新疆地區(qū)天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站規(guī)劃設(shè)計淺析

焦小龍

（Shanghai Tongji Urban Planning&Design Institute，Shanghai 200092，China）

新疆地區(qū)天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站規(guī)劃設(shè)計淺析

焦小龍

（上海同濟城市規(guī)劃設(shè)計研究院，上海 200092）

為了落實《天然氣利用政策》、“煤改氣”等國家及新疆地區(qū)相關(guān)政策，通過負荷因子法，對鐵門關(guān)市核心區(qū)不同性質(zhì)用地的能耗需求進行了詳細的模擬、預(yù)測，并規(guī)劃建設(shè)一座天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站，滿足鐵門關(guān)市核心區(qū)冷、熱、電用戶用能需求。通過規(guī)劃分析，天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)可為商業(yè)、商務(wù)等核心區(qū)域提供8.1萬GJ/a的供冷量、14.5萬GJ/a的供熱量和1.03億kWh/a的電力，該系統(tǒng)可作為鐵門關(guān)市能源供應(yīng)的補充，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

新疆地區(qū)； 天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站； 負荷因子法

（Shanghai Tongji Urban Planning&Design Institute，Shanghai 200092，China）

0 引言

天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站主要指布置在用戶附近，以天然氣為一次能源用于發(fā)電，并利用發(fā)電余熱制冷、制熱，同時向用戶供應(yīng)冷、熱、電的分布式能源站[1]，具有能源綜合利用效率高、清潔環(huán)保、一次性投資少等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在廣州、上海、北京等發(fā)達城市得到了較好的應(yīng)用。2014年12月國務(wù)院發(fā)布了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020）》，2016年3月頒布了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2016年底國家發(fā)改委發(fā)布《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016-2030）》，同時首屆、第二屆國際能源變革論壇在江蘇蘇州成功舉辦，并發(fā)布了《蘇州宣言》、《 2016蘇州共識》，這些政策及文件無不要求積極發(fā)展天然氣冷、熱、電三聯(lián)供等清潔能源供應(yīng)方式，提高能源利用效率、減少碳排放、改善環(huán)境品質(zhì)，這也為鐵門關(guān)市能源供應(yīng)提供了新的思路。

鐵門關(guān)市位于新疆維吾爾自治區(qū)中部、塔克拉瑪干沙漠東北緣，隸屬于巴音郭楞蒙古自治州，呈現(xiàn)典型的大陸性極端干旱氣候，主要表現(xiàn)為年均溫差大、干旱少雨、蒸發(fā)強烈、日照時間長、太陽輻射強度高等。鐵門關(guān)年平均氣溫10.4℃，最高氣溫 42.3℃，最低氣溫－28.8℃，年平均無霜期200d，年平均降水65.8mm，蒸發(fā)量2172.6mm；最大凍土深度為1.0m，標準凍土深0.63m。鐵門關(guān)市周邊天然氣資源豐富。輪庫天然氣長輸管線途徑鐵門關(guān)市北側(cè)，管徑DN600mm，壓力6.27MPa，設(shè)計輸氣能力25億Nm3/a，可以作為鐵門關(guān)的主要氣源，也為天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站提供了可靠、充足的天然氣。

鐵門關(guān)市將打造為新疆節(jié)水生態(tài)示范城市，是全市政治、經(jīng)濟、文化中心，是新興的軍墾宜居城市，天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站的建設(shè)將有助于較好的完成這一目標，同時將對鐵門關(guān)及新疆地區(qū)以天然氣為一次能源的多能聯(lián)供系統(tǒng)的推廣起到良好示范作用。

1 項目概況

項目位于鐵門關(guān)市核心區(qū)（以下簡稱“核心區(qū)”）占地面積0.9km2，主要承擔市級行政辦公、文化、商業(yè)等功能，總建筑面積約為89萬m2，其中商業(yè)建筑建筑面積28.9萬m2、圖書展覽建筑建筑面積7.3萬m2、科研建筑建筑面積3.3萬m2、文化活動建筑建筑面積3.5萬m2、行政辦公建筑建筑面積44.0萬m2、娛樂康體建筑建筑面積2.0萬m2。核心區(qū)熱(冷)負荷主要包括冬季采暖熱負荷、夏季空調(diào)冷負荷、生活熱水負荷，其中采暖熱負荷、空調(diào)冷負荷為季節(jié)性負荷，生活熱水負荷為全年性負荷。能源站采用以天然氣為一次能源的冷、熱、電聯(lián)供的方式為核心區(qū)提供全部的冷、熱負荷及部分電力負荷，規(guī)劃設(shè)計的內(nèi)容包括核心區(qū)的冷、熱負荷預(yù)測，三聯(lián)供能源站設(shè)備選型、天然氣消耗量計算、經(jīng)濟性分析及環(huán)境影響評價。

