空港經濟區分布式能源系統設計思路淺析

王延軍

（華電電力科學研究院，杭州 310030）

空港經濟區是指依托大型樞紐機場的綜合優勢，發展具有明顯的航空樞紐指向性的產業集群而在空港周邊所形成的經濟區。空港經濟區是能源消費的集中區，隨著節能減排要求的提高，其能源解決方案將成為影響區域經濟健康發展的重要問題之一，而分布式能源供能無疑是當前較為理想的選擇。

1 空港經濟區建設分布式能源必要性

（1）滿足空港區域經濟增長、冷熱電負荷日益增加的需求

當前新建的空港經濟區一般遠離城市中心，建設初期市政設置薄弱，加之空港經濟區的招商引資及發展需要較長的過程，因此空港經濟區的發展階段難以進行統一的集中供能規劃。早期入駐的企業往往根據自身需求建設小型的、分散式的鍋爐房或空調機組，這些設備不但存在初投資大、能源利用率低的問題，而且對環境污染非常嚴重。在發展階段，有規劃的在一定區域內建設若干小型區域式或者樓宇式分布式能源站，可以較好的解決能源供需矛盾與環境污染之間的問題。

（2）打造綠色環保空港經濟區形象的需要

分布式能源較好地滿足了綠色環保、減少環境污染的要求。分散的鍋爐房不但會產生廢水、廢渣等污染物，還會產生嚴重的空氣污染和噪音污染，采用分布式能源在一定區域內集中供能，可以減少各類污染物的排放，改善區域環境質量，保護環境。

（3）符合國家政策、提高能源利用率的需要

分散的燃煤鍋爐效率僅有50%，燃氣鍋爐效率雖然可達到90%以上，但直接燃燒天然氣供熱，造成了能源品位的嚴重浪費。國務院印發的《能源發展“十二五”規劃》鼓勵發展分布式能源，不僅因為分布式能源清潔環保，更在于其能源綜合利用效率高，可以實現能源的梯級利用。采用分布式能源系統，高品位能源用于發電，低品位的余熱可用來供暖、制冷或除濕，能源利用率超過75%。

隨著煤炭、天然氣價格的提高，企業供熱成本增加，經濟效益下降，空港區域采用分布式供能，不僅可以降低供熱／供冷成本，而且可以提供部分電負荷，保證能源安全，經濟效益和社會（環境）效益明顯。

2 空港經濟區負荷特點分析

區域的能源負荷需求取決于區域產業特點。空港經濟區的產業可分為主導產業和連帶產業。主導產業主要圍繞機場運營，如：空港物流、航空制造及飛機維修、自由貿易區（保稅物流區）、航空服務、后勤生活居住等；連帶產業主要由主導產業連帶產生的一系列相關產業，如：高新技術產業、制造業、研發、居住、觀光休閑等。

從能源供應的角度上講，空港經濟區的能源需求包含電、采暖、供冷、熱水及蒸汽。空港經濟區對電力需求量非常大，僅憑分布式能源系統的發電量必然無法全部滿足，因此本文對電力負荷特點不做分析。蒸汽負荷來自于工業生產，其需求量與產業特點及產能有關，一般比較穩定，可根據實際需求情況設計需求量。而采暖、供冷等負荷規律有較強的通用性，根據需求對象不同其可分為機場、商業、辦公、酒店、住宅及附屬基地的負荷需求等。

圖1 各功能建筑夏冬季典型日冷熱負荷規律

圖1分別給出了上述對象在夏冬季節典型日冷熱負荷的需求規律。由圖1可見，空港經濟區的負荷呈現出負荷種類的多樣性及規律的多變性的特點，給供能系統的變工況、全工況性能及優化配置帶來嚴峻挑戰，使得空港經濟區分布式能源系統的設計較之常規的區域型、樓宇型分布式能源站的設計存在一定差異，且更為復雜。

3 空港經濟區分布式能源系統設計思路

（1）以熱定電確定裝機規模

能源站的規模直接影響經濟效益，如果規模較小，不能完全滿足負荷需求，則無法獲得最佳的經濟效益；如果規模過大，設備不能滿負荷運行，系統效率降低，經濟效益差。根據我國電網現狀，結合已建項目的實際情況，當前分布式能源項目基本采用發電上網的模式，因此基本可按“以熱定電”的原則確定裝機規模。

