使其各负其责, 优势互补。为确保熔断器与负荷开关与配合动作后不会出现断层, 因此需要分析负荷开关与熔断器的各项配合参数, 其中转移电流参数就显得相当重要了 (表1) 。

(1) 当I

(2) 当I=2In HH:此时电流为熔断器的最小动作电流, 即2倍的熔断器额定电流。在产生过电流的过程中, 熔件缓慢熔化, 促使撞针动作, 最终导致负荷开关脱扣并开断三相电流。

(3) 当I=3In HH=Imin:此时电流为熔断器的最小灭弧电流, 即3倍的熔断器额定电流。此时熔断器首先断开A相, 断开后其撞针使负荷开关开断B、C两项电流。

(4) 当I=ITC:此时电流为负荷开关—熔断器配合的额定转移电流。熔断器动作于A相后, B、C两相的电流由熔断器与负荷开关同时负责开断。

(5) 当I=I4:此时电流为负荷开关的最大开断电流, 即理论上A、B、C三相均不会由负荷开关开断, 而应由短熔器负责, 实际上, 由于配合计算存在误差, 当电流在ITC～I4范围内时, 负荷开关仍可能负责开断B、C两相电流, 因此在选择熔断器时应使ITC不超出I4, 否则负荷开关将失去保护。

(6) 当I>I4:此时由熔断器负责开断三相电流, 而负荷开关仅在撞针被触发之后脱扣, 并不负责开断电流。

1 主要参数

负荷开关—熔断器组合主要技术参数如表2所示。

2 转移电流的基本概念

由于熔丝—负荷开关式组合电器的三相熔断器熔化具有时间差, 三相熔断器中有一相首先断开后, 撞击器动作, 此时可能出现另两相熔断器尚未熄弧开断, 而撞击器出击形成由负荷开关切断故障电流的现象, 即原本由熔断器承担的开断任务转移给负荷开关承担。因此转移电流指的是熔断器与负荷开关转换职能时的三相对称电流。当低于该值时, 首相熔断器开断, 其他两相负荷开关开断, 大于该值时, 三相电流仅用熔断器开断。

在确定负荷开关-熔断器组合额定转移电流的大小时应注意以下参数: (1) 由熔断器厂提供的熔断器时间-电流特性; (2) 由负荷开关厂提供的负荷开关的固有分闸时间; (3) 由负荷开关厂提供的负荷开关最大开断电流特性。

同一规格的负荷开关可以配用多种不同规格的熔断器。若配用额定电流较小的熔断器时, 转移电流将远远小于负荷开关的最大开断电流, 很好地提高了其裕度和可靠性;若配用额定电流较大的熔断器时, 配合后的转移电流ITC接近I4, 这样就降低了它的裕度和可靠性。此时, 选用过大的熔断器, 就会使得ITC≥I4, 导致转移电流超过负荷开关最大开断电流。所以, 应当由负荷开关的最大转移电流ITC反推出一个该负荷开关能配用的熔断器的最大额定电流, 其余额定电流小的熔断器的配合就可以得到可靠的保证。

3 转移电流的计算

转移电流发生在首相熔断器起弧后, 负荷开关在该相熔断器撞针的触发下, 在第二相熔断之前或与之同时开断的时刻, 由于熔断器结构和工作原理上的原因, 高压限流熔断器的弧前时间—电流特性 (一般称为T—I特性) 为一带状 (图1) , 即处于最大T—I特性曲线和最小T—I特性曲线之间。

转移电流的确定取决于熔断器熔化时间差ΔT与撞针触发的负荷开关分闸时间的比较。在转移电流范围内, 从微分角度看dt时间内的熔断器最小和最大T-I特性曲线可以近似为2条直线线段 (图2) 。

最小T—I特性上的Tm1是在三相故障电流I1下首先动作的熔断器的熔化时间, Tm2是第二相动作的熔断器的熔化时间。由于第二相动作的熔断器已经受过三相故障电流I1历时Tm1的作用, 所以Tm2要略小于最大T—I特性上两相故障电流0.87I1作用下所对应的时间。假设图2中熔断器的T—I特性曲线斜率为α, 在纵

1—最小弧前时间-电流特性 (-6.5%) 2—最大弧前时间-电流特性 (+6.5%)

坐标上的截距为lg C, 则直线方程可用下式表示:

若式 (1) 为最小T-I特性曲线, 则最大T-I特性曲线方程式为:

式中, x为2条T-I特性曲线之间的电流公差。

把最小T-I特性和最大T-I特性上对应值分别代入式 (1) 和式 (2) 并联立, 则可得:

I1αTm1+ (0.87I1) α (Tm2-Tm1) =I1αTm1 (1+x) α

易得:

由于各个熔断器存在制造误差, 它们的动作电流是不尽相同的, 其允许相对误差为平均电流的±6.5%, 这样便得x=2×0.065=0.13。再根据熔断器触发负荷开关分闸时间在0.05～0.3 s之间, 实践中通常取α=4, 将它们代入式 (3) , 得:

当熔断器触发的负荷开关的分闸时间T0等于ΔT时, 所求得的Tm1即为转移电流所对应的时间, 得:

