空港經(jīng)濟區(qū)分布式能源系統(tǒng)設(shè)計思路淺析

王延軍

（華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

空港經(jīng)濟區(qū)是指依托大型樞紐機場的綜合優(yōu)勢，發(fā)展具有明顯的航空樞紐指向性的產(chǎn)業(yè)集群而在空港周邊所形成的經(jīng)濟區(qū)?？崭劢?jīng)濟區(qū)是能源消費的集中區(qū)，隨著節(jié)能減排要求的提高，其能源解決方案將成為影響區(qū)域經(jīng)濟健康發(fā)展的重要問題之一，而分布式能源供能無疑是當(dāng)前較為理想的選擇。

1 空港經(jīng)濟區(qū)建設(shè)分布式能源必要性

（1）滿足空港區(qū)域經(jīng)濟增長、冷熱電負(fù)荷日益增加的需求

當(dāng)前新建的空港經(jīng)濟區(qū)一般遠(yuǎn)離城市中心，建設(shè)初期市政設(shè)置薄弱，加之空港經(jīng)濟區(qū)的招商引資及發(fā)展需要較長的過程，因此空港經(jīng)濟區(qū)的發(fā)展階段難以進行統(tǒng)一的集中供能規(guī)劃。早期入駐的企業(yè)往往根據(jù)自身需求建設(shè)小型的、分散式的鍋爐房或空調(diào)機組，這些設(shè)備不但存在初投資大、能源利用率低的問題，而且對環(huán)境污染非常嚴(yán)重。在發(fā)展階段，有規(guī)劃的在一定區(qū)域內(nèi)建設(shè)若干小型區(qū)域式或者樓宇式分布式能源站，可以較好的解決能源供需矛盾與環(huán)境污染之間的問題。

（2）打造綠色環(huán)?？崭劢?jīng)濟區(qū)形象的需要

分布式能源較好地滿足了綠色環(huán)保、減少環(huán)境污染的要求。分散的鍋爐房不但會產(chǎn)生廢水、廢渣等污染物，還會產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染和噪音污染，采用分布式能源在一定區(qū)域內(nèi)集中供能，可以減少各類污染物的排放，改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，保護環(huán)境。

（3）符合國家政策、提高能源利用率的需要

分散的燃煤鍋爐效率僅有50%，燃?xì)忮仩t效率雖然可達到90%以上，但直接燃燒天然氣供熱，造成了能源品位的嚴(yán)重浪費。國務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》鼓勵發(fā)展分布式能源，不僅因為分布式能源清潔環(huán)保，更在于其能源綜合利用效率高，可以實現(xiàn)能源的梯級利用。采用分布式能源系統(tǒng)，高品位能源用于發(fā)電，低品位的余熱可用來供暖、制冷或除濕，能源利用率超過75%。

隨著煤炭、天然氣價格的提高，企業(yè)供熱成本增加，經(jīng)濟效益下降，空港區(qū)域采用分布式供能，不僅可以降低供熱／供冷成本，而且可以提供部分電負(fù)荷，保證能源安全，經(jīng)濟效益和社會（環(huán)境）效益明顯。

2 空港經(jīng)濟區(qū)負(fù)荷特點分析

區(qū)域的能源負(fù)荷需求取決于區(qū)域產(chǎn)業(yè)特點?？崭劢?jīng)濟區(qū)的產(chǎn)業(yè)可分為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和連帶產(chǎn)業(yè)。主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)主要圍繞機場運營，如：空港物流、航空制造及飛機維修、自由貿(mào)易區(qū)（保稅物流區(qū)）、航空服務(wù)、后勤生活居住等；連帶產(chǎn)業(yè)主要由主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)連帶產(chǎn)生的一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)，如：高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)、研發(fā)、居住、觀光休閑等。

