浦東國際機場能源中心燃氣分布式供能系統運行情況與技術經濟分析

2012-07-19 01:17:38林在豪

上海節能 2012年9期

林在豪

1 概述

浦東國際機場總體規劃面積32km2。一期工程為12km2，南北長約8km，東西長約4km。所需供熱供冷用戶遍布整個機場。供熱供冷能源中心方案于1996年底經公開招標，最終選定華東建筑設計院《汽電共生，熱、冷、電三聯供》方案。

能源中心設計采用大集中、小分散，對相對集中的航站樓，商務辦公、賓館、貨運、航空食品加工等十二個支項由能源中心集中供應。總服務建筑面積60余萬m2，其它由各用戶分散采用常規供熱、供冷。

一期能源中心屬于熱、冷電聯供區域式的能源中心。設置一臺4000kW燃氣（油）輪機配9.7t/h余熱蒸汽鍋爐。外配總量為110t/h輔助燃氣（油）蒸汽鍋爐和4臺雙效蒸汽溴化鋰機組，6臺電動離心制冷機組，總制冷量為85796kW。其中燃氣輪機，余熱鍋爐設備費2825萬元，包括土建，安裝等合計總投資為3600萬元。能源中心1997年立項，自1999年10月建成投產以來，運行正常，有力地保障機場安全運行。

2 運行情況

2.1 安裝及調試

燃氣輪機系統于1999年4月開始安裝，7月安裝完成即進行不帶負荷條件下試車，并取得成功。2000年4月通過最后驗收，交付使用。最大負荷達4300kW，蒸汽產量11 t/h。

2.2 投產初期

由于受當時政策限制，燃氣輪機發電不能并網運行。發出電力只能在能源中心內部消耗、孤網運行。原辦公樓由電動熱泵采暖，后改為蒸汽熱源。由于設計條件變化，冬季電力負荷嚴重不足，燃氣輪機不能正常商業運行。只能進行操作培訓和測試機組特性，間斷運行。期間積累運行經驗和資料。

2.3 并網運行

在上海市有關部門大力支持下，1999年5月由浦東國際機場建設指揮部召集上海市經委節能辦、上海市電力局用電處、浦東供電所高壓監察調度及機場有關職能部門，對由華東電力設計院承擔的浦東國際機場能源中心熱電冷三聯供機組并網基本設計（代擴初設計）進行審查。根據【滬】經節（98）第483號的《上海市企業資源綜合利用發電認證管理辦法》明確表示項目為資源綜合利用項目。一致同意并網運行。若運行良好，鼓勵上第二臺相類似機組，并與35kV變電站并網運行。會上明確了具體并網5點原則意見。

2001年7月起正式與航飛站1#35kV主變并網運行，并網點在一段10kV母線上。實施后發現，由于受現場設備限制，存在三個開關，只能合兩個開關。由此造成當外線故障、1#主變跳閘時存在燃機并網，而不會在2.5秒自切。可能要等燃機先解列，然后運行人員手動操作。而要延長恢復供電時間，會影響至一段10kV母線下各使用者，而且該并網點負荷只有2000kW左右，月發電量只在5萬～30萬kWh之間。燃機運行經濟性仍較差，很難投入商業運行。

表1 2002.7～2002.12運行情況

2002年6月第二次改造并網點負荷，將負荷較大且穩定負荷調整到并網點上。從而確保燃機自2002年7月起能以70～80%額定功率運行。運行情況見表1。

2.4 天然氣供氣壓力問題

根據供氣協議，天然氣進機場壓力為2.5MPa，大于燃氣輪機工作壓力。為此機場專門設置燃氣調壓站，降壓至燃氣輪機正常所需1.5MPa。自2002年開始，天然氣高峰用氣時段供氣壓力明顯下降，以致經常性供氣壓力不保證。甚至，發展到不經調壓器壓力也不能滿足燃機工作壓力。雖然燃氣輪機為油氣兩用，當燃氣壓力不足時可以自切用油工作。由于油價高于天然氣價10%～50%，當時氣價為1.9元/m3，柴油中間價在3200元/t。僅2002.7～2002.12經常以油代氣，運行成本油比氣貴，差價達92萬元。

2003年、2004年天然氣供氣壓力逐年下降，使用輕柴油量不斷增加。用油不但增加運行成本，而且還帶耒燃機燃燒室、噴嘴、透平葉片污染增加，從而增加拆裝和清洗頻率。

隨著經濟性不斷下滑，2004年開機率明顯下降。要解決天然壓力供需矛盾，只能靠增加燃氣增壓機。為此需200～300萬元改造費，但它可從節省的燃料費解決，從根本上解決供氣壓力不足帶來一系列問題。機場決定啟動增加天然氣增壓機改造，并于2005年改造完成。表2為燃氣增壓機改造前后運行情況。

2.5 正常運行

4000kW燃氣輪機組自建成后，經歷了孤網運行困難、二次并網改造、天然氣供氣壓力不穩到不能滿足燃氣輪機正常工作，直至增設天然氣增壓機的改造。前后歷經4年，從2005年起正式步入符合設計正常運行要求，實現節能減排且有良好經濟效益目的。

2.6 維護及維修

燃氣每年有易損件如過濾器等的更換、清洗。目前正常運行年份的備品備件費為50～60萬元/年，常規維修費為45萬元/年，2009～2011年每年維修保養臨時故障停機時間見表3。

