天然氣分布式供能系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用

上海機(jī)場(chǎng)（集團(tuán)）有限公司 陳超寅

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 胡 瑛 鐘 怡 湯 羹

關(guān)鍵字：天然氣 分布式供能系統(tǒng) 機(jī)場(chǎng) 節(jié)能減排

天然氣分布式供能系統(tǒng)可以降低能耗、減少碳排放量以及實(shí)現(xiàn)清潔能源的高效利用率，是目前建設(shè)可持續(xù)發(fā)展和低碳社會(huì)最有效的工具之一，在很多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。機(jī)場(chǎng)用能負(fù)荷較大且波動(dòng)較小，非常適合建設(shè)天然氣分布式供能系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外已有較多大型樞紐機(jī)場(chǎng)建設(shè)天然氣分布式供能系統(tǒng)，如國(guó)外的肯尼迪機(jī)場(chǎng)、吉隆坡機(jī)場(chǎng)、素萬(wàn)那普機(jī)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的黃花機(jī)場(chǎng)和本文的華東某樞紐機(jī)場(chǎng)。

根據(jù)民航業(yè)節(jié)能減排“十三五”規(guī)劃及華東某樞紐機(jī)場(chǎng)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃要求，該機(jī)場(chǎng)將深入推進(jìn)綠色民航發(fā)展，全面降低能耗，減少碳排放，提高清潔能源利用率。除不斷優(yōu)化已建成的天然氣分布式供能系統(tǒng)外，機(jī)場(chǎng)在擴(kuò)建T3航站樓時(shí)將考慮新增一套天然氣分布式供能系統(tǒng)。本文通過(guò)分析該機(jī)場(chǎng)原有天然氣分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及T3航站樓的用能特性，建立T3航站樓用能負(fù)荷模型，并由此進(jìn)行新天然氣分布式供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 原天然氣分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

華東地區(qū)某樞紐機(jī)場(chǎng)于1999年在1#能源中心建設(shè)了一套天然氣分布式供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“大集中、小分散”的方案，對(duì)地理位置相對(duì)集中的T1航站樓，商務(wù)辦公、賓館、貨運(yùn)、航空食品加工企業(yè)進(jìn)行集中供能。此分布式供能系統(tǒng)配置1臺(tái)4 000 kW燃?xì)猓ㄓ停┹啓C(jī)，1臺(tái)11 t/h余熱蒸汽鍋爐及4臺(tái)雙效蒸汽溴化鋰機(jī)組。

此天然氣分布式供能系統(tǒng)所發(fā)電量采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式。用能單位優(yōu)先使用分布式供能系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽，若提供的蒸汽過(guò)量則通過(guò)溴化鋰機(jī)組制冷，蒸汽、冷量需求不足時(shí)通過(guò)調(diào)峰設(shè)備補(bǔ)給。根據(jù)1#能源中心調(diào)研數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組實(shí)際的平均發(fā)電功率約3 300 kW，余熱產(chǎn)蒸汽量約8 t/h。系統(tǒng)年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

該系統(tǒng)年節(jié)能率約11%，減排率約43.8%，有效提高了機(jī)場(chǎng)能源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)了集中向周邊用戶提供冷熱電能，為機(jī)場(chǎng)建設(shè)清潔能源項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。因此在擴(kuò)建T3航站樓時(shí)，擬規(guī)劃新增一套天然氣分布式供能系統(tǒng)。

2 機(jī)場(chǎng)負(fù)荷特性

天然氣分布式供能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮用戶的用能需求和負(fù)荷特點(diǎn)，確保冷、熱、電三種能源的供需平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、高效性和經(jīng)濟(jì)性。

本文根據(jù)T3航站樓冷、熱、電能變化特點(diǎn)的前期調(diào)研結(jié)果，建立該航站樓的用能負(fù)荷模型，并以該模型為基礎(chǔ)，按照機(jī)場(chǎng)用能特性來(lái)進(jìn)行天然氣分布式供能系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。

