天然气分布式能源在某机场项目中的设计应用

徐静静，张珍，杨竹，宋洪涛

(1.华电分布式能源工程技术有限公司，北京　100070； 2.国家能源分布式能源技术研发中心，北京　100070)



天然气分布式能源在某机场项目中的设计应用

徐静静1，张珍1，杨竹1，宋洪涛2

(1.华电分布式能源工程技术有限公司，北京100070； 2.国家能源分布式能源技术研发中心，北京100070)

摘要：以某机场分布式能源项目设计为例，分别从负荷分析、主设备选型、系统运行经济性等角度对天然气分布式能源系统设计进行了介绍，分析了机场冷、热、电负荷的变化特点及趋势，论证了机场应用分布式能源比传统供能方式具有较大优势。

关键词：分布式能源；机场；负荷分析；运行经济性

0引言

自20世纪70年代能源危机以来，能源问题已成为世界科学家们重点关注的问题之一，尤其对于中国，如何实现能源、环境和经济的协调发展已成为困扰人们的重大课题。

分布式能源系统是相对于传统的集中式能源生产与供应模式(主要代表形式是大电厂加大电网)而言的，是靠近用户端直接向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统。天然气分布式能源作为分布式能源的重要形式，以天然气为燃料，通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，是实现天然气高效利用和结构优化的重要途径。目前，欧美国家正在启动“智慧能源”革命，天然气分布式供能是其核心技术。分布式供能系统已被作为《国家科学技术中长期规划》能源领域四项前沿技术之一，同时也被列入我国战略性新兴产业发展规划，是实现“十二五”期间大幅节能的重要技术[1-3]。

机场的冷热负荷相对稳定，建筑物比较集中，负荷需求时间较长，适合采用天然气分布式能源的供能方式。目前，国内外已有很多机场采用了天然气分布式能源的先进供能方式：国外有马德里Barajas机场、纽约JFK机场、底特律Mc Namara机场、米兰linate机场、伦敦Heathrow机场等，国内有长沙黄花机场、上海浦东国际机场等。

国内某机场规划建设1座天然气分布式能源站，主要满足机场近期的主要冷、热负荷及部分电力负荷需求。该机场定位为具有一定国际竞争力的大型枢纽机场，总建筑面积为航站楼56万m2、机场酒店10万m2、机场换乘中心8万m2，共74万m2。本文结合该项目设计案例，从负荷分析、设备选型及运行经济性等角度对机场采用分布式能源系统的设计原则及方案进行初步探索。

1负荷分析

分布式能源系统与常规较大规模的热电联产机组有着本质的区别，分布式能源系统以满足用户冷热负荷为主，发电只是其附属产品。因此，分布式能源系统设计中应根据用户的能源需求种类和特点，以冷、热负荷需求为主，兼顾电负荷需求综合确定系统形式、装机容量和运行模式，实现系统的合理配置及高效运行。

在项目规划和初步设计阶段，指标法作为简洁、有效的建筑能耗估算方法得到了广泛应用[4-5]。该项目结合项目所在地区的气候特点，综合建筑功能、楼内人员密度、设备照明、使用时间等因素，对该机场全年的冷、热、电负荷进行了的能耗分析计算，得出该项目设计负荷如下：设计冷、热、电负荷分别为 70 688，31 662，28 241 kW，平均生活热水负荷为1 780 kW，生活热水最大热负荷为4 448 kW。全部建筑的冷负荷典型日及全年的预测结果如图1～2所示。

从图1～2中可以看出，不同功能建筑的冷负荷峰值出现的时段不同，如航站楼、换乘中心负荷峰值区间出现在15:00—16:00时，酒店负荷峰值区间出现在13:00—14:00时，航站楼所占冷负荷比例较大，典型日的逐时冷负荷变化趋势与航站楼的负荷变化趋势接近。同时，由于冷热负荷受外界环境温度影响较大，制冷季初期及后期负荷较小，最大冷负荷出现在7月中旬。热负荷及电负荷的变化也主要受建筑物功能及外界环境温度的影响，如图3～8所示。

图1　典型日冷负荷变化

图2　全年逐时冷负荷变化

图3　典型日热负荷变化

图4　全年逐时热负荷变化

图5　夏季典型日电负荷变化

图6　冬季典型日电负荷变化

图7　过渡季典型日电负荷变化

图8　全年逐时电负荷变化

2设备选型及分析

在充分研究项目冷、热、电负荷的基础上，为了提高系统综合能源利用效率、降低运行成本，系统以“以热(冷)定电、欠匹配”为原则合理配置机组形式和容量[6-8]。目前，三联供系统中应用较多的发电机形式有燃气轮机、燃气内燃机和微燃机，余热利用设备有各种形式的余热吸收式空调机组。根据该项目的负荷特点及运行规律，采用燃气内燃机组更适合该项目的供能特点。燃气内燃机系统满足设计稳定负荷，通过调峰设备满足最大负荷需求，保证主机系统正常运行处于高效状态。

