浦東國際機場能源中心燃氣分布式供能系統(tǒng)運行情況與技術(shù)經(jīng)濟分析

林在豪

1 概述

浦東國際機場總體規(guī)劃面積32km2。一期工程為12km2，南北長約8km，東西長約4km。所需供熱供冷用戶遍布整個機場。供熱供冷能源中心方案于1996年底經(jīng)公開招標(biāo)，最終選定華東建筑設(shè)計院《汽電共生，熱、冷、電三聯(lián)供》方案。

能源中心設(shè)計采用大集中、小分散，對相對集中的航站樓，商務(wù)辦公、賓館、貨運、航空食品加工等十二個支項由能源中心集中供應(yīng)?？偡?wù)建筑面積60余萬m2，其它由各用戶分散采用常規(guī)供熱、供冷。

一期能源中心屬于熱、冷電聯(lián)供區(qū)域式的能源中心。設(shè)置一臺4000kW燃氣（油）輪機配9.7t/h余熱蒸汽鍋爐。外配總量為110t/h輔助燃氣（油）蒸汽鍋爐和4臺雙效蒸汽溴化鋰機組，6臺電動離心制冷機組，總制冷量為85796kW。其中燃氣輪機，余熱鍋爐設(shè)備費2825萬元，包括土建，安裝等合計總投資為3600萬元。能源中心1997年立項，自1999年10月建成投產(chǎn)以來，運行正常，有力地保障機場安全運行。

2 運行情況

2.1 安裝及調(diào)試

燃氣輪機系統(tǒng)于1999年4月開始安裝，7月安裝完成即進行不帶負荷條件下試車，并取得成功。2000年4月通過最后驗收，交付使用。最大負荷達4300kW，蒸汽產(chǎn)量11 t/h。

2.2 投產(chǎn)初期

由于受當(dāng)時政策限制，燃氣輪機發(fā)電不能并網(wǎng)運行。發(fā)出電力只能在能源中心內(nèi)部消耗、孤網(wǎng)運行。原辦公樓由電動熱泵采暖，后改為蒸汽熱源。由于設(shè)計條件變化，冬季電力負荷嚴(yán)重不足，燃氣輪機不能正常商業(yè)運行。只能進行操作培訓(xùn)和測試機組特性，間斷運行。期間積累運行經(jīng)驗和資料。

2.3 并網(wǎng)運行

在上海市有關(guān)部門大力支持下，1999年5月由浦東國際機場建設(shè)指揮部召集上海市經(jīng)委節(jié)能辦、上海市電力局用電處、浦東供電所高壓監(jiān)察調(diào)度及機場有關(guān)職能部門，對由華東電力設(shè)計院承擔(dān)的浦東國際機場能源中心熱電冷三聯(lián)供機組并網(wǎng)基本設(shè)計（代擴初設(shè)計）進行審查。根據(jù)【滬】經(jīng)節(jié)（98）第483號的《上海市企業(yè)資源綜合利用發(fā)電認證管理辦法》明確表示項目為資源綜合利用項目。一致同意并網(wǎng)運行。若運行良好，鼓勵上第二臺相類似機組，并與35kV變電站并網(wǎng)運行。會上明確了具體并網(wǎng)5點原則意見。

2001年7月起正式與航飛站1#35kV主變并網(wǎng)運行，并網(wǎng)點在一段10kV母線上。實施后發(fā)現(xiàn)，由于受現(xiàn)場設(shè)備限制，存在三個開關(guān)，只能合兩個開關(guān)。由此造成當(dāng)外線故障、1#主變跳閘時存在燃機并網(wǎng)，而不會在2.5秒自切。可能要等燃機先解列，然后運行人員手動操作。而要延長恢復(fù)供電時間，會影響至一段10kV母線下各使用者，而且該并網(wǎng)點負荷只有2000kW左右，月發(fā)電量只在5萬～30萬kWh之間。燃機運行經(jīng)濟性仍較差，很難投入商業(yè)運行。

表1 2002.7～2002.12運行情況

2002年6月第二次改造并網(wǎng)點負荷，將負荷較大且穩(wěn)定負荷調(diào)整到并網(wǎng)點上。從而確保燃機自2002年7月起能以70～80%額定功率運行。運行情況見表1。

2.4 天然氣供氣壓力問題

根據(jù)供氣協(xié)議，天然氣進機場壓力為2.5MPa，大于燃氣輪機工作壓力。為此機場專門設(shè)置燃氣調(diào)壓站，降壓至燃氣輪機正常所需1.5MPa。自2002年開始，天然氣高峰用氣時段供氣壓力明顯下降，以致經(jīng)常性供氣壓力不保證。甚至，發(fā)展到不經(jīng)調(diào)壓器壓力也不能滿足燃機工作壓力。雖然燃氣輪機為油氣兩用，當(dāng)燃氣壓力不足時可以自切用油工作。由于油價高于天然氣價10%～50%，當(dāng)時氣價為1.9元/m3，柴油中間價在3200元/t。僅2002.7～2002.12經(jīng)常以油代氣，運行成本油比氣貴，差價達92萬元。

