天然氣分布式能源在某機(jī)場項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

徐靜靜，張珍，楊竹，宋洪濤

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

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天然氣分布式能源在某機(jī)場項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)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(shù)有限公司，北京100070； 2.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心，北京100070)

摘要：以某機(jī)場分布式能源項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，分別從負(fù)荷分析、主設(shè)備選型、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等角度對天然氣分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，分析了機(jī)場冷、熱、電負(fù)荷的變化特點(diǎn)及趨勢，論證了機(jī)場應(yīng)用分布式能源比傳統(tǒng)供能方式具有較大優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：分布式能源；機(jī)場；負(fù)荷分析；運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

0引言

自20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以來，能源問題已成為世界科學(xué)家們重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，尤其對于中國，如何實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為困擾人們的重大課題。

分布式能源系統(tǒng)是相對于傳統(tǒng)的集中式能源生產(chǎn)與供應(yīng)模式(主要代表形式是大電廠加大電網(wǎng))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(tǒng)。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(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，是實(shí)現(xiàn)天然氣高效利用和結(jié)構(gòu)優(yōu)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(shù)。分布式供能系統(tǒng)已被作為《國家科學(xué)技術(shù)中長期規(guī)劃》能源領(lǐng)域四項(xiàng)前沿技術(shù)之一，同時也被列入我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，是實(shí)現(xiàn)“十二五”期間大幅節(jié)能的重要技術(shù)[1-3]。

機(jī)場的冷熱負(fù)荷相對穩(wěn)定，建筑物比較集中，負(fù)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(nèi)外已有很多機(jī)場采用了天然氣分布式能源的先進(jìn)供能方式：國外有馬德里Barajas機(jī)場、紐約JFK機(jī)場、底特律Mc Namara機(jī)場、米蘭linate機(jī)場、倫敦Heathrow機(jī)場等，國內(nèi)有長沙黃花機(jī)場、上海浦東國際機(jī)場等。

國內(nèi)某機(jī)場規(guī)劃建設(shè)1座天然氣分布式能源站，主要滿足機(jī)場近期的主要冷、熱負(fù)荷及部分電力負(fù)荷需求。該機(jī)場定位為具有一定國際競爭力的大型樞紐機(jī)場，總建筑面積為航站樓56萬m2、機(jī)場酒店10萬m2、機(jī)場換乘中心8萬m2，共74萬m2。本文結(jié)合該項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例，從負(fù)荷分析、設(shè)備選型及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等角度對機(jī)場采用分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及方案進(jìn)行初步探索。

1負(fù)荷分析

分布式能源系統(tǒng)與常規(guī)較大規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組有著本質(zhì)的區(qū)別，分布式能源系統(tǒng)以滿足用戶冷熱負(fù)荷為主，發(fā)電只是其附屬產(chǎn)品。因此，分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)用戶的能源需求種類和特點(diǎn)，以冷、熱負(fù)荷需求為主，兼顧電負(fù)荷需求綜合確定系統(tǒng)形式、裝機(jī)容量和運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的合理配置及高效運(yùn)行。

在項(xiàng)目規(guī)劃和初步設(shè)計(jì)階段，指標(biāo)法作為簡潔、有效的建筑能耗估算方法得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。該項(xiàng)目結(jié)合項(xiàng)目所在地區(qū)的氣候特點(diǎn)，綜合建筑功能、樓內(nèi)人員密度、設(shè)備照明、使用時間等因素，對該機(jī)場全年的冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行了的能耗分析計(jì)算，得出該項(xiàng)目設(shè)計(jì)負(fù)荷如下：設(shè)計(jì)冷、熱、電負(fù)荷分別為 70 688，31 662，28 241 kW，平均生活熱水負(fù)荷為1 780 kW，生活熱水最大熱負(fù)荷為4 448 kW。全部建筑的冷負(fù)荷典型日及全年的預(yù)測結(jié)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(fù)荷峰值出現(xiàn)的時段不同，如航站樓、換乘中心負(fù)荷峰值區(qū)間出現(xiàn)在15:00—16:00時，酒店負(fù)荷峰值區(qū)間出現(xiàn)在13:00—14:00時，航站樓所占冷負(fù)荷比例較大，典型日的逐時冷負(fù)荷變化趨勢與航站樓的負(fù)荷變化趨勢接近。同時，由于冷熱負(fù)荷受外界環(huán)境溫度影響較大，制冷季初期及后期負(fù)荷較小，最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在7月中旬。熱負(fù)荷及電負(fù)荷的變化也主要受建筑物功能及外界環(huán)境溫度的影響，如圖3～8所示。