2 熱（冷）負荷預(yù)測

2.1 預(yù)測方法及參數(shù)

負荷因子法[2]是用于城市規(guī)劃階段建筑逐時冷、熱負荷預(yù)測的方法。核心區(qū)采用負荷因子法對全年逐時熱(冷)負荷進行預(yù)測，即根據(jù)建筑的類型、功能特性確定不同建筑的逐時負荷因子，再根據(jù)建筑的功能要求確定熱(冷)負荷指標，最后計算不同類型用地的逐時熱(冷)負荷。建筑熱(冷)負荷因子通過專業(yè)的負荷模擬軟件進行建模模擬，模型的主要假設(shè)及參數(shù)如下：

（1）鐵門關(guān)地區(qū)供暖時間一般從10月中旬到次年3月底，空調(diào)制冷時間一般從6月初到8月底。

（2）熱(冷)負荷分為建筑熱(冷)負荷和內(nèi)擾負荷兩部分。建筑負荷主要包括圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷、太陽輻射和新風負荷等，該類負荷與外界氣候條件關(guān)系密切，是建筑的主要負荷。內(nèi)擾負荷包括室內(nèi)設(shè)備、照明、人員負荷等，其大小一般不隨氣候條件變化，主要與建筑功能特性及作息時間相關(guān)，由建筑具體的使用特性來確定，所占比重較小，為了計算方便，僅考慮建筑熱(冷)負荷。

（3）負荷因子在0-1之間波動，主要呈現(xiàn)熱（冷）負荷隨時間的變化特征。

（4）核心區(qū)的建筑按照功能可簡化為辦公、商業(yè)、展覽館三大類。其中辦公類包括科研、行政辦公建筑，商業(yè)建筑包括商業(yè)設(shè)施、娛樂康體建筑，展覽館主要指圖書、展覽及文化活動設(shè)施建筑，各類建筑的冷（熱）指標見表1。

（5）負荷預(yù)測主要以《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》依據(jù)，室外氣象參數(shù)參照《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）中庫爾勒氣象參數(shù)（如圖1-圖3所示）。

通過模擬計算，辦公類建筑、商業(yè)類建筑、展覽類建筑的冷、熱負荷因子如圖4-圖9所示。

圖1 逐時干球溫度

圖2 逐時濕球溫度

圖3 太陽輻射強度延時圖

圖4 辦公類建筑熱負荷負荷因子

圖5 辦公類建筑冷負荷負荷因子

圖6 商業(yè)類建筑熱負荷負荷因子

圖7 商業(yè)類建筑冷負荷負荷因子

圖8 展覽類建筑熱負荷負荷因子

圖9 展覽類建筑冷負荷負荷因子

2.2 空調(diào)冷負荷、采暖熱負荷預(yù)測

空調(diào)同時使用系數(shù)取0.8，根據(jù)商業(yè)、辦公樓、展覽館的負荷因子以及建筑面積指標，經(jīng)計算核心區(qū)年最大冷負荷為69.7MW，平均負荷為17.5MW；年最大采暖熱負荷為50.7MW，年平均負荷為19.5MW。

表2 核心區(qū)空調(diào)冷負荷、采暖熱負荷

2.3 典型日負荷模擬

圖10 冬季典型日采暖熱負荷逐時分布圖

圖11 夏季典型日空調(diào)冷負荷逐時分布圖

圖12 全年熱(冷)負荷逐時分布圖

表3 核心區(qū)生活熱水負荷

根據(jù)軟件模擬得到夏季典型日空調(diào)冷負荷、冬季典型日采暖熱負荷的變化規(guī)律如圖10、圖11所示。從圖可以看出冷（熱）負荷均出現(xiàn)在白天，這和企事業(yè)單位的作息時間基本吻合。冬季采暖熱負荷相對比較穩(wěn)定，峰值負荷出現(xiàn)在上午10點左右，受內(nèi)擾負荷影響，下午5點以后采暖負荷逐步下降；夏季空調(diào)冷負荷日波動較大，最大冷負荷主要出現(xiàn)下午3點左右，這與室外氣溫出現(xiàn)峰值的時間基本吻合。

2.4 全年采暖熱負荷、空調(diào)冷負荷模擬

全年采暖熱負荷、空調(diào)冷負荷的變化情況如圖12所示，采暖負荷明顯在采暖季開始時間及末尾時間負荷較低，空調(diào)冷負荷主要出現(xiàn)在每年的6月至8月，過渡期主要在春、秋兩季。夏季空調(diào)最大冷負荷與冬季采暖最大冷負荷大致相當，有利于提高天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站的設(shè)備利用效率。