2003年、2004年天然氣供氣壓力逐年下降，使用輕柴油量不斷增加。用油不但增加運行成本，而且還帶耒燃機燃燒室、噴嘴、透平葉片污染增加，從而增加拆裝和清洗頻率。

隨著經(jīng)濟性不斷下滑，2004年開機率明顯下降。要解決天然壓力供需矛盾，只能靠增加燃氣增壓機。為此需200～300萬元改造費，但它可從節(jié)省的燃料費解決，從根本上解決供氣壓力不足帶來一系列問題。機場決定啟動增加天然氣增壓機改造，并于2005年改造完成。表2為燃氣增壓機改造前后運行情況。

2.5 正常運行

4000kW燃氣輪機組自建成后，經(jīng)歷了孤網(wǎng)運行困難、二次并網(wǎng)改造、天然氣供氣壓力不穩(wěn)到不能滿足燃氣輪機正常工作，直至增設(shè)天然氣增壓機的改造。前后歷經(jīng)4年，從2005年起正式步入符合設(shè)計正常運行要求，實現(xiàn)節(jié)能減排且有良好經(jīng)濟效益目的。

2.6 維護及維修

燃氣每年有易損件如過濾器等的更換、清洗。目前正常運行年份的備品備件費為50～60萬元/年，常規(guī)維修費為45萬元/年，2009～2011年每年維修保養(yǎng)臨時故障停機時間見表3。

燃機從2001年投運以來到2011年10月共累計運行了33000h。按規(guī)定大修時間30000h。從2011年10月停機拆卸燃氣輪機主體，再由工廠提供“新”的燃機主體，包括去回海運2個月，到重新投入正常運行，總大修停機時間最短在2.5個月。大修費用為760百萬元。接下來計劃用2～3年時間對控制系統(tǒng)進行逐步改造，估計費用約為2～3百萬元。

表2 2003～2005年燃氣增壓機改造前后運行情況

表3 2009～2011年燃機維修保養(yǎng)停機天數(shù)

3 熱電冷三聯(lián)供機組選擇技術(shù)條件分析

3.1 熱電冷三聯(lián)供機組選型及運行策略

機場能源中心供應(yīng)航站樓、商務(wù)辦公、賓館、食品加工等，一期服務(wù)建筑面積為60多萬m2。熱負荷有采暖、生活熱水和生產(chǎn)性用熱，夏季供應(yīng)溴化鋰制冷。最大設(shè)計供熱量為67497kW（其中航站樓43000kW），生活生產(chǎn)用熱9420kW?？偣├淞繛?5796kW（其中航站樓54600kW）。

三聯(lián)供主機容量按以熱定電、熱電平衡原則，選擇一臺4000kW燃氣（油）輪機配置6090（9.7 t/h）余熱蒸汽鍋爐，供汽壓力0.9MPa。具有余熱量大，余熱蒸汽參數(shù)較高，機組具有容量較大且有長期運行較穩(wěn)定的特點。余熱鍋爐蒸汽不足部分由設(shè)置3臺18837kW（30 t/h）加1臺12558kW（20 t/h）即總共為69069kW（110 t/h）的輔助燃氣（油）蒸汽鍋爐供給。供冷由4臺5274kW/臺蒸汽溴化鋰制冷機組和6臺電動制冷機組組成，總供冷能力為85796kW。燃氣輪機產(chǎn)生的余熱冬季供暖等，夏季供溴化鋰制冷，發(fā)電并網(wǎng)實現(xiàn)熱電冷三聯(lián)供。機組每天7～22點（谷時停機）16小時運行，常年無休。

冬季（采暖）：1～3月和12月都有采暖負荷，期間余熱鍋爐生產(chǎn)熱量全部并入輔助鍋爐蒸汽系統(tǒng)分汽缸。在余熱鍋爐優(yōu)先原則下，根據(jù)分汽缸壓力適時啟動輔助鍋爐補充。

夏季：5～10月余熱鍋爐蒸汽穩(wěn)定供給一臺雙效蒸汽溴化鋰機組制冷，余量并入輔助鍋爐蒸汽系統(tǒng)。由于當(dāng)時供電緊缺大背景形勢下，設(shè)計加大了非電制冷比例達25%。因1臺機組余熱鍋爐供氣有限，要增開溴化鋰機組就需輔助鍋爐供汽而直接由鍋爐產(chǎn)汽制冷，不符節(jié)能要求。第2套燃氣機組未上，因而造成溴化鋰機組利用率嚴(yán)重不足，配置過大。

