浦东国际机场能源中心燃气分布式供能系统运行情况与技术经济分析

林在豪

1 概述

浦东国际机场总体规划面积32km2。一期工程为12km2，南北长约8km，东西长约4km。所需供热供冷用户遍布整个机场。供热供冷能源中心方案于1996年底经公开招标，最终选定华东建筑设计院《汽电共生，热、冷、电三联供》方案。

能源中心设计采用大集中、小分散，对相对集中的航站楼，商务办公、宾馆、货运、航空食品加工等十二个支项由能源中心集中供应。总服务建筑面积60余万m2，其它由各用户分散采用常规供热、供冷。

一期能源中心属于热、冷电联供区域式的能源中心。设置一台4000kW燃气（油）轮机配9.7t/h余热蒸汽锅炉。外配总量为110t/h辅助燃气（油）蒸汽锅炉和4台双效蒸汽溴化锂机组，6台电动离心制冷机组，总制冷量为85796kW。其中燃气轮机，余热锅炉设备费2825万元，包括土建，安装等合计总投资为3600万元。能源中心1997年立项，自1999年10月建成投产以来，运行正常，有力地保障机场安全运行。

2 运行情况

2.1 安装及调试

燃气轮机系统于1999年4月开始安装，7月安装完成即进行不带负荷条件下试车，并取得成功。2000年4月通过最后验收，交付使用。最大负荷达4300kW，蒸汽产量11 t/h。

2.2 投产初期

由于受当时政策限制，燃气轮机发电不能并网运行。发出电力只能在能源中心内部消耗、孤网运行。原办公楼由电动热泵采暖，后改为蒸汽热源。由于设计条件变化，冬季电力负荷严重不足，燃气轮机不能正常商业运行。只能进行操作培训和测试机组特性，间断运行。期间积累运行经验和资料。

2.3 并网运行

在上海市有关部门大力支持下，1999年5月由浦东国际机场建设指挥部召集上海市经委节能办、上海市电力局用电处、浦东供电所高压监察调度及机场有关职能部门，对由华东电力设计院承担的浦东国际机场能源中心热电冷三联供机组并网基本设计（代扩初设计）进行审查。根据【沪】经节（98）第483号的《上海市企业资源综合利用发电认证管理办法》明确表示项目为资源综合利用项目。一致同意并网运行。若运行良好，鼓励上第二台相类似机组，并与35kV变电站并网运行。会上明确了具体并网5点原则意见。

2001年7月起正式与航飞站1#35kV主变并网运行，并网点在一段10kV母线上。实施后发现，由于受现场设备限制，存在三个开关，只能合两个开关。由此造成当外线故障、1#主变跳闸时存在燃机并网，而不会在2.5秒自切。可能要等燃机先解列，然后运行人员手动操作。而要延长恢复供电时间，会影响至一段10kV母线下各使用者，而且该并网点负荷只有2000kW左右，月发电量只在5万～30万kWh之间。燃机运行经济性仍较差，很难投入商业运行。

表1 2002.7～2002.12运行情况

2002年6月第二次改造并网点负荷，将负荷较大且稳定负荷调整到并网点上。从而确保燃机自2002年7月起能以70～80%额定功率运行。运行情况见表1。

2.4 天然气供气压力问题

根据供气协议，天然气进机场压力为2.5MPa，大于燃气轮机工作压力。为此机场专门设置燃气调压站，降压至燃气轮机正常所需1.5MPa。自2002年开始，天然气高峰用气时段供气压力明显下降，以致经常性供气压力不保证。甚至，发展到不经调压器压力也不能满足燃机工作压力。虽然燃气轮机为油气两用，当燃气压力不足时可以自切用油工作。由于油价高于天然气价10%～50%，当时气价为1.9元/m3，柴油中间价在3200元/t。仅2002.7～2002.12经常以油代气，运行成本油比气贵，差价达92万元。

2003年、2004年天然气供气压力逐年下降，使用轻柴油量不断增加。用油不但增加运行成本，而且还带耒燃机燃烧室、喷嘴、透平叶片污染增加，从而增加拆装和清洗频率。

随着经济性不断下滑，2004年开机率明显下降。要解决天然压力供需矛盾，只能靠增加燃气增压机。为此需200～300万元改造费，但它可从节省的燃料费解决，从根本上解决供气压力不足带来一系列问题。机场决定启动增加天然气增压机改造，并于2005年改造完成。表2为燃气增压机改造前后运行情况。

2.5 正常运行

4000kW燃气轮机组自建成后，经历了孤网运行困难、二次并网改造、天然气供气压力不稳到不能满足燃气轮机正常工作，直至增设天然气增压机的改造。前后历经4年，从2005年起正式步入符合设计正常运行要求，实现节能减排且有良好经济效益目的。

2.6 维护及维修

燃气每年有易损件如过滤器等的更换、清洗。目前正常运行年份的备品备件费为50～60万元/年，常规维修费为45万元/年，2009～2011年每年维修保养临时故障停机时间见表3。