因此, 转移电流可以确定为熔断器最小T—I特性上熔化时间等于0.9T0时的电流值。

4 结语

综上所述, 我们可以知道带撞针的负荷开关—熔断器组合中负荷开关所需开断的最大电流即为转移电流, 其值等于在熔断器的最小T—I特性曲线上T=0.9T0时所对应的电流。转移电流开断实验对负荷开关是最苛刻的开断情况, 可以说转移电流的大小是衡量负荷开关—熔断器组合中负荷开关开断能力的关键指标。

根据IEC 420, 组合电器应能开断直到负荷开关额定电流的任何负荷电流及直到组合电器额定短路电流的任何故障电流, 为了达到这一目的, 对转移电流的配合应严格要求, 这样才能保证电网、线路运行的安全可靠。

这里还必须提醒注意的是, 转移电流的概念是针对撞针触发的组合电器来讲的, 对没有撞针的组合电器就不存在转移电流。这是因为若没有撞针, 当首相电流由熔断器开断后, 熔断器就不能通过撞击脱扣使三极负荷开关同时分闸, 三相电流将仅由熔断器开断, 就不存在熔断器与负荷开关转换开断职能的情况, 也就不会产生转移电流。

参考文献

[1]西安高压电器开关研究所编译IEC各标准.中国标准工业出版社, 1992

[2]李建基译.负荷开关与熔断器的配合, 1995

[3]李均.负荷开关—熔断器组合电器的转移电流校核.2003

负荷转移篇2

关键词：负荷优化,实时电价,转移成本,需求侧响应

0 引言

在当今全球能源短缺的大环境下,电力市场中的需求侧响应问题越来越受到重视。电力市场的不断完善,除了需要政府涉入、管制与约束,还需要通过在市场中引入需求侧响应机制来实现电力系统运行可靠、经济的目标。需求侧响应不仅能够有效、及时、准确地传递成本和需求信息,还对缓解系统高峰时段可能出现的电力系统阻塞现象有抑制作用,激发用户主动参与电力市场的积极性;同时,促进发电环节、调度环节以及用电环节的整体最优。因此,国内外对需求侧响应进行了广泛研究[1,2,3,4,5]。

相关学者对需求侧响应的研究主要集中在2方面:一方面是对需求侧响应的实施进行可行性、经济性以及合理性的分析[1,2];另一方面是对需求侧响应模型的研究[3,4,5]。文献[1]介绍了美国在价格型需求侧响应,包括分时电价、实时电价和关键峰荷电价的项目设计和实施情况。文献[2]主要针对江苏省实行分时电价后大工业用户的响应进行了分析,认为实行分时电价具有一定的负荷调节作用。文献[3]建立基于用户对电价反应曲线的分时电价模型,分别验证了以高峰负荷极小化和峰谷差极小化2个单目标函数对负荷优化的效果。文献[4]针对峰谷电价不同的情况,制定了峰谷分时电价下用户响应行为的实时仿真流程,以修正的响应度曲线来拟合负荷曲线比负荷转移率恒定下的拟合负荷曲线更加逼近实测负荷曲线。文献[5]利用需求弹性指数构建了负荷需求与电价之间的动态关系。

文献[1,2,3,4,5]的研究能够优化负荷曲线,但均没有涉及需求侧响应用户负荷转移成本的问题,不能准确地反映用户的需求响应能力,进而提高用户需求侧响应的积极性,以便有效地优化负荷曲线。

为准确反映用户的需求侧响应能力,提高用户需求侧响应的积极性,本文在实时电价体系下,计及用户负荷转移成本,以用户总购电费用为目标函数,建立了负荷曲线优化模型。利用Matlab对本文所建模型进行仿真,验证了基于实时电价的需求侧响应模型能够对负荷曲线削峰填谷[6,7]。并对不同程度的需求侧响应对负荷优化的效果作了比较。

1 电能转移成本

转移成本指的是顾客从现有厂商处购买商品转向从其他厂商购买商品时面临的一次性成本[9,10]。除了产品存在差异以外,在很多市场上,消费者在不同企业生产的不同品牌的产品之间转换将面临转移成本,甚至在功能相同的产品之间进行转换,转移成本也会存在。克兰普拉(Klemperer,1987)认为在市场上至少存在3种类型的转移成本(转换成本、学习成本和契约成本)。此后,schnlalensee将心理成本因素加入转移成本研究中。

基于此,引入电能转移成本和电能单位转移成本概念。单位转移成本指在实时电价体系下,单位负荷发生转移造成的额外电能损耗和其他非电能成本的增加。转移成本指单位转移成本与负荷增加量乘积的总和。

电能转移成本大致可以从以下几个方面来分析。

(1)转换成本。负荷的转移,会增加照明、取暖等额外的电能损耗。用户选择实时电价体系后,更新和购置一部分用电设备,安装实时电表、以及购买储能设备储存低谷电。

(2)学习成本。用户研究负荷如何转移中的时间损失等。

(3)心理成本。负荷的转移给用户带来生活习惯和用电结构上的变化,影响生活质量,牺牲生活舒适度。

根据转移成本的影响因素,在计算中,将单位转移成本分为变动成本(和实时电价有关)和固定成本(与实时电价无关)2部分。变动成本和固定成本随时刻不同而变化。单位转移成本:

