天然氣分布式能源在某機場項目中的設計應用

徐靜靜，張珍，楊竹，宋洪濤

(1.華電分布式能源工程技術有限公司，北京　100070； 2.國家能源分布式能源技術研發中心，北京　100070)

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天然氣分布式能源在某機場項目中的設計應用

徐靜靜1，張珍1，楊竹1，宋洪濤2

(1.華電分布式能源工程技術有限公司，北京100070； 2.國家能源分布式能源技術研發中心，北京100070)

摘要：以某機場分布式能源項目設計為例，分別從負荷分析、主設備選型、系統運行經濟性等角度對天然氣分布式能源系統設計進行了介紹，分析了機場冷、熱、電負荷的變化特點及趨勢，論證了機場應用分布式能源比傳統供能方式具有較大優勢。

關鍵詞：分布式能源；機場；負荷分析；運行經濟性

0引言

自20世紀70年代能源危機以來，能源問題已成為世界科學家們重點關注的問題之一，尤其對于中國，如何實現能源、環境和經濟的協調發展已成為困擾人們的重大課題。

分布式能源系統是相對于傳統的集中式能源生產與供應模式(主要代表形式是大電廠加大電網)而言的，是靠近用戶端直接向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統。天然氣分布式能源作為分布式能源的重要形式，以天然氣為燃料，通過冷、熱、電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，是實現天然氣高效利用和結構優化的重要途徑。目前，歐美國家正在啟動“智慧能源”革命，天然氣分布式供能是其核心技術。分布式供能系統已被作為《國家科學技術中長期規劃》能源領域四項前沿技術之一，同時也被列入我國戰略性新興產業發展規劃，是實現“十二五”期間大幅節能的重要技術[1-3]。

機場的冷熱負荷相對穩定，建筑物比較集中，負荷需求時間較長，適合采用天然氣分布式能源的供能方式。目前，國內外已有很多機場采用了天然氣分布式能源的先進供能方式：國外有馬德里Barajas機場、紐約JFK機場、底特律Mc Namara機場、米蘭linate機場、倫敦Heathrow機場等，國內有長沙黃花機場、上海浦東國際機場等。

國內某機場規劃建設1座天然氣分布式能源站，主要滿足機場近期的主要冷、熱負荷及部分電力負荷需求。該機場定位為具有一定國際競爭力的大型樞紐機場，總建筑面積為航站樓56萬m2、機場酒店10萬m2、機場換乘中心8萬m2，共74萬m2。本文結合該項目設計案例，從負荷分析、設備選型及運行經濟性等角度對機場采用分布式能源系統的設計原則及方案進行初步探索。

1負荷分析

分布式能源系統與常規較大規模的熱電聯產機組有著本質的區別，分布式能源系統以滿足用戶冷熱負荷為主，發電只是其附屬產品。因此，分布式能源系統設計中應根據用戶的能源需求種類和特點，以冷、熱負荷需求為主，兼顧電負荷需求綜合確定系統形式、裝機容量和運行模式，實現系統的合理配置及高效運行。

在項目規劃和初步設計階段，指標法作為簡潔、有效的建筑能耗估算方法得到了廣泛應用[4-5]。該項目結合項目所在地區的氣候特點，綜合建筑功能、樓內人員密度、設備照明、使用時間等因素，對該機場全年的冷、熱、電負荷進行了的能耗分析計算，得出該項目設計負荷如下：設計冷、熱、電負荷分別為 70 688，31 662，28 241 kW，平均生活熱水負荷為1 780 kW，生活熱水最大熱負荷為4 448 kW。全部建筑的冷負荷典型日及全年的預測結果如圖1～2所示。

從圖1～2中可以看出，不同功能建筑的冷負荷峰值出現的時段不同，如航站樓、換乘中心負荷峰值區間出現在15:00—16:00時，酒店負荷峰值區間出現在13:00—14:00時，航站樓所占冷負荷比例較大，典型日的逐時冷負荷變化趨勢與航站樓的負荷變化趨勢接近。同時，由于冷熱負荷受外界環境溫度影響較大，制冷季初期及后期負荷較小，最大冷負荷出現在7月中旬。熱負荷及電負荷的變化也主要受建筑物功能及外界環境溫度的影響，如圖3～8所示。

圖1　典型日冷負荷變化

圖2　全年逐時冷負荷變化

圖3　典型日熱負荷變化

圖4　全年逐時熱負荷變化

圖5　夏季典型日電負荷變化

圖6　冬季典型日電負荷變化

圖7　過渡季典型日電負荷變化

圖8　全年逐時電負荷變化

2設備選型及分析

在充分研究項目冷、熱、電負荷的基礎上，為了提高系統綜合能源利用效率、降低運行成本，系統以“以熱(冷)定電、欠匹配”為原則合理配置機組形式和容量[6-8]。目前，三聯供系統中應用較多的發電機形式有燃氣輪機、燃氣內燃機和微燃機，余熱利用設備有各種形式的余熱吸收式空調機組。根據該項目的負荷特點及運行規律，采用燃氣內燃機組更適合該項目的供能特點。燃氣內燃機系統滿足設計穩定負荷，通過調峰設備滿足最大負荷需求，保證主機系統正常運行處于高效狀態。