燃机从2001年投运以来到2011年10月共累计运行了33000h。按规定大修时间30000h。从2011年10月停机拆卸燃气轮机主体，再由工厂提供“新”的燃机主体，包括去回海运2个月，到重新投入正常运行，总大修停机时间最短在2.5个月。大修费用为760百万元。接下来计划用2～3年时间对控制系统进行逐步改造，估计费用约为2～3百万元。

表2 2003～2005年燃气增压机改造前后运行情况

表3 2009～2011年燃机维修保养停机天数

3 热电冷三联供机组选择技术条件分析

3.1 热电冷三联供机组选型及运行策略

机场能源中心供应航站楼、商务办公、宾馆、食品加工等，一期服务建筑面积为60多万m2。热负荷有采暖、生活热水和生产性用热，夏季供应溴化锂制冷。最大设计供热量为67497kW（其中航站楼43000kW），生活生产用热9420kW。总供冷量为85796kW（其中航站楼54600kW）。

三联供主机容量按以热定电、热电平衡原则，选择一台4000kW燃气（油）轮机配置6090（9.7 t/h）余热蒸汽锅炉，供汽压力0.9MPa。具有余热量大，余热蒸汽参数较高，机组具有容量较大且有长期运行较稳定的特点。余热锅炉蒸汽不足部分由设置3台18837kW（30 t/h）加1台12558kW（20 t/h）即总共为69069kW（110 t/h）的辅助燃气（油）蒸汽锅炉供给。供冷由4台5274kW/台蒸汽溴化锂制冷机组和6台电动制冷机组组成，总供冷能力为85796kW。燃气轮机产生的余热冬季供暖等，夏季供溴化锂制冷，发电并网实现热电冷三联供。机组每天7～22点（谷时停机）16小时运行，常年无休。

冬季（采暖）：1～3月和12月都有采暖负荷，期间余热锅炉生产热量全部并入辅助锅炉蒸汽系统分汽缸。在余热锅炉优先原则下，根据分汽缸压力适时启动辅助锅炉补充。

夏季：5～10月余热锅炉蒸汽稳定供给一台双效蒸汽溴化锂机组制冷，余量并入辅助锅炉蒸汽系统。由于当时供电紧缺大背景形势下，设计加大了非电制冷比例达25%。因1台机组余热锅炉供气有限，要增开溴化锂机组就需辅助锅炉供汽而直接由锅炉产汽制冷，不符节能要求。第2套燃气机组未上，因而造成溴化锂机组利用率严重不足，配置过大。

过渡季：4月份是既不采暖又不供冷月份。余热锅炉供热对象只剩下生活热水和生产用汽，也是不稳定。其时只有1884kW(3t/h)，晚间更小只有1255kW（2t/h）左右。不过最低负荷也只10多天左右，即便如此辅助锅炉需要保压，还要不定时启动。

3.2 余热锅炉蒸汽在全年供热系统中的比重

从历年统计数据显示，虽然机组配置的余热蒸汽锅炉只有6090kW(9.7 t/h)，占总供热量10%左右，因它全年有4000多h且在较高负荷率条件下运转。余热蒸汽在全年总供热量中占有较高比例。2005年余热锅炉产汽和辅助锅炉产汽情况见表4，从表4可见：全年热负荷高峰在1～3月和12月，属采暖为主典型性质。正常情况下，1～3月和12月是全年热负荷55%左右，而余热锅炉提供的蒸汽占这4个月总量16.4%；全年最低热负荷4月份，余热锅炉可提供43%负荷。5月份开始每月可以供应3000多t蒸汽给溴化锂机组制冷。8月份开始燃气轮机出现较小故障，未能及时排除，影响了运行时间。余热锅炉蒸汽明显减少。但即使有5个月燃机未能正常发挥作用条件下，全年产汽量也达到284699 t，占全年总产汽量26.3%。

2008年浦东国际机场二期工程建成投产。二期能源中心锅炉房只有冬季采暖热负荷，并与一期能源中心辅助锅炉蒸汽管联网运行，以达到充分利用一期辅助锅炉余量减少二期锅炉初投资，又可提高可靠性。其中一期辅助锅炉产汽有部分供给了二期使用。因此总量明显增加，余热蒸汽产量维持正常，占总产汽量比例所以有所下降。从表5可见，余热锅炉正常年份可供蒸汽3.5～4万t左右。按辅助锅炉产汽耗气指针平均为76m3/t计，每年可以节约天然气约266～304万m3。节能减排作用明显，同时也证明只有全年发电机有较高负荷率所产生的余热充分利用，才能有好的经济性和环保又节约资源的优越性。