從能源供應(yīng)的角度上講，空港經(jīng)濟區(qū)的能源需求包含電、采暖、供冷、熱水及蒸汽?？崭劢?jīng)濟區(qū)對電力需求量非常大，僅憑分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電量必然無法全部滿足，因此本文對電力負(fù)荷特點不做分析。蒸汽負(fù)荷來自于工業(yè)生產(chǎn)，其需求量與產(chǎn)業(yè)特點及產(chǎn)能有關(guān)，一般比較穩(wěn)定，可根據(jù)實際需求情況設(shè)計需求量。而采暖、供冷等負(fù)荷規(guī)律有較強的通用性，根據(jù)需求對象不同其可分為機場、商業(yè)、辦公、酒店、住宅及附屬基地的負(fù)荷需求等。

圖1 各功能建筑夏冬季典型日冷熱負(fù)荷規(guī)律

圖1分別給出了上述對象在夏冬季節(jié)典型日冷熱負(fù)荷的需求規(guī)律。由圖1可見，空港經(jīng)濟區(qū)的負(fù)荷呈現(xiàn)出負(fù)荷種類的多樣性及規(guī)律的多變性的特點，給供能系統(tǒng)的變工況、全工況性能及優(yōu)化配置帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，使得空港經(jīng)濟區(qū)分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計較之常規(guī)的區(qū)域型、樓宇型分布式能源站的設(shè)計存在一定差異，且更為復(fù)雜。

3 空港經(jīng)濟區(qū)分布式能源系統(tǒng)設(shè)計思路

（1）以熱定電確定裝機規(guī)模

能源站的規(guī)模直接影響經(jīng)濟效益，如果規(guī)模較小，不能完全滿足負(fù)荷需求，則無法獲得最佳的經(jīng)濟效益；如果規(guī)模過大，設(shè)備不能滿負(fù)荷運行，系統(tǒng)效率降低，經(jīng)濟效益差。根據(jù)我國電網(wǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合已建項目的實際情況，當(dāng)前分布式能源項目基本采用發(fā)電上網(wǎng)的模式，因此基本可按“以熱定電”的原則確定裝機規(guī)模。

圖2為以“以熱定電”為原則確定燃?xì)廨啓C循環(huán)發(fā)電的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的案例，該圖示是以滿足用能熱需求（制冷、采暖及生活熱水）為原則，確定原動機，進而確定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電力輸出，其中用戶需求是以采暖、制冷及生活熱水體現(xiàn)的。

圖2 以熱定電的系統(tǒng)集成

（2）蓄能單元優(yōu)化系統(tǒng)的全工況性能

根據(jù)負(fù)荷分析可知，空港經(jīng)濟區(qū)負(fù)荷類型多樣且變化頻繁，分布式系統(tǒng)在面對頻繁變化的負(fù)荷時，系統(tǒng)性能也會受到嚴(yán)重影響，設(shè)計時要求系統(tǒng)具有良好的全工況性能。因此設(shè)計時可在用戶側(cè)配備蓄能單元，其基本功能是平衡能量供需之間的差異，解決系統(tǒng)變工況效率下降的問題，實現(xiàn)平衡負(fù)荷峰谷和節(jié)能增效雙重目的。此外，將多余能量存儲，除可提高系統(tǒng)運行效率外，還可減少容量配置，從而達到降低投資，提高機組熱效率和使用效率的目的。

結(jié)合蓄能單元的分布式能源系統(tǒng)基本原理如圖3所示。

適合工程應(yīng)用的蓄能主要指蓄熱和蓄冷（蓄電成本較高），蓄熱主要通過蓄熱加熱爐、蓄熱水箱、蒸汽蓄熱器等實現(xiàn)，蓄冷主要是冰蓄冷和冷水蓄冷，工程實際可結(jié)合利用消防水池來蓄冷水。

圖3 結(jié)合蓄能的系統(tǒng)集成原理圖

（3）模塊組合、多機聯(lián)動

分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計最終要趨于模塊化，所謂模塊化設(shè)計，是指將能源站的某些要素（原動機+余熱利用設(shè)備）組合在一起，構(gòu)成一個具有特定功能（輸出冷熱電）的子系統(tǒng)，將這個子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他子系統(tǒng)進行多種組合，構(gòu)成完整的分布式能源系統(tǒng)。其基本原理見圖4。