式中:tc(t,sp)为单位转移成本;sp(t)为实时电价;a(t)为和实时电价有关的变动成本系数;b(t)为和实时电价无关的固定成本系数。

2 计及转移成本的负荷优化模型

本文给出一个在实时电价体系下计及转移成本的需求侧响应模型,从用户的角度,以用户最小电能成本为目标函数,说明实时电价与需求侧响应对负荷电能成本的影响。

作如下假设和说明:

(1)用户的用电需求在需求侧响应前后不变,即:

式中:L0为需求侧响应前用电需求;Lx为需求侧响应后用电需求。

(2)只计峰时段到谷时段负荷转移的成本,假设可转移的负荷不超过总负荷的15%。

(3)将1天24 h分为3个不同时段,峰时Tf(09:00～20:00);平时Tp(05:00～09:00和20:00～23:00);谷时Tg(00:00～05:00和23:00～24:00)。Tt+Tp+Tg=24。

(4)峰时段负荷的波动范围为-20%～0%,平时段负荷的波动范围为-10%～10%,谷时段负荷的波动范围为0%～20%。

目标函数:

式中:ECx为电能成本;L(t)为一天内的负荷;TCfg为负荷从峰时段转移到谷时段的转移成本;△L(t)=Lx(t)-L0(t)为响应后负荷的变化量。

用电需求在需求侧响应前后不变(等式约束条件):

负荷由峰时段转移到谷时段存在转移成本(不等式约束条件):

峰时段负荷波动范围为-20%～0%:

平时段负荷的波动范围为-10%～1 0%:

谷时段负荷的波动范围为0%～20%:

可转移的负荷不超过总负荷的15%:

3 算例分析

3.1某地区算例仿真分析

某地区实时电价如图1所示。

根据式(1),取afg(t)=0.03,bfg(t)=0.08,利用Matlab优化工具箱,通过matlab仿真,可以得到用户反应后的负荷曲线,用户反应前后负荷曲线对比如图2所示。

从图2和表1可以看出,在电网中引入需求侧响应机制,使得峰时段负荷从58.06%减少到53.26%,峰谷时段负荷比从原来的1.126减少到1.038;负荷高峰时期的一部分负荷转移到了谷时段和平时段,从而有效地进行削峰填谷,避免夜间或高风电时期积累过多的电能,使电网的灵活性、可靠性得到提高。

3.2不同需求侧响应对负荷优化影响

按照3.1节的模型,峰时段负荷的波动范围为-k～0%,平时段负荷的波动范围为-10%～10%,谷时段负荷的波动范围是0%～k,其中0≤k≤0.2。峰谷时段负荷比和峰谷时段波动范围的关系图如图3所示。

图4为k=0.1时需求侧响应前后负荷曲线,表2为k=0.1时需求侧响应后各指标,与表1需求侧响应后各指标对比,用电费用增加了55元,峰谷时段负荷比增加了0.356,峰时段负荷绝对值提高了194 MW。同时结合图3可以得到,在一定范围内,峰谷时段波动范围越大,峰谷时段负荷比越小,即需求侧响应越强烈,削峰填谷效果越明显。

3.3用电模式对用户购电费用的影响

某工业用户现为一班制用电模式,功率为210 kW,时间为8 h(08:00-16:00)。假定该工业用户为灵活用电负荷,改变用电模式为实际电力工业中的其他典型用电模式:二班制用电模式,功率为105 kW,时间为16 h (08:00-24:00);三班制用电模式,功率为70 kW,全天24 h用电,转移成本仍采用上述参数。对3种用电模式下,工业用户的购电费用进行测算,结果如表3所示。

元

表3给出了不同用电模式下的用电费用,由表3可知,在实时电价体系下,一班制对用户不利,由于用户选择在相对较短时间内集中消纳电力,结果造成用电费用偏高;用户选择三班制模式最为有利。同时,这样的结果也提高了工业用户对电价响应的积极性。

4 结语

本文在实时电价体系下,计及用户负荷转移成本,以用户购电成本最小为目标,建立了基于需求侧响应负荷曲线优化数学模型。文中算例有效实现了负荷优化效果。通过对不同程度的需求侧响应的分析可知,在一定需求侧响应范围内,需求侧响应越大,削峰填谷效果越好,但是应该避免用户反应过度,产生峰值时段较大漂移,甚至峰谷倒置现象。在计及用户负荷转移成本下,对工业用户用电模式的改变,进行了工业用户用电费用的分析,工业用户选择三班制模式用电费用最少,这同时也能增加用户对电价信号响应的积极性。

参考文献

[1]王冬容.价格型需求侧响应在美国的应用[J].电力需求侧管理,2010,12(4):74-77.

[2]李扬,王治华,卢毅,等.峰谷分时电价的实施及大工业用户的响应[J].电力系统自动化,2001,25(8):45-48.

[3]刘观起,张建,刘瀚.基于用户对电价反应曲线的分时电价的研究[J].华北电力大学学报,2005,32(3):23-27.