2.1 冷負(fù)荷特性

機(jī)場(chǎng)航站樓供冷季有大量冷負(fù)荷需求，T1和T2航站樓均由配套能源中心集中供冷。各航站樓的月平均冷負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

圖1 T1和T2航站樓冷負(fù)荷曲線

從圖1可以看出，供冷季T1航站樓平均冷負(fù)荷為11 248 kW，T2航站樓平均冷負(fù)荷為18 754 kW。

2.2 熱負(fù)荷特性

航站樓在采暖季有大量采暖熱負(fù)荷需求，能源站集中供應(yīng)蒸汽至航站樓，通過(guò)汽水板換熱、水板換熱產(chǎn)生采暖熱水供航站樓采暖使用，另外航站樓部分餐飲及貴賓樓全年有生活熱水需求。T1和T2航站樓的月平均熱負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 T1和T2航站樓熱負(fù)荷曲線

2.3 電負(fù)荷特性

機(jī)場(chǎng)全年總用電量較大且逐年呈上升趨勢(shì)，季節(jié)性變化較為明顯。夏季達(dá)到峰值，過(guò)渡季節(jié)和冬季略有下降。T1和T2航站樓的重點(diǎn)用能單位月平均電負(fù)荷變化見(jiàn)圖3。

圖3 T1和T2航站樓電負(fù)荷曲線

從圖3可以看出，機(jī)場(chǎng)航站樓平均用電負(fù)荷波動(dòng)較小，T1航站樓全年平均電負(fù)荷約為7 641 kW，T2航站樓約為9 218 kW。此外，根據(jù)機(jī)場(chǎng)某10 kV變電站的逐時(shí)電流數(shù)據(jù)計(jì)算分析，可得T1航站樓全年逐時(shí)電負(fù)荷數(shù)據(jù)的變化見(jiàn)圖4。

圖4 某10 kV母線逐時(shí)電負(fù)荷曲線

從圖4可以看出，電負(fù)荷全天24小時(shí)的變化較平穩(wěn)。T1航站樓全年逐時(shí)電負(fù)荷變化趨勢(shì)與圖3中T1和T2航站樓的月平均用電負(fù)荷變化規(guī)律一致，該電負(fù)荷變化情況同樣適用于其他航站樓。

3 新增天然氣分布式供能系統(tǒng)方案

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析計(jì)算可以得出T1和T2航站樓單位建筑面積的冷負(fù)荷指標(biāo)、熱負(fù)荷指標(biāo)及電負(fù)荷指標(biāo)，各能耗指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 T1、T2航站樓單位建筑面積能耗指標(biāo)

從表2可以看出，T2航站樓單位建筑面積各能耗指標(biāo)均比T1航站樓的低，原因是T2航站樓在設(shè)計(jì)中考慮了被動(dòng)設(shè)計(jì)方案，即采用了自然采光、自然通風(fēng)、局部大空間分層等能有效降低航站樓建筑能耗的技術(shù)。未來(lái)T3航站樓的設(shè)計(jì)方案同樣會(huì)充分采用節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)模式。因此在進(jìn)行T3航站樓能耗預(yù)估時(shí)，將參照T2航站樓的能耗指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。T3航站樓冷、熱、電平均負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 T3航站樓平均負(fù)荷預(yù)測(cè)

根據(jù)表3預(yù)測(cè)的T3航站樓冷、熱、電平均負(fù)荷數(shù)據(jù)，新增的天然氣分布式供能系統(tǒng)采用“以熱定電、熱電平衡、電力并網(wǎng)不上網(wǎng)”的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)的裝機(jī)規(guī)模約6 MW左右，滿足航站樓部分穩(wěn)定用能，系統(tǒng)全天16 h運(yùn)行，供能不足可由市電及調(diào)峰設(shè)備補(bǔ)充。原動(dòng)機(jī)的配置可有多種方案，可選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)原動(dòng)機(jī)的供能特點(diǎn)，本文提出兩種不同主機(jī)設(shè)備的供能系統(tǒng)配置方案，具體的裝機(jī)方案及供能模式見(jiàn)表4。