2.5 生活熱水負荷

生活熱水熱負荷是全年性熱負荷，且熱負荷較均勻，主要用于核心區(qū)公共建筑的洗浴、盥洗熱水等用熱需求。經(jīng)計算核心區(qū)生活熱水負荷為7.1MW。

2.6 設(shè)計熱負荷

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2005）規(guī)定的能效指標：燃氣鍋爐額定熱效率不低于0.89；直燃型溴化鋰吸收式冷（溫）水機組名義工況性能系數(shù)制冷系數(shù)不低于1.10。目前市場上的溴化鋰機組性能系數(shù)COP可達1.1-1.4，核心區(qū)溴化鋰機組COP取值為1.3。經(jīng)計算核心區(qū)采暖期平均所需熱負荷26.6MW，制冷期平均所需冷負荷為20.6MW，過渡期平均所需負荷為7.1MW。

表4 核心區(qū)設(shè)計熱負荷

3 天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站規(guī)劃

天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站本著以熱定電的原則確定發(fā)電機容量，能源站采用燃氣輪機發(fā)電形式，燃氣輪機的排氣口排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一部分進入汽輪機做功發(fā)電，一部分通過供熱管網(wǎng)供熱，一部分在制冷期通過溴化鋰制冷機組制冷。當燃氣輪機余熱無法滿足供熱需求時，以燃氣鍋爐作為補充。燃氣三聯(lián)供能源站熱電比取1.1，最大發(fā)電量能力為58.4MW，最小發(fā)電能力為7.2MW。

表5 能源站發(fā)電能力

天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站裝機容量4×7MW，供熱能力61MW。采暖期4臺機組全部運行，制冷期3臺機組運行供冷，過渡期僅1臺機組運行。采暖期機組最大利用小時數(shù)為2352h，制冷期為1288h，過度期為1470h。天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站的發(fā)電量除滿足能源站用電需求外，原則上本地消納。

3.1 用氣量預(yù)測

鐵門關(guān)天然氣熱值為39.9MJ/Nm3，燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)能源綜合效率約為85%，燃氣鍋爐熱效率取0.9。經(jīng)計算天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站年耗氣量為2253萬Nm3。

表6 天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站耗氣量

3.2 經(jīng)濟性分析

天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站建成運行后，全年累計供冷量8.11萬GJ，全年累計供熱量14.5萬GJ，年累計發(fā)電量1.03億kWh。若不考慮運行、折舊費用和補貼費用，每年可收入7395萬元。

表7 全年累計能耗及經(jīng)濟性分析

3.3 環(huán)境影響分析

考慮到當前鐵門關(guān)供熱方式均為燃煤小鍋爐的格局，根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標準》（2014），當天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站實施后，與同等規(guī)模小型燃煤鍋爐房相比，在滿足核心區(qū)冷、熱負荷需求的前提下，每年可減少15.57萬t二氧化碳排放，減少389t二氧化硫、40t氮氧化物排放。由此可見，發(fā)展城市天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)可大大緩解環(huán)境污染的壓力，提高環(huán)境品質(zhì)。

4 結(jié)語

通過負荷因子法對鐵門關(guān)核心區(qū)的冷、熱負荷進行了詳細的預(yù)測，較好的展示了逐時冷、熱負荷的變化情況。天然氣冷、熱、電三聯(lián)供能源站建成后可以提供8.1萬GJ/a的供冷量、14.5萬GJ/a的供熱量和1.03億kWh/a的電力，可以緩解全年電力及燃氣峰谷波動較大的壓力，同時每年可以減少15.57萬t二氧化碳排放，減少389t二氧化硫、40t氮氧化物排放。

[1]CJJ 145-2010，燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程[S].

[2]王振江.城市能源規(guī)劃中建筑冷負荷預(yù)測方法研究[D].大連：大連理工大學，2010.

Analysis on Planning and Design of Natural Gas Cold，Hot and Electric Energy Supply Stations in Xinjiang

JIAO Xiao-long

In order to implement the"natural gas utilization policy"，"coal to gas"and other countries and Xinjiang region related policies，the article through the load factor method，Tiemenguan core area of different nature of the energy consumption needs of a detailed simulation,Planning and construction of a natural gas cold，heat，electricity triple for energy stations，to meet the core area of iron gate city cold，heat，electricity users with demand.Through the planning and analysis,natural gas cold，heat，electricity triple supply system for commercial,business and other core areas to provide 81,000 GJ/a of the cooling capacity，145，000 GJ/a heat and 103 million kWh/a of electricity，The system can be used as a supplement to the energy supply of Tiemenguan to create considerable economic and social benefits.

Xinjiang area； natural gas cold，heat，electricity triple for energy station； load factor method

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.001

TM611

B

2095-3429（2017）04-0001-05

焦小龍（1979-），男，陜西涇陽人，本科，工程師，副所長，主要從事暖通規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域工作。

2017-05-08

修回日期：2017-06-22