[4]阮文骏,王蓓蓓,李扬,等.峰谷分时电价下的用户响应行为研究[J].电网技术,2012,36(7):86-93.

[5]唐捷,任震,陈亮,等.一种新的峰谷分时电价定价模型及其仿真策略[J].电力自动化设备,2006,26(8):1-4.

[6]王琴.顾客行为的转移成本分析[J].上海管理科学,2002(4):43-45.

负荷转移篇3

关键词：直流系统,负荷转移,数据采集,不停电,蓄电池

0 引言

随着电网技术的快速发展, 电力系统自动化程度要求越来越高, 各种微机型保护及安全自动装置等二次设备得到了广泛应用。而这些二次设备能否可靠动作, 电力系统能否稳定运行, 很大程度上取决于为其提供工作电源的直流系统[1]。

110kV变电站的直流系统一般采用单电单充方式, 其常规改造都是利用全站停电机会进行, 然而在改造周期与主变计划检修时间无法配合时, 需在不停电条件下进行, 此时一旦发生直流开路、短路或接地事件, 继电保护及自动装置就很可能拒动或误动, 从而严重影响供电安全可靠性[2]。因此, 本文将介绍一种直流负荷转移装置, 该装置与备用蓄电池配合, 提供一个过渡电源为二次设备供电, 从而使得全站的直流负荷转移到备用电源, 保证改造期间全站二次设备直流电源稳定。

1 整体系统设计

直流负荷转移装置采用柜式结构、模块化设计, 具有便携可靠的特点, 主要包括直流馈线部分及基于单片机的人机交互和报警部分。系统总体结构如图1所示。

该装置主要有以下功能。

(1) 有20路直流馈线输出, 且可根据现场二次设备数目扩展。装置保险分为总保险和分保险两级, 都采用直流空气断路器。

(2) 基于单片机设计一个控制电路, 该控制电路可利用LED显示直流负荷转移系统实时输出电压、电流数据, 且对过压、欠压、过流等情况进行告警。运用现有的直流绝缘监察继电器, 在系统绝缘降低或直流接地时, 单片机检测到该开入量, 便输出声光报警信号[3]。

2 直流馈线系统

根据系统总体结构图, 备用蓄电池电源进入直流负荷转移装置后先经过一级总空开 (一般选用额定电流为100A的空开) , 再经过二级分空开 (一般选用额定电流为6A的空开) , 最后接入站内二次设备[4]。各空开都选用具有自动脱扣功能的直流断路器, 安装于柜内槽板上, 分排布置, 便于接线, 且馈线支路可根据现场实际需要进行扩展。馈线空开及引出电缆首尾两端都需编号, 两者需相互对应。

为保证提供电源的可靠性, 本装置必须保证其导电性能、耐压性能以及绝缘强度。其中导电性能直接影响整个直流供电回路的电压降, 电压降过大会导致回路中产生很大的环流, 因此需要选择合适的导线截面积。导线截面积计算式为:

式中, S为导线截面积, mm2;ρ为导体电阻率, 铜在20℃的电阻率为0.017 5Ω/mm2;I为流过导线的总电流, A;L为导线长度, m;ΔU为电流I流过长度为L的导线所产生的电压降。

选择长度为10m的导线, 要求其电压降不大于0.2V, 环流小于4A, 根据式 (1) 可计算出其截面积为3.5mm2。考虑到安全系数, 可选择截面积为4mm2的软铜线。

使用该装置前, 需进行耐压试验。在进行耐压试验时, 各馈线支路不能接设备, 可用工频2kV对直流母线及各馈线支路进行1min耐压试验, 应不闪络、不击穿。装置使用前, 还需用1 000V摇表测量直流母线及各馈线支路绝缘电阻, 结果应不小于10MΩ。

3 数据采集与监控系统

直流负荷转移装置数据采集和监控系统以STC12C5410单片机作为核心控制器, 利用模数转换芯片AD7705采集直流母线的电压和电流, 并通过LCD实时显示系统运行状况;同时以直流绝缘监察继电器输出的信号节点为开入进行系统绝缘监视。选择直流绝缘监察继电器是为了降低成本, 减小装置体积。

STC12C5410单片机具有一个高性能8位CPU内核, 指令代码完全与8051兼容。其本身带有8个模拟量输入通道的A/D转换器, 但只有10位分辨率。STC12C5410单片机在实际应用中受印制电路板布线及外界电磁干扰等影响, 达不到10位的理想精度, 因此选用采样转换性能更优越的模数转换器AD7705采集电压电流数据。

AD7705是一种16位A/D转换器, 有2个全差分模拟输入通道, 数据转换具有极好的线性度;另外, AD7705还具有自校准和系统校准功能, 可与内部增益可设定特点相结合, 有效避免弱信号及信号调理电路带来的漂移影响, 简化了外部信号调理电路。AD7705与单片机的接口如图2所示。

AD7705串行数据接口包括片选输入CS, 可配置为三线模式下工作的数据输入口DIN、数据转换输出口DOUT、串行时钟输入SCLK, 以及数据输出寄存器准备就绪状态标志位DERY。单片机检测到DERY位为低电平时, 读取更新后A/D转换数据, 此时若有定时中断, 则应先关闭中断, 以避免造成读取数据误差增大。