圖2為以“以熱定電”為原則確定燃氣輪機循環發電的冷熱電聯產系統的案例，該圖示是以滿足用能熱需求（制冷、采暖及生活熱水）為原則，確定原動機，進而確定聯產系統的電力輸出，其中用戶需求是以采暖、制冷及生活熱水體現的。

圖2 以熱定電的系統集成

（2）蓄能單元優化系統的全工況性能

根據負荷分析可知，空港經濟區負荷類型多樣且變化頻繁，分布式系統在面對頻繁變化的負荷時，系統性能也會受到嚴重影響，設計時要求系統具有良好的全工況性能。因此設計時可在用戶側配備蓄能單元，其基本功能是平衡能量供需之間的差異，解決系統變工況效率下降的問題，實現平衡負荷峰谷和節能增效雙重目的。此外，將多余能量存儲，除可提高系統運行效率外，還可減少容量配置，從而達到降低投資，提高機組熱效率和使用效率的目的。

結合蓄能單元的分布式能源系統基本原理如圖3所示。

適合工程應用的蓄能主要指蓄熱和蓄冷（蓄電成本較高），蓄熱主要通過蓄熱加熱爐、蓄熱水箱、蒸汽蓄熱器等實現，蓄冷主要是冰蓄冷和冷水蓄冷，工程實際可結合利用消防水池來蓄冷水。

圖3 結合蓄能的系統集成原理圖

（3）模塊組合、多機聯動

分布式能源系統的設計最終要趨于模塊化，所謂模塊化設計，是指將能源站的某些要素（原動機+余熱利用設備）組合在一起，構成一個具有特定功能（輸出冷熱電）的子系統，將這個子系統作為通用性的模塊與其他子系統進行多種組合，構成完整的分布式能源系統。其基本原理見圖4。

圖4 模塊組合的系統集成原理圖

采用模塊化設計的最大優點是可減小項目風險，由于分布能源站的建設有一定的周期，空港經濟區負荷發展與項目的建設往往不同步，尤其當負荷的發展落后于項目建設時，系統可以啟動部分模塊，在滿足用戶需求的同時，還能保證每個模塊機組滿負荷運行，保證系統效率，建少排放量。采用模塊組合可以逐臺啟／停原動機，實現多機聯動，在效率和排放不變的條件下，調節負荷，保證最大的經濟效益。

4 典型案例分析

以山東某空港經濟區分布式能源項目為例，擬包含的供能對象包括機場及周邊的酒店、寫字樓和商業基地等，負荷需求見表1。

由表1可知，該空港經濟區最大熱負荷需求為36 128kW，最大冷負荷需求為19 380kW，考慮0.75的負荷需求系數，則設計熱負荷為負荷求為3 kW，設計冷負荷為14 535kW。根據負荷變動規律分析，該區冬季總熱需求量約2958.5GJ／a，夏季總冷需求量約1242.6GJ／a。

表1 負荷需求統計表

圖5 系統組成流程簡圖

根據本文提出的設計思路，該空港經濟區分布式能源供能系統設計系統組成如圖5所示，系統主要模塊為“內燃機+煙氣熱水型冷熱水機組”，分設1套冰蓄冷裝置和1套電蓄熱裝置做冷熱負荷調峰。

該系統根據以熱定電的原則，采用4套“內燃機+煙氣熱水型冷熱水機組”的模塊，結合蓄能單元，可在保障機組效率的前提下，靈活調節負荷輸出，滿足全年不同時段用戶負荷需求。

主要設備規格參數見表2。

該分布式能源站運行原則為：依據預測負荷曲線并結合實際負荷波動追蹤運行；在大部分空調使用時間內根據空調負荷的實際情況并結合當地的電價政策進行優化控制；過渡階段將充分使用余熱設備，將余熱設備分開供能，一部分余熱機組進行供熱，一部分將進行供冷。

表2 主要設備規格參數表

根據《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》（CJJ145-2010）以及《熱電聯產項目可行性研究技術規定》中的計算方法，計算該系統的全年熱經濟技術指標，具體見表3。

表3 熱技術經濟指標表

計算結果顯示，該系統采用模塊化設計結合蓄能單元，年均一次能源利用率在86%以上，年均利用小時數約5500h，主要技術指標較之常規的分布式能源系統高出很多。

5 結語

空港經濟區用能負荷具有種類多樣性及規律多變性的特點，根據以熱定電的原則，采用模塊化設計，結合蓄能單元，可較大程度改善系統的變工況、全工況性能，在保障機組效率的前提下，靈活調節負荷輸出，滿足全年不同時段不同用戶的用能需求。