燃機從2001年投運以來到2011年10月共累計運行了33000h。按規定大修時間30000h。從2011年10月停機拆卸燃氣輪機主體，再由工廠提供“新”的燃機主體，包括去回海運2個月，到重新投入正常運行，總大修停機時間最短在2.5個月。大修費用為760百萬元。接下來計劃用2～3年時間對控制系統進行逐步改造，估計費用約為2～3百萬元。

表2 2003～2005年燃氣增壓機改造前后運行情況

表3 2009～2011年燃機維修保養停機天數

3 熱電冷三聯供機組選擇技術條件分析

3.1 熱電冷三聯供機組選型及運行策略

機場能源中心供應航站樓、商務辦公、賓館、食品加工等，一期服務建筑面積為60多萬m2。熱負荷有采暖、生活熱水和生產性用熱，夏季供應溴化鋰制冷。最大設計供熱量為67497kW（其中航站樓43000kW），生活生產用熱9420kW?？偣├淞繛?5796kW（其中航站樓54600kW）。

三聯供主機容量按以熱定電、熱電平衡原則，選擇一臺4000kW燃氣（油）輪機配置6090（9.7 t/h）余熱蒸汽鍋爐，供汽壓力0.9MPa。具有余熱量大，余熱蒸汽參數較高，機組具有容量較大且有長期運行較穩定的特點。余熱鍋爐蒸汽不足部分由設置3臺18837kW（30 t/h）加1臺12558kW（20 t/h）即總共為69069kW（110 t/h）的輔助燃氣（油）蒸汽鍋爐供給。供冷由4臺5274kW/臺蒸汽溴化鋰制冷機組和6臺電動制冷機組組成，總供冷能力為85796kW。燃氣輪機產生的余熱冬季供暖等，夏季供溴化鋰制冷，發電并網實現熱電冷三聯供。機組每天7～22點（谷時停機）16小時運行，常年無休。

冬季（采暖）：1～3月和12月都有采暖負荷，期間余熱鍋爐生產熱量全部并入輔助鍋爐蒸汽系統分汽缸。在余熱鍋爐優先原則下，根據分汽缸壓力適時啟動輔助鍋爐補充。

夏季：5～10月余熱鍋爐蒸汽穩定供給一臺雙效蒸汽溴化鋰機組制冷，余量并入輔助鍋爐蒸汽系統。由于當時供電緊缺大背景形勢下，設計加大了非電制冷比例達25%。因1臺機組余熱鍋爐供氣有限，要增開溴化鋰機組就需輔助鍋爐供汽而直接由鍋爐產汽制冷，不符節能要求。第2套燃氣機組未上，因而造成溴化鋰機組利用率嚴重不足，配置過大。

過渡季：4月份是既不采暖又不供冷月份。余熱鍋爐供熱對象只剩下生活熱水和生產用汽，也是不穩定。其時只有1884kW(3t/h)，晚間更小只有1255kW（2t/h）左右。不過最低負荷也只10多天左右，即便如此輔助鍋爐需要保壓，還要不定時啟動。

3.2 余熱鍋爐蒸汽在全年供熱系統中的比重

從歷年統計數據顯示，雖然機組配置的余熱蒸汽鍋爐只有6090kW(9.7 t/h)，占總供熱量10%左右，因它全年有4000多h且在較高負荷率條件下運轉。余熱蒸汽在全年總供熱量中占有較高比例。2005年余熱鍋爐產汽和輔助鍋爐產汽情況見表4，從表4可見：全年熱負荷高峰在1～3月和12月，屬采暖為主典型性質。正常情況下，1～3月和12月是全年熱負荷55%左右，而余熱鍋爐提供的蒸汽占這4個月總量16.4%；全年最低熱負荷4月份，余熱鍋爐可提供43%負荷。5月份開始每月可以供應3000多t蒸汽給溴化鋰機組制冷。8月份開始燃氣輪機出現較小故障，未能及時排除，影響了運行時間。余熱鍋爐蒸汽明顯減少。但即使有5個月燃機未能正常發揮作用條件下，全年產汽量也達到284699 t，占全年總產汽量26.3%。

2008年浦東國際機場二期工程建成投產。二期能源中心鍋爐房只有冬季采暖熱負荷，并與一期能源中心輔助鍋爐蒸汽管聯網運行，以達到充分利用一期輔助鍋爐余量減少二期鍋爐初投資，又可提高可靠性。其中一期輔助鍋爐產汽有部分供給了二期使用。因此總量明顯增加，余熱蒸汽產量維持正常，占總產汽量比例所以有所下降。從表5可見，余熱鍋爐正常年份可供蒸汽3.5～4萬t左右。按輔助鍋爐產汽耗氣指針平均為76m3/t計，每年可以節約天然氣約266～304萬m3。節能減排作用明顯，同時也證明只有全年發電機有較高負荷率所產生的余熱充分利用，才能有好的經濟性和環保又節約資源的優越性。

表4 2005年余熱蒸汽鍋爐和輔助蒸汽鍋爐產汽表

表5 2007～2010年余熱鍋爐產汽占全年總供應量

4 熱電冷三聯供經濟分析

4.1 供應溴化鋰機組余熱鍋爐蒸汽價值

余熱鍋爐產出的蒸汽價值，隨供應對象不同也應有變化。對于直接用熱方式的如采暖、生活熱水、生產蒸汽都應與輔助鍋爐蒸汽同價。對于供應溴化鋰機組的蒸汽，因熱能利用要經過熱能轉換而造成損失，與鍋爐蒸汽同價不合理，應采用本系統電制冷生產相同冷量所消耗電能成本和蒸汽制冷消耗蒸汽熱價相等，即等效成本。近幾年電動制冷機組COP變動情況見表6。