圖4 模塊組合的系統(tǒng)集成原理圖

采用模塊化設(shè)計的最大優(yōu)點是可減小項目風(fēng)險，由于分布能源站的建設(shè)有一定的周期，空港經(jīng)濟區(qū)負(fù)荷發(fā)展與項目的建設(shè)往往不同步，尤其當(dāng)負(fù)荷的發(fā)展落后于項目建設(shè)時，系統(tǒng)可以啟動部分模塊，在滿足用戶需求的同時，還能保證每個模塊機組滿負(fù)荷運行，保證系統(tǒng)效率，建少排放量。采用模塊組合可以逐臺啟／停原動機，實現(xiàn)多機聯(lián)動，在效率和排放不變的條件下，調(diào)節(jié)負(fù)荷，保證最大的經(jīng)濟效益。

4 典型案例分析

以山東某空港經(jīng)濟區(qū)分布式能源項目為例，擬包含的供能對象包括機場及周邊的酒店、寫字樓和商業(yè)基地等，負(fù)荷需求見表1。

由表1可知，該空港經(jīng)濟區(qū)最大熱負(fù)荷需求為36 128kW，最大冷負(fù)荷需求為19 380kW，考慮0.75的負(fù)荷需求系數(shù)，則設(shè)計熱負(fù)荷為負(fù)荷求為3 kW，設(shè)計冷負(fù)荷為14 535kW。根據(jù)負(fù)荷變動規(guī)律分析，該區(qū)冬季總熱需求量約2958.5GJ／a，夏季總冷需求量約1242.6GJ／a。

表1 負(fù)荷需求統(tǒng)計表

圖5 系統(tǒng)組成流程簡圖

根據(jù)本文提出的設(shè)計思路，該空港經(jīng)濟區(qū)分布式能源供能系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)組成如圖5所示，系統(tǒng)主要模塊為“內(nèi)燃機+煙氣熱水型冷熱水機組”，分設(shè)1套冰蓄冷裝置和1套電蓄熱裝置做冷熱負(fù)荷調(diào)峰。

該系統(tǒng)根據(jù)以熱定電的原則，采用4套“內(nèi)燃機+煙氣熱水型冷熱水機組”的模塊，結(jié)合蓄能單元，可在保障機組效率的前提下，靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷輸出，滿足全年不同時段用戶負(fù)荷需求。

主要設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表2。

該分布式能源站運行原則為：依據(jù)預(yù)測負(fù)荷曲線并結(jié)合實際負(fù)荷波動追蹤運行；在大部分空調(diào)使用時間內(nèi)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的實際情況并結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾妰r政策進行優(yōu)化控制；過渡階段將充分使用余熱設(shè)備，將余熱設(shè)備分開供能，一部分余熱機組進行供熱，一部分將進行供冷。

表2 主要設(shè)備規(guī)格參數(shù)表

根據(jù)《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ145-2010）以及《熱電聯(lián)產(chǎn)項目可行性研究技術(shù)規(guī)定》中的計算方法，計算該系統(tǒng)的全年熱經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，具體見表3。

表3 熱技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)表

計算結(jié)果顯示，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計結(jié)合蓄能單元，年均一次能源利用率在86%以上，年均利用小時數(shù)約5500h，主要技術(shù)指標(biāo)較之常規(guī)的分布式能源系統(tǒng)高出很多。

5 結(jié)語

空港經(jīng)濟區(qū)用能負(fù)荷具有種類多樣性及規(guī)律多變性的特點，根據(jù)以熱定電的原則，采用模塊化設(shè)計，結(jié)合蓄能單元，可較大程度改善系統(tǒng)的變工況、全工況性能，在保障機組效率的前提下，靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷輸出，滿足全年不同時段不同用戶的用能需求。