圖1　典型日冷負(fù)荷變化

圖2　全年逐時冷負(fù)荷變化

圖3　典型日熱負(fù)荷變化

圖4　全年逐時熱負(fù)荷變化

圖5　夏季典型日電負(fù)荷變化

圖6　冬季典型日電負(fù)荷變化

圖7　過渡季典型日電負(fù)荷變化

圖8　全年逐時電負(fù)荷變化

2設(shè)備選型及分析

在充分研究項(xiàng)目冷、熱、電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，為了提高系統(tǒng)綜合能源利用效率、降低運(yùn)行成本，系統(tǒng)以“以熱(冷)定電、欠匹配”為原則合理配置機(jī)組形式和容量[6-8]。目前，三聯(lián)供系統(tǒng)中應(yīng)用較多的發(fā)電機(jī)形式有燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)，余熱利用設(shè)備有各種形式的余熱吸收式空調(diào)機(jī)組。根據(jù)該項(xiàng)目的負(fù)荷特點(diǎn)及運(yùn)行規(guī)律，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組更適合該項(xiàng)目的供能特點(diǎn)。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)穩(wěn)定負(fù)荷，通過調(diào)峰設(shè)備滿足最大負(fù)荷需求，保證主機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行處于高效狀態(tài)。

該項(xiàng)目所發(fā)電力采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)，電網(wǎng)備用”的設(shè)計(jì)原則，同時根據(jù)項(xiàng)目負(fù)荷分析，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為70 688 kW，穩(wěn)定冷負(fù)荷約為10 000 kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為31 662 kW，穩(wěn)定熱負(fù)荷約為8 000 kW，按照以冷(熱)定電、冷(熱)電平衡的設(shè)計(jì)原則，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組總發(fā)電容量在8～12 MW等級，綜合年供能量及財(cái)務(wù)分析結(jié)果，確定項(xiàng)目裝機(jī)容量定為10 MW等級，采用4臺JMS616型(額定功率2 677 kW)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。

分布式能源中心余熱利用工藝需綜合考慮發(fā)電機(jī)組的種類、熱效率、余熱品質(zhì)等參數(shù)。根據(jù)項(xiàng)目情況及燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱利用特點(diǎn)，該項(xiàng)目選用4臺2 326 kW煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，確保達(dá)到較高的余熱利用率。

同時，該項(xiàng)目“欠匹配”部分冷、熱負(fù)荷采用調(diào)峰設(shè)備來滿足，從設(shè)備投資、運(yùn)行維護(hù)、占地等角度綜合考慮采用5臺5 977 kW水冷機(jī)組及4臺5 600 kW燃?xì)忮仩t。由于該項(xiàng)目所在地區(qū)實(shí)行峰、谷、平電價(jià)，空調(diào)負(fù)荷晝夜差較大，非常適合采用蓄冷技術(shù)，但考慮到項(xiàng)目為機(jī)場供能，能源站用地緊張，方案中供冷系統(tǒng)中采用了部分冰蓄冷，選用5臺3 014 kW雙工況水冷機(jī)組。

3經(jīng)濟(jì)可行性分析

在機(jī)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(jī)場常規(guī)供能方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性(見表1)，常規(guī)方式采用燃?xì)忮仩t+電制冷方式。

從表1中可以看出，建設(shè)分布式能源站與機(jī)場采用常規(guī)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(jī)場提供優(yōu)惠于常規(guī)供能系統(tǒng)的冷、熱、電價(jià)，同時也可為機(jī)場自身節(jié)省常規(guī)供能方式的初投資及年運(yùn)行成本等費(fèi)用。項(xiàng)目建成后，與同容量常規(guī)供能系統(tǒng)相比，該項(xiàng)目年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6 115.76 t/a，節(jié)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(huán)境效益。

表1　分布式能源與常規(guī)供能方式對比

4結(jié)論

(1)分布式能源系統(tǒng)具有安全、可靠的特點(diǎn)，與電網(wǎng)可互為補(bǔ)充，互為備用。能源站的建設(shè)不僅保障了機(jī)場的熱電供應(yīng)，而且可以進(jìn)一步提高機(jī)場供能的經(jīng)濟(jì)、安全和可靠性，替代機(jī)場備用電源，為機(jī)場節(jié)省應(yīng)急電源投資費(fèi)用。

(2)機(jī)場具有穩(wěn)定的冷熱負(fù)荷需求，且冷熱負(fù)荷持續(xù)時間長，較適合采用分布式能源供能系統(tǒng)。同時，與常規(guī)供能方式相比，分布式能源可提供更優(yōu)惠的能源價(jià)格。

(3)該項(xiàng)目燃用清潔燃料，采用燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)分布式能源技術(shù)，熱效率高，環(huán)境效益突出。項(xiàng)目建成后，與同容量常規(guī)供能系統(tǒng)相比，每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6 115.76 t，節(jié)能率為33.7%，每年CO2減排2.3萬t。

(4)隨著國內(nèi)天然氣定價(jià)機(jī)制的不斷完善，天然氣分布式能源將進(jìn)入良性發(fā)展階段。

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(本文責(zé)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(xiàn)標(biāo)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(xué)碩士，從事燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及研發(fā)方面的工作(E-mail:044xujingjing@163.com)。

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