過渡季：4月份是既不采暖又不供冷月份。余熱鍋爐供熱對象只剩下生活熱水和生產(chǎn)用汽，也是不穩(wěn)定。其時只有1884kW(3t/h)，晚間更小只有1255kW（2t/h）左右。不過最低負荷也只10多天左右，即便如此輔助鍋爐需要保壓，還要不定時啟動。

3.2 余熱鍋爐蒸汽在全年供熱系統(tǒng)中的比重

從歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，雖然機組配置的余熱蒸汽鍋爐只有6090kW(9.7 t/h)，占總供熱量10%左右，因它全年有4000多h且在較高負荷率條件下運轉(zhuǎn)。余熱蒸汽在全年總供熱量中占有較高比例。2005年余熱鍋爐產(chǎn)汽和輔助鍋爐產(chǎn)汽情況見表4，從表4可見：全年熱負荷高峰在1～3月和12月，屬采暖為主典型性質(zhì)。正常情況下，1～3月和12月是全年熱負荷55%左右，而余熱鍋爐提供的蒸汽占這4個月總量16.4%；全年最低熱負荷4月份，余熱鍋爐可提供43%負荷。5月份開始每月可以供應(yīng)3000多t蒸汽給溴化鋰機組制冷。8月份開始燃氣輪機出現(xiàn)較小故障，未能及時排除，影響了運行時間。余熱鍋爐蒸汽明顯減少。但即使有5個月燃機未能正常發(fā)揮作用條件下，全年產(chǎn)汽量也達到284699 t，占全年總產(chǎn)汽量26.3%。

2008年浦東國際機場二期工程建成投產(chǎn)。二期能源中心鍋爐房只有冬季采暖熱負荷，并與一期能源中心輔助鍋爐蒸汽管聯(lián)網(wǎng)運行，以達到充分利用一期輔助鍋爐余量減少二期鍋爐初投資，又可提高可靠性。其中一期輔助鍋爐產(chǎn)汽有部分供給了二期使用。因此總量明顯增加，余熱蒸汽產(chǎn)量維持正常，占總產(chǎn)汽量比例所以有所下降。從表5可見，余熱鍋爐正常年份可供蒸汽3.5～4萬t左右。按輔助鍋爐產(chǎn)汽耗氣指針平均為76m3/t計，每年可以節(jié)約天然氣約266～304萬m3。節(jié)能減排作用明顯，同時也證明只有全年發(fā)電機有較高負荷率所產(chǎn)生的余熱充分利用，才能有好的經(jīng)濟性和環(huán)保又節(jié)約資源的優(yōu)越性。

表4 2005年余熱蒸汽鍋爐和輔助蒸汽鍋爐產(chǎn)汽表

表5 2007～2010年余熱鍋爐產(chǎn)汽占全年總供應(yīng)量

4 熱電冷三聯(lián)供經(jīng)濟分析

4.1 供應(yīng)溴化鋰機組余熱鍋爐蒸汽價值

余熱鍋爐產(chǎn)出的蒸汽價值，隨供應(yīng)對象不同也應(yīng)有變化。對于直接用熱方式的如采暖、生活熱水、生產(chǎn)蒸汽都應(yīng)與輔助鍋爐蒸汽同價。對于供應(yīng)溴化鋰機組的蒸汽，因熱能利用要經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換而造成損失，與鍋爐蒸汽同價不合理，應(yīng)采用本系統(tǒng)電制冷生產(chǎn)相同冷量所消耗電能成本和蒸汽制冷消耗蒸汽熱價相等，即等效成本。近幾年電動制冷機組COP變動情況見表6。

表6 2009～2011年電動制冷機組COP變動情況

當(dāng)市電價0.98元/kWh時，電制冷1kWh時，電能價為雙蒸汽溴化鋰制冷機組，當(dāng)蒸汽壓力為0.8MPa時，正常蒸汽能耗指標(biāo)為≤1.28kg/kWh。本計算采用1.3kg/kWh。