该项目所发电力采用“并网不上网，电网备用”的设计原则，同时根据项目负荷分析，设计冷负荷为70 688 kW，稳定冷负荷约为10 000 kW，设计热负荷为31 662 kW，稳定热负荷约为8 000 kW，按照以冷(热)定电、冷(热)电平衡的设计原则，燃气发电机组总发电容量在8～12 MW等级，综合年供能量及财务分析结果，确定项目装机容量定为10 MW等级，采用4台JMS616型(额定功率2 677 kW)燃气内燃机。

分布式能源中心余热利用工艺需综合考虑发电机组的种类、热效率、余热品质等参数。根据项目情况及燃气内燃机的余热利用特点，该项目选用4台2 326 kW烟气热水型溴化锂机组，确保达到较高的余热利用率。

同时，该项目“欠匹配”部分冷、热负荷采用调峰设备来满足，从设备投资、运行维护、占地等角度综合考虑采用5台5 977 kW水冷机组及4台5 600 kW燃气锅炉。由于该项目所在地区实行峰、谷、平电价，空调负荷昼夜差较大，非常适合采用蓄冷技术，但考虑到项目为机场供能，能源站用地紧张，方案中供冷系统中采用了部分冰蓄冷，选用5台3 014 kW双工况水冷机组。

3经济可行性分析

在机场总供能面积为74万m2、年供冷量、年供热量、年供生活热水量相同的条件下，分析对比分布式能源供能与机场常规供能方式的技术经济性(见表1)，常规方式采用燃气锅炉+电制冷方式。

从表1中可以看出，建设分布式能源站与机场采用常规供能方式相比而言，在同样的冷热量需求下，分布式能源站不仅可以为机场提供优惠于常规供能系统的冷、热、电价，同时也可为机场自身节省常规供能方式的初投资及年运行成本等费用。项目建成后，与同容量常规供能系统相比，该项目年节约标准煤6 115.76 t/a，节能率为33.7%，年CO2减排2.3万t/a，减排率为53.0%，具有较好的环境效益。

表1　分布式能源与常规供能方式对比

4结论

(1)分布式能源系统具有安全、可靠的特点，与电网可互为补充，互为备用。能源站的建设不仅保障了机场的热电供应，而且可以进一步提高机场供能的经济、安全和可靠性，替代机场备用电源，为机场节省应急电源投资费用。

(2)机场具有稳定的冷热负荷需求，且冷热负荷持续时间长，较适合采用分布式能源供能系统。同时，与常规供能方式相比，分布式能源可提供更优惠的能源价格。

(3)该项目燃用清洁燃料，采用燃机内燃机分布式能源技术，热效率高，环境效益突出。项目建成后，与同容量常规供能系统相比，每年节约标准煤6 115.76 t，节能率为33.7%，每年CO2减排2.3万t。

(4)随着国内天然气定价机制的不断完善，天然气分布式能源将进入良性发展阶段。

参考文献：

[1]冯志兵，金红光.冷热电联产系统的评价准则[J].工程热物理学报，2005,26(5)：725-728.

[2]陈拓发，荆有印，李婷.天然气冷热电联供系统在某商场建筑中的应用分析[J].节能，2012(3)：35-38.

[3]吴大为，王如竹.分布式能源定义及其与冷热电联产关系的探讨[J].制冷与空调，2005(5)：1-6.

[4]金红光，郑丹星，徐建中.分布式冷热电联产系统装置及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[6]朱奋飞.燃气冷热电三联供系统发电设备容量选择[J].暖通空调，2012，42(10)：100-103.

[7]林世平，李先瑞，陈斌.燃气冷热电分布式能源技术应用手册[M].北京：中国电力出版社，2014.

[8]张洪伟，龙妍，黄素逸.分布式能源系统的方案选择及性能分析[J].暖通空调，2004，34(5)：47-51.

(本文责编：白银雷)

收稿日期:2015-11-26；修回日期:2016-02-28

中图分类号：TM 91

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)03-0071-03

作者简介：

徐静静(1986—)，女，山东临沂人，工程师，工学硕士，从事燃气分布式能源系统的设计及研发方面的工作(E-mail:044xujingjing@163.com)。

资金项目：国家能源分布式能源技术研发中心项目(CHEC-KJ1-2015)；华电科工科技项目(CHEC-KJ1-2015)