該項目所發電力采用“并網不上網，電網備用”的設計原則，同時根據項目負荷分析，設計冷負荷為70 688 kW，穩定冷負荷約為10 000 kW，設計熱負荷為31 662 kW，穩定熱負荷約為8 000 kW，按照以冷(熱)定電、冷(熱)電平衡的設計原則，燃氣發電機組總發電容量在8～12 MW等級，綜合年供能量及財務分析結果，確定項目裝機容量定為10 MW等級，采用4臺JMS616型(額定功率2 677 kW)燃氣內燃機。

分布式能源中心余熱利用工藝需綜合考慮發電機組的種類、熱效率、余熱品質等參數。根據項目情況及燃氣內燃機的余熱利用特點，該項目選用4臺2 326 kW煙氣熱水型溴化鋰機組，確保達到較高的余熱利用率。

同時，該項目“欠匹配”部分冷、熱負荷采用調峰設備來滿足，從設備投資、運行維護、占地等角度綜合考慮采用5臺5 977 kW水冷機組及4臺5 600 kW燃氣鍋爐。由于該項目所在地區實行峰、谷、平電價，空調負荷晝夜差較大，非常適合采用蓄冷技術，但考慮到項目為機場供能，能源站用地緊張，方案中供冷系統中采用了部分冰蓄冷，選用5臺3 014 kW雙工況水冷機組。

3經濟可行性分析

在機場總供能面積為74萬m2、年供冷量、年供熱量、年供生活熱水量相同的條件下，分析對比分布式能源供能與機場常規供能方式的技術經濟性(見表1)，常規方式采用燃氣鍋爐+電制冷方式。

從表1中可以看出，建設分布式能源站與機場采用常規供能方式相比而言，在同樣的冷熱量需求下，分布式能源站不僅可以為機場提供優惠于常規供能系統的冷、熱、電價，同時也可為機場自身節省常規供能方式的初投資及年運行成本等費用。項目建成后，與同容量常規供能系統相比，該項目年節約標準煤6 115.76 t/a，節能率為33.7%，年CO2減排2.3萬t/a，減排率為53.0%，具有較好的環境效益。

表1　分布式能源與常規供能方式對比

4結論

(1)分布式能源系統具有安全、可靠的特點，與電網可互為補充，互為備用。能源站的建設不僅保障了機場的熱電供應，而且可以進一步提高機場供能的經濟、安全和可靠性，替代機場備用電源，為機場節省應急電源投資費用。

(2)機場具有穩定的冷熱負荷需求，且冷熱負荷持續時間長，較適合采用分布式能源供能系統。同時，與常規供能方式相比，分布式能源可提供更優惠的能源價格。

(3)該項目燃用清潔燃料，采用燃機內燃機分布式能源技術，熱效率高，環境效益突出。項目建成后，與同容量常規供能系統相比，每年節約標準煤6 115.76 t，節能率為33.7%，每年CO2減排2.3萬t。

(4)隨著國內天然氣定價機制的不斷完善，天然氣分布式能源將進入良性發展階段。

參考文獻：

[1]馮志兵，金紅光.冷熱電聯產系統的評價準則[J].工程熱物理學報，2005,26(5)：725-728.

[2]陳拓發，荊有印，李婷.天然氣冷熱電聯供系統在某商場建筑中的應用分析[J].節能，2012(3)：35-38.

[3]吳大為，王如竹.分布式能源定義及其與冷熱電聯產關系的探討[J].制冷與空調，2005(5)：1-6.

[4]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[6]朱奮飛.燃氣冷熱電三聯供系統發電設備容量選擇[J].暖通空調，2012，42(10)：100-103.

[7]林世平，李先瑞，陳斌.燃氣冷熱電分布式能源技術應用手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

[8]張洪偉，龍妍，黃素逸.分布式能源系統的方案選擇及性能分析[J].暖通空調，2004，34(5)：47-51.

(本文責編：白銀雷)

收稿日期:2015-11-26；修回日期:2016-02-28

中圖分類號：TM 91

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)03-0071-03

作者簡介：

徐靜靜(1986—)，女，山東臨沂人，工程師，工學碩士，從事燃氣分布式能源系統的設計及研發方面的工作(E-mail:044xujingjing@163.com)。

資金項目：國家能源分布式能源技術研發中心項目(CHEC-KJ1-2015)；華電科工科技項目(CHEC-KJ1-2015)