单片机读取A/D转换数据进行处理后, 采用直接访问方式访问LCD, 写入数据进行显示[5], 并判断该数据是否超过之前设定的范围, 若超过范围则点亮LED灯并通过蜂鸣器进行声光报警。根据现场测得数据, 正常运行时, 蓄电池输出电压约为232V, 因此电压范围设置为225~240V;为监视本装置并接入变电站原直流系统而产生的环流, 设置电流阈值为4.5A。

直流绝缘监察继电器选用体积小、应用广的ZJJ-1A型。当直流母线接地或母线任一侧对地绝缘降到25kΩ以下时, 直流绝缘监察继电器可靠动作, 告警节点闭合[6]。单片机检测到该开入量, 便启动声光报警。

4 直流负荷转移装置现场应用

110kV变电站直流系统改造需在不停电情况下移出原有直流屏, 接入新直流屏, 以保证二次设备的正常供电[7]。本文设计的直流负荷转移装置因其体积小、重量轻、移动方便, 可节省馈线电缆, 能够适用于各屏位布置方式不同的变电站。本装置在变电站现场应用接入示意图如图3所示。

以馈线支路1为例, 本装置现场应用步骤如下。

(1) 连接备用蓄电池和直流负荷转移装置, 将首尾两端已编号为1的电缆首端接入直流负荷转移装置编号为1的馈线空开下桩头, 电缆尾端接入二次设备;备用蓄电池一般容量为100A·h, 使用前需测试直流负荷转移装置输出电压是否满足要求, 以减小环流。

(2) 合上直流负荷转移装置总空开1ZK1、馈线空开1ZK2, 断开原有直流系统馈线空开2ZK2及其与二次设备相连的馈线端子, 此过程中要密切关注保护或自动装置有无异常报警;断开与直流母线相连的原馈线屏后馈线支路端子, 此时直流负荷完成由原直流系统向直流负荷转移装置的转移,

(3) 新直流馈线屏就位后, 连接馈线屏后馈线支路、引出馈线与二次设备, 合上空开2ZK2, 使改造后直流系统电源与直流负荷转移装置备用电源并联运行。此时要注意馈线屏前各支路运行指示灯, 每接入一路, 该路指示灯应点亮, 以此可检验馈线屏前所贴指示标签是否与接入二次设备屏相对应。

(4) 断开空开1ZK2、1ZK1, 退出直流负荷转移装置。

直流负荷转移过程中, 要密切监视装置LCD屏所显示的电压值、电流值以及有无报警, 并且需避免在改造过程中远方遥控操作变电站设备, 以确保负荷转移的安全可靠性。

5 结束语

近年来, 随着电网的不断发展, 安全可靠供电要求的提高, 变电站直流系统改造越来越多, 而不停电改造的安全风险较大, 因此本文从安全可靠、直观便携、适用范围广等方面出发研制了一种110kV变电站通用的直流负荷转移装置, 并对其使用方法进行了规范。该装置在常德供电公司多个110kV变电站直流改造中成功应用, 直流负荷转移过程中未出现保护及安全自动装置掉电误动情况, 确保了电网安全稳定运行, 提高了供电可靠性。

参考文献

[1]刘森, 张海凤.广州换流站直流电源系统的改造设计与实施[J].电力系统保护与控制, 2009, 37 (9) :49~56

[2]钱建国, 裘愉涛.一种有效防止因直流系统异常导致断路器误动的新方法[J].电力系统保护与控制, 2009, 37 (22) :174~177

[3]沈小军, 江秀臣.轨道交通直流电缆绝缘诊断技术现状及展望[J].电工技术学报, 2007, 22 (9) :22~26

[4]刘毅, 周雒维.直流系统保护电器级差配合的研究[J].电力系统保护与控制, 2011, 39 (2) :151~154

[5]谢明, 钱伟康.液晶显示屏在智能程控直流电源中的应用研究[J].仪表技术, 2008, 4 (19) :19~22

[6]赵兵, 胡玉岚.直流系统微机型绝缘监察装置问题的探讨[J].广东电力, 2009, 22 (24) :43~45

负荷转移篇4

借鉴发达国家畜牧业面源污染控制经验, 畜禽粪便的科学处理是以农田作为畜禽粪便的负载场所加以消化。自20世纪90年代以来, 国内学者越发关注畜禽粪便污染问题, 开展了特定区域畜禽粪便总量估算和环境影响评价工作[3,6], 进行了基于耕地面积的畜禽粪便负荷估算, 也有研究从预警角度提出京郊畜禽粪便耕地负荷较高, 具有较高的环境风险[7,8]。已有研究多以行政区为单元, 基于对耕地畜禽粪便负荷量的估算指出各地畜牧产业发展的环境风险, 对策建议也多集中于畜禽粪便的本地消纳, 还有学者建议通过控制本地畜牧业发展规模缓解畜禽粪便污染问题, 而从区域能量均衡角度考量畜牧业环境问题, 实现跨地域的畜禽粪便再利用还未见报道。