表4 T3航站樓天然氣分布式供能系統(tǒng)配置方案

上述兩種系統(tǒng)配置方案主機(jī)設(shè)備選擇不同形式，最終的供能方式也有區(qū)別。

方案一的系統(tǒng)流程圖中(見(jiàn)圖5)，原動(dòng)機(jī)采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組的發(fā)電效率較高，煙氣和缸套水的余熱進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生冷凍水或熱水供航站樓制冷、采暖使用。該方案供能管道為水管，后期運(yùn)行維護(hù)便捷。

方案二的系統(tǒng)流程圖中(見(jiàn)圖6)，原動(dòng)機(jī)采用燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，煙氣余熱進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，蒸汽可同時(shí)供航站樓、周邊機(jī)務(wù)區(qū)或商飛工廠的工藝生產(chǎn)使用，夏季蒸汽需求較少時(shí)，多余蒸汽可通過(guò)蒸汽型溴化鋰機(jī)組制冷供航站樓使用。該方案的供能管道為蒸汽管，占地面積較小，但后期運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。

圖5 方案一系統(tǒng)流程

圖6 方案二系統(tǒng)流程

上述兩種方案的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5。

根據(jù)表5可知，建筑面積約60 萬(wàn)m2的航站樓可配置總裝機(jī)規(guī)模約6 000 kW的分布式供能系統(tǒng)。

表5 兩種方案的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)

方案一：該系統(tǒng)全年可提供約2 967 萬(wàn)kWh電能，約2 645 萬(wàn)kW·h的冷、熱能，系統(tǒng)全年運(yùn)行凈收益超過(guò)2 000 萬(wàn)元，與傳統(tǒng)供能方式相比，全年可節(jié)約大約2 910 t標(biāo)準(zhǔn)煤，年節(jié)能率約為24.8%，全年減排CO2約20 800 噸；

方案二：該系統(tǒng)全年可提供約2 491 萬(wàn)kW h電能，約5.6 萬(wàn)噸的蒸汽，系統(tǒng)全年運(yùn)行凈收益約1 628 萬(wàn)元，全年可節(jié)約大約3 695 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年節(jié)能率約為25.4%，全年減排CO2約19 520 噸。

由此可見(jiàn)天然氣分布式供能系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用是在不降低機(jī)場(chǎng)能源服務(wù)質(zhì)量的前提下，綜合、高效的為機(jī)場(chǎng)降低能耗、減少碳排。同時(shí)系統(tǒng)可作為機(jī)場(chǎng)的備用電源，在市電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，能保障機(jī)場(chǎng)重要用電設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，系統(tǒng)每年的運(yùn)行收益較高，還能夠?yàn)闄C(jī)場(chǎng)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收益。因此，天然氣分布式供能系統(tǒng)是非常適合在機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的清潔能源技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析機(jī)場(chǎng)航站樓的用能特點(diǎn)和單位建筑面積能耗指標(biāo)，研究預(yù)測(cè)了機(jī)場(chǎng)未來(lái)擴(kuò)建T3航站樓的用能負(fù)荷，表明T3航站樓用能負(fù)荷較大且穩(wěn)定，十分適合建設(shè)天然氣分布式供能系統(tǒng)。L另外根據(jù)T3航站樓的冷、熱、電能負(fù)荷數(shù)據(jù)，采用不同原動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)配置方案以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明天然氣分布式供能系統(tǒng)不僅降低了機(jī)場(chǎng)能耗及CO2排放，提升了清潔能源在機(jī)場(chǎng)能源供應(yīng)中的占比，優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)，還可以作為備用電源保障機(jī)場(chǎng)重要負(fù)荷安全穩(wěn)定地運(yùn)行。天然氣分布式供能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣能源的高效利用，為機(jī)場(chǎng)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

天然氣分布式供能系統(tǒng)是提高機(jī)場(chǎng)環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重要技術(shù)之一，可在機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域大力推廣應(yīng)用，為機(jī)場(chǎng)的綠色發(fā)展提供切實(shí)保障，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域“綠色民航、綠色交通”的目標(biāo)，值得推廣和復(fù)制。