表4 2005年余热蒸汽锅炉和辅助蒸汽锅炉产汽表

表5 2007～2010年余热锅炉产汽占全年总供应量

4 热电冷三联供经济分析

4.1 供应溴化锂机组余热锅炉蒸汽价值

余热锅炉产出的蒸汽价值，随供应对象不同也应有变化。对于直接用热方式的如采暖、生活热水、生产蒸汽都应与辅助锅炉蒸汽同价。对于供应溴化锂机组的蒸汽，因热能利用要经过热能转换而造成损失，与锅炉蒸汽同价不合理，应采用本系统电制冷生产相同冷量所消耗电能成本和蒸汽制冷消耗蒸汽热价相等，即等效成本。近几年电动制冷机组COP变动情况见表6。

表6 2009～2011年电动制冷机组COP变动情况

当市电价0.98元/kWh时，电制冷1kWh时，电能价为双蒸汽溴化锂制冷机组，当蒸汽压力为0.8MPa时，正常蒸汽能耗指标为≤1.28kg/kWh。本计算采用1.3kg/kWh。

蒸汽获得1kWh冷量与电能等效价值时应为

4.2 辅助锅炉蒸汽成本价

占蒸汽成本近80%的天然气价格，近年在不断提升。所以蒸汽价也在不断变动中。根据机场能源中心提供的不同时段天然气价格见表7。

表7 供应辅助锅炉不同时段天然气价目

按表7天然气价，机场能源中心提供的辅助锅炉产汽成本分析见表8。

表8 辅助锅炉产汽成本分析

表9 2010年度能源中心产出月度报表

4.3 2010年热电冷三联供机组运行情况分析

2010年能源中心热电冷三联供生产月度运行情况见表9。

1）余热锅炉产汽情况分析

余热锅炉全年产汽量（t/a）43877

余热锅炉供溴化锂制冷蒸汽量（t）13083

余热蒸汽供采暖、生活、生产蒸汽（t）30794

2）余热锅炉蒸汽收益

采暖、生活、供暖收益：

304元/t×30794t=9361376元

供溴化锂蒸汽收益：

188元/t×13083t=2459604元

合计9361376元+2459604=11820980元

3）全年发电收益

全年发电量（kWh）17503672

自用电量（kWh）478132

当年平均电价0.98元/kWh

全年发电收益（元）0.98元/kWh×（17503672kWh-478132kWh）=16685029元

4）余热锅炉生产辅助费

参照辅助锅炉生产成本，其中

水、盐、电，除氧、排污各项总计2816994元

5）燃气轮机天然气价

按不同时段计价及超量优惠价，见表10。

燃气轮机1～7月耗气量8万m3以内及超出8万m3天然气支付费用合计:

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

表10 供应燃气轮机不同时段、不同耗量天然气价目

燃气轮机8～12月耗气量8万m3以内及超出8万m3天然气支付费用合计:

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

全年天然气支付费用为

8132020元+6639193元=14771213（元）

6）能源中心热电冷三联供机组经济分析汇总

见表11。

5 技术性指标

5.1 2010年热电冷联供机组总热效率

总热效率=[供热量+供电量×3600kJ/kWh]/燃料总耗量×燃料低热值

表11 能源中心热电冷三联供机组经济分析汇总

5.2 2010年热电冷三联供机组热电比

5.3 2010年热电冷三联供机组节煤量

节煤量=生产余热锅炉蒸汽按常规蒸汽锅炉所需标煤耗+燃机发电量按市电单耗需耗标准煤耗-热电冷三联供机组实际燃料折算标煤量

生产余热锅炉蒸汽按上海市2010年燃气、燃油、燃煤10 t/h小型锅炉实际平均效率为0.73时，

生产余热蒸汽量所需标煤量

生产燃机发电量折算成市电单耗（包括6%线损）时，为336.0g/kWh，

发电所需标煤量

热电冷联产机组实际耗用天然气折算成标煤

5.4 减排量

热电冷三联供系统减排CO2与SO2：

每年CO2减排量=2474t×2.6=6432t

每年SO2减排量=2474×0.024=59.4t

6 结语

1）热电联供系统实现发电并网运行，对提高系统稳定性和可操作性起重要作用。正确选择并网点且充足以及稳定电负荷是保证长期安全，经济运行必要条件。

2）天然气价格变动对热电联供系统经济性最敏感。

3）余热锅炉容量虽只是辅助锅炉的不大比例，但年运行时间长，它却提供了全年总供气量1/3甚至更多，节能效果显著。

4）机组的经常性维修、保养以及大修实际停机时间和费用是一个不小数字，对投资回收年限造成一定影响。

5）余热锅炉产汽一般性直接用的热价和供蒸汽溴化锂制冷的热价合理计算，将对系统经济性产生重要影响。

建议：分布式供能系统热电联供具有明显节能减排，夏季消电峰、填气谷，社会效益明显。对确有成效、节能减排效果明显的案例，按节能减排成果大小，政府有关部门应制订并落实节能减排激励机制。

注：本文的投资中未包括因为贷款而发生的财务费用。该费用由浦东机场整个项目中统一列支，未具体分摊到能源中心项目。