北京市畜禽养殖量、集约化水平一直位居我国大城市前列, 是畜禽粪便超出耕地承载力的典型地区, 加强畜禽粪便的合理利用和统筹管理刻不容缓。同时, 北京是资源、食品输入型城市, 随着城市的快速发展, 环境压力越来越大, 由于畜禽粪便利用不合理、不完全而导致的土壤养分失衡问题也日益突出。有专家提出通过技术手段、经济手段促进京郊畜禽粪便资源向周边农业生产区的转移, 既加大周边地区有机肥施用量, 促进农产品安全生产, 又解决京郊养殖业污染问题, 同时还能够提高外埠农产品安全水平。本文以宏观统计数据为基础, 估算北京市各区县以及北京周边主要农产品供给省份的耕地畜禽粪便负荷量, 分析北京市畜禽废弃物资源区域转移的可行性, 并基于畜禽废弃物利用现状提出开展区域转移关键节点, 为推进其合理利用提供决策参考。

1 理论假设与方法

1.1 理论假设

假设一:畜禽废弃物是有机肥的重要资源, 鉴于规模化养殖产生的畜禽粪便利于集中处理利用, 可以通过开展畜禽粪便有机肥产品的生产加工, 实现跨地域利用, 促进能量的合理流动与守恒。

假设二:作为一种错位的资源, 畜禽粪便是物质和能量的载体, 其能源化、肥料化利用的结果还是以土壤养分的形式参与到农业物质流循环链条之中。由此, 对于能源化、肥料化、饲料化的畜禽粪便均纳入耕地畜禽粪便负荷估算范畴, 且假设所产生的畜禽粪便均实现还田。

1.2 数据获取

本文估算北京各区县及周边主要蔬菜供给省份耕地畜禽粪便负荷值。估算所需数据主要来源于官方统计年鉴, 畜禽养殖数量来源于《北京农村年鉴2011》、《北京市统计年鉴2011》、《中国农业年鉴2011》, 数据截止时间是2010年底。本研究根据各类畜禽的生长周期确定其饲养量, 以其中猪的平均饲养时间为199d, 肉禽的平均饲养时间为55d[9]。

1.3 估算方法

本文畜禽粪便产生量的估算采用近年来文献中常用的方法[5], 估算公式见式 (1) :

式 (1) 中Q指某地畜禽粪便总量 (t) , Ni指第i种畜禽的饲养数量, T为该畜禽的饲养时间 (d) , Pi为第i种畜禽的粪便排泄系数, i=1, 2, 3, ……5, 考虑到数据的可获性和地区间数据的统一性, 本文中的畜禽主要代指猪、牛、羊、蛋鸡、肉禽等主要畜种, 畜禽粪便排泄系数参考已有研究文献[9] (表1) 。

理论上, 采用耕地畜禽粪便负荷量这一指标可以直接反映该地区耕地消纳畜禽粪便的能力, 耕地畜禽粪便负荷量就是指单位耕地面积内作物所需畜禽粪便的最大承载量, 其计算公式见式 (2) :

式 (2) 中, L是指某地的耕地畜禽粪便负荷量 (t/hm2) ;S是指耕地总面积 (hm2) 。

2 耕地畜禽粪便负荷量估算

首都农业具有应急保障功能, 需要保证一定规模畜禽养殖业, 以满足都市发展对生鲜肉、蛋、奶不断增长的需求, 保障城市正常畜禽产品供应, 总体上北京畜牧业发展规模相对稳定。本文估算2010年北京市各区县、周边主要省份的耕地畜禽粪便负荷量, 了解当前北京市及周边省份畜禽粪便是否过载以及对环境是否构成潜在威胁, 在区域间开展畜禽粪便转移利用是否具有可行性。

2.1 北京市畜禽粪便过载问题不容忽视

目前, 国内并没有全国性的单位面积耕地土壤的畜禽粪便限量标准, 只是在畜禽粪便还田限量上有少数报道, 但有学者提出每公顷耕地能够负担的畜禽粪便为30 t左右[10], 而且欧盟畜禽粪便的还田限量值为35 t/hm2, 本文以30 t/hm2作为耕地畜禽粪便还田的限量值。2010年北京市耕地畜禽粪便负荷量为38.30 t/hm2 (表2) , 若忽略畜禽粪便养殖业空间不均衡性, 北京市耕地畜禽粪便负荷量明显超过粪便还田的限量值, 畜禽粪便过载问题较为突出。

2.2 北京市郊区县耕地畜禽粪便负荷存在明显差异

在北京从事农业生产的13个郊区县中, 朝阳、丰台、通州、延庆4个区县的耕地畜禽粪便负荷量低于粪便还田限量值, 海淀、房山、门头沟3个区县的耕地畜禽粪便负荷量略高于粪便还田限量值, 而顺义、昌平、大兴、怀柔、平谷、密云等6个区县的耕地畜禽粪便负荷量明显高于粪便还田限量值, 特别是平谷、顺义2个区县耕地畜禽粪便负荷量分别为71.88 t/hm2和58.46 t/hm2, 高于或近乎粪便还田限量值的2倍, 畜禽粪便已成为明显的农村环境隐患。