蒸汽獲得1kWh冷量與電能等效價值時應(yīng)為

4.2 輔助鍋爐蒸汽成本價

占蒸汽成本近80%的天然氣價格，近年在不斷提升。所以蒸汽價也在不斷變動中。根據(jù)機場能源中心提供的不同時段天然氣價格見表7。

表7 供應(yīng)輔助鍋爐不同時段天然氣價目

按表7天然氣價，機場能源中心提供的輔助鍋爐產(chǎn)汽成本分析見表8。

表8 輔助鍋爐產(chǎn)汽成本分析

表9 2010年度能源中心產(chǎn)出月度報表

4.3 2010年熱電冷三聯(lián)供機組運行情況分析

2010年能源中心熱電冷三聯(lián)供生產(chǎn)月度運行情況見表9。

1）余熱鍋爐產(chǎn)汽情況分析

余熱鍋爐全年產(chǎn)汽量（t/a）43877

余熱鍋爐供溴化鋰制冷蒸汽量（t）13083

余熱蒸汽供采暖、生活、生產(chǎn)蒸汽（t）30794

2）余熱鍋爐蒸汽收益

采暖、生活、供暖收益：

304元/t×30794t=9361376元

供溴化鋰蒸汽收益：

188元/t×13083t=2459604元

合計9361376元+2459604=11820980元

3）全年發(fā)電收益

全年發(fā)電量（kWh）17503672

自用電量（kWh）478132

當(dāng)年平均電價0.98元/kWh

全年發(fā)電收益（元）0.98元/kWh×（17503672kWh-478132kWh）=16685029元

4）余熱鍋爐生產(chǎn)輔助費

參照輔助鍋爐生產(chǎn)成本，其中

水、鹽、電，除氧、排污各項總計2816994元

5）燃氣輪機天然氣價

按不同時段計價及超量優(yōu)惠價，見表10。

燃氣輪機1～7月耗氣量8萬m3以內(nèi)及超出8萬m3天然氣支付費用合計:

（2.04 ×560000）+ （1.94 ×3602897）=8132020（元）

表10 供應(yīng)燃氣輪機不同時段、不同耗量天然氣價目

燃氣輪機8～12月耗氣量8萬m3以內(nèi)及超出8萬m3天然氣支付費用合計:

（2.43×560000）+（2.33×2265405）=6639193（元）

全年天然氣支付費用為

8132020元+6639193元=14771213（元）

6）能源中心熱電冷三聯(lián)供機組經(jīng)濟分析匯總

見表11。

5 技術(shù)性指標(biāo)

5.1 2010年熱電冷聯(lián)供機組總熱效率

總熱效率=[供熱量+供電量×3600kJ/kWh]/燃料總耗量×燃料低熱值

表11 能源中心熱電冷三聯(lián)供機組經(jīng)濟分析匯總

5.2 2010年熱電冷三聯(lián)供機組熱電比

5.3 2010年熱電冷三聯(lián)供機組節(jié)煤量

節(jié)煤量=生產(chǎn)余熱鍋爐蒸汽按常規(guī)蒸汽鍋爐所需標(biāo)煤耗+燃機發(fā)電量按市電單耗需耗標(biāo)準(zhǔn)煤耗-熱電冷三聯(lián)供機組實際燃料折算標(biāo)煤量

生產(chǎn)余熱鍋爐蒸汽按上海市2010年燃氣、燃油、燃煤10 t/h小型鍋爐實際平均效率為0.73時，

生產(chǎn)余熱蒸汽量所需標(biāo)煤量

生產(chǎn)燃機發(fā)電量折算成市電單耗（包括6%線損）時，為336.0g/kWh，

發(fā)電所需標(biāo)煤量

熱電冷聯(lián)產(chǎn)機組實際耗用天然氣折算成標(biāo)煤

5.4 減排量

熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)減排CO2與SO2：

每年CO2減排量=2474t×2.6=6432t

每年SO2減排量=2474×0.024=59.4t

6 結(jié)語

1）熱電聯(lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)運行，對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可操作性起重要作用。正確選擇并網(wǎng)點且充足以及穩(wěn)定電負荷是保證長期安全，經(jīng)濟運行必要條件。

2）天然氣價格變動對熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟性最敏感。

3）余熱鍋爐容量雖只是輔助鍋爐的不大比例，但年運行時間長，它卻提供了全年總供氣量1/3甚至更多，節(jié)能效果顯著。

4）機組的經(jīng)常性維修、保養(yǎng)以及大修實際停機時間和費用是一個不小數(shù)字，對投資回收年限造成一定影響。

5）余熱鍋爐產(chǎn)汽一般性直接用的熱價和供蒸汽溴化鋰制冷的熱價合理計算，將對系統(tǒng)經(jīng)濟性產(chǎn)生重要影響。

建議：分布式供能系統(tǒng)熱電聯(lián)供具有明顯節(jié)能減排，夏季消電峰、填氣谷，社會效益明顯。對確有成效、節(jié)能減排效果明顯的案例，按節(jié)能減排成果大小，政府有關(guān)部門應(yīng)制訂并落實節(jié)能減排激勵機制。

注：本文的投資中未包括因為貸款而發(fā)生的財務(wù)費用。該費用由浦東機場整個項目中統(tǒng)一列支，未具體分?jǐn)偟侥茉粗行捻椖俊?/p>