按照北京城市功能区域划分, 城市功能拓展区的耕地畜禽粪便负荷量相对较低, 该地区有限的土地资源多以发展高端会展农业、观光农业为主, 大力推行有机、无公害农产品生产, 仍存在一定吸纳其他地区畜禽粪便的能力。城市发展新区是北京市重要的农副食品生产基地, 除通州区外, 该区域耕地畜禽粪便负荷量已超出粪便还田限量值, 迫切需要规范畜牧业发展与管理, 加强畜禽粪便的合理利用与转化。生态涵养发展区是北京的生态屏障和水源保护地, 其定位于北京市民休闲游憩的重要空间, 除延庆县外, 耕地畜禽粪便负荷量也明显超出粪便还田限量值, 特别是密云、怀柔等水源保护地, 重点加强生态文明建设, 该区域畜禽粪便处理问题更加不容忽视。

综上, 北京市总体耕地畜禽粪便负荷量已经超出还田限量值, 但是不同发展区域、不同区县之间情况还略有差异, 畜禽粪便转化利用有必要考察各区县间差异性, 实现空间均衡, 促进有机肥料的合理利用, 缓解环境难题。

2.3 北京市与其主要蔬菜供给地耕地畜禽粪便负荷存在显著差异

北京蔬菜市场的自给率偏低, 是典型的销地市场, 而且北京蔬菜市场来源地相对集中, 主要包括天津、河北、山东、辽宁、内蒙古[11]等。北京市主要蔬菜供给省份的耕地畜禽粪便负荷值均低于粪便还田限量值, 而且河北、天津两地甚至低于全国平均水平 (表3) 。家禽粪便中含有大量对植物非常有用的营养成分, 也是生产有机肥的重要资源, 发展“有机农业”, 使用有机肥可以减少和杜绝农药化肥造成的土地环境恶化和对人类健康的危害, 由北京主要蔬菜供给省份畜禽粪便负荷量看, 各地仍然存在较大的畜禽废弃物消纳空间, 也验证了本文开展北京畜禽废弃物空间转移的研究假设。

3 京郊畜禽废弃物资源空间转移可行性

3.1 京郊畜禽粪便的资源化利用

北京市一直积极探索畜禽粪便减量化、无害化和资源化处理利用的有效途径, 防治和消除畜禽粪便污染, 主要包括:一是肥料化利用, 最常见的方式是将畜禽粪便与种植业产生的废弃物按照一定比例混合, 通过堆肥发酵处理成为腐熟的有机肥;二是能源化利用, 京郊农村发展沼气, 包括农村户用小型沼气和大中型沼气两个部分, 将畜禽粪便经过厌氧发酵形成沼气、沼渣、沼液, 其中沼液可用于滴灌、沼渣做肥料。畜禽粪便的能源化利用已经从单纯的能源利用发展成为农村废弃物处理和生物质多层次综合利用, 并且与养殖业、种植业紧密结合, 成为发展绿色生态农业和巩固生态建设成果的重要途径。

但必须承认, 北京市农业废弃物的总体转化量仍然不高。有专家测算, 北京市每年产生的有机肥资源全部转化为有机肥, 仅氮素营养就达30多万t, 相当于60多万t的尿素, 可是目前北京市农业废弃物利用比例仅为20%多, 畜禽粪便等有机肥资源不能有效利用, 对环境的污染也日益严重[12]。

3.2 京郊畜禽废弃物资源空间转移的理论可行性

京郊土地面积有限, 为首都市民提供安全、优质、新鲜的畜禽产品是北京都市型现代农业生活功能和应急保障功能的充分体现, 即京郊畜牧业需要保持一定的生产规模满足城市居民消费需求。在养殖业规模相对稳定的前提下, 京郊畜禽废弃物利用的关键是将其从环境的污染源转化为土壤的养分源。解决此问题需要明确两个思路:第一, 要尽可能的提高畜禽废弃物的利用率;第二, 要尽可能将本地不能消纳的废弃物以合理的形式进行转移, 降低耕地畜禽粪便负荷量至标准之内。

从上文分析可知, 无论在京郊各区县, 还是北京与周边蔬菜供给省份之间, 畜禽废弃物耕地负荷量具有显著的不均衡性, 部分都市近郊区和首都主要蔬菜供给省份的畜禽废弃物耕地负荷量均低于粪便还田限量值。一方面, 从能源守恒视角, 北京从周边省区输入农产品, 可以通过适当的方式进行能量输出。另一方面, 肥料是农产品生产的重要投入品, 畜禽粪便经腐化加工可成为优质有机肥料。按照“减量化、再利用、资源化”的循环经济发展原则, 畜禽粪便再利用更能够推进农作系统中各种农业资源以有机肥料的形式实现畜禽废弃物的空间转移, 能够促进能量的合理流动与守恒, 以实现缓解畜牧业污染与提升农产品质量的双重目的。由此, 京郊畜禽废弃物资源空间转移具有理论可行性。

3.3 京郊畜禽废弃物资源空间转移的关键节点

畜禽粪便等废弃物利用率偏低是我国各地的共性问题, 导致此问题的原因也是多方面的, 如农牧分离与种养脱节、畜禽废弃物处理成本高、技术成熟度与经济性不高、政策激励手段缺失、农户有机肥使用意愿低等。北京市解决畜禽废弃物污染问题, 在实践层面实现空间转移的关键节点包括如下四个方面:

3.3.1管理层面, 政府需要高度重视畜禽废弃物应用问题

北京市畜牧业生产规模化程度高, 客观上形成了农牧分离、种养脱节的现象, 而且国内外经验也表明, 发展商品有机肥生产是大型养殖场畜禽废弃物最有效的利用方式。但商品有机肥生产成本较高, 农民难以承担, 使用的也很少。这就需要政府加强引导和激励, 促进沼渣沼液的规模化应用和商品有机肥的企业化生产。

3.3.2 技术层面, 畜禽废弃物有机肥转化在技术上可行

随着集约化畜禽养殖的发展, 传统的有机肥料积、制、保、用技术已经不能适应现代农业的发展, 需要形成一套成熟的商品有机肥生产技术, 促进畜禽废弃物处理和综合利用, 为养殖场提供经济实用、切实可行的畜禽废弃物治理及综合利用的技术及方案, 使畜禽粪便的利用技术实现多样化、专业化、经济化, 达到生产和环境保护的协调发展, 为养殖业的健康持续发展提供技术支撑。

3.3.3 供给层面, 畜禽废弃物的有机肥转化有良好的市场前景

应当充分利用市场机制, 加快培育、规范商品有机肥市场, 发展商品有机肥产业。在税收、信贷等方面对从事商品有机肥的企业实行优惠政策, 降低有机肥生产成本, 这也是实现畜禽废弃物空间转移的最关键因素。

3.3.4 需求层面, 农业生产者具有较强的有机肥施用意愿

尽管有机肥的使用能够有效提高农产品品质, 但目前农村劳动力的减少及老龄化问题突出, 种植业逐渐向省工、省力的栽培模式转变, 加之农产品优质优价机制尚未形成, 种植业中应用有机肥的意愿不足。若北京及其主要蔬菜供给省份的种植业者具有较强的有机肥施用意愿, 也为畜禽废弃物提供了巨大的转化空间, 更不失为提高首都农产品质量安全水平的有效手段。

4 结论

北京市是畜禽废弃物超出耕地承载力的典型地区, 积极开展畜禽废弃物管理与利用的有益探索, 不仅有利于解决土壤养分失衡问题, 促进经济、环境和社会的协调发展, 也对国内外大城市畜禽废弃物利用提供示范与借鉴。研究结果表明:北京市畜禽废弃物产生量大, 耕地畜禽粪便负荷量超出还田限量值, 在不同区县之间畜禽粪便负荷量差异明显, 而且北京市主要农产品供给省份畜禽粪便负荷量均低于还田限量值, 河北、天津两地甚至低于全国平均水平。北京周边省份存在较大的畜禽废弃物消纳空间, 京郊畜禽废弃物资源具备开展空间转移的理论可行性。

北京畜禽废弃物管理既要加强本地高效利用, 又要与外埠省区建立良好的合作关系, 在区域农业合作框架下, 积极探索畜禽废弃物资源空间转移的有效路径。但实践层面, 建议政府高度重视京郊畜禽废弃物处理与利用, 研究制定可行的政策和激励措施, 着力突破管理、技术、市场、应用等关键节点, 不断提高畜禽废弃物利用技术的成熟性和经济性、有机肥料的商品性和生产应用的积极性。

北京作为畜禽污染严重和高污染风险脆弱地区, 建议采取政府补贴的方式促进畜禽废弃物资源回收和利用, 对商品有机肥生产厂家给予一定的优惠政策, 通过有机肥补贴的方式激励外埠生产区施用有机肥, 逐步构建适合北京市市情的、比较完整的畜禽废弃物资源利用与空间转移生产技术体系, 推广环境友好的技术措施和生产方式, 提高农业废弃物资源利用率, 控制农业面源污染, 提高农产品品质。

摘要：本文基于文献资料数据和统计数据, 估算了2010年北京市及其郊区县、外埠主要农产品供给省份的耕地畜禽粪便负荷值, 分析北京市畜禽废弃物资源空间转移的可行性。结果表明, 2010年北京市耕地畜禽粪便负荷量为38.30 t/hm2, 超出还田限量值, 而天津、河北、山东、辽宁、内蒙古等外埠蔬菜供给省份的耕地畜禽粪便负荷量分别为16.29 t/hm2、15.89 t/hm2、17.43 t/hm2、22.45 t/hm2和21.34 t/hm2, 低于还田限量值, 京郊畜禽废弃物资源具备开展空间转移的理论可行性。在实践上, 北京畜禽废弃物管理既要提高本地利用率, 又要与外埠省区建立良好的合作关系, 在区域农业合作框架下, 着力突破管理、技术、市场、应用等关键节点, 提高畜禽废弃物利用技术的成熟性和经济性、有机肥料的商品性和生产应用的积极性。

关键词：畜禽废弃物,畜禽粪便污染,畜禽粪便负荷量,空间转移

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