空港经济区分布式能源系统设计思路浅析

王延军

（华电电力科学研究院，杭州 310030）

空港经济区是指依托大型枢纽机场的综合优势，发展具有明显的航空枢纽指向性的产业集群而在空港周边所形成的经济区。空港经济区是能源消费的集中区，随着节能减排要求的提高，其能源解决方案将成为影响区域经济健康发展的重要问题之一，而分布式能源供能无疑是当前较为理想的选择。

1 空港经济区建设分布式能源必要性

（1）满足空港区域经济增长、冷热电负荷日益增加的需求

当前新建的空港经济区一般远离城市中心，建设初期市政设置薄弱，加之空港经济区的招商引资及发展需要较长的过程，因此空港经济区的发展阶段难以进行统一的集中供能规划。早期入驻的企业往往根据自身需求建设小型的、分散式的锅炉房或空调机组，这些设备不但存在初投资大、能源利用率低的问题，而且对环境污染非常严重。在发展阶段，有规划的在一定区域内建设若干小型区域式或者楼宇式分布式能源站，可以较好的解决能源供需矛盾与环境污染之间的问题。

（2）打造绿色环保空港经济区形象的需要

分布式能源较好地满足了绿色环保、减少环境污染的要求。分散的锅炉房不但会产生废水、废渣等污染物，还会产生严重的空气污染和噪音污染，采用分布式能源在一定区域内集中供能，可以减少各类污染物的排放，改善区域环境质量，保护环境。

（3）符合国家政策、提高能源利用率的需要

分散的燃煤锅炉效率仅有50%，燃气锅炉效率虽然可达到90%以上，但直接燃烧天然气供热，造成了能源品位的严重浪费。国务院印发的《能源发展“十二五”规划》鼓励发展分布式能源，不仅因为分布式能源清洁环保，更在于其能源综合利用效率高，可以实现能源的梯级利用。采用分布式能源系统，高品位能源用于发电，低品位的余热可用来供暖、制冷或除湿，能源利用率超过75%。

随着煤炭、天然气价格的提高，企业供热成本增加，经济效益下降，空港区域采用分布式供能，不仅可以降低供热／供冷成本，而且可以提供部分电负荷，保证能源安全，经济效益和社会（环境）效益明显。

2 空港经济区负荷特点分析

区域的能源负荷需求取决于区域产业特点。空港经济区的产业可分为主导产业和连带产业。主导产业主要围绕机场运营，如：空港物流、航空制造及飞机维修、自由贸易区（保税物流区）、航空服务、后勤生活居住等；连带产业主要由主导产业连带产生的一系列相关产业，如：高新技术产业、制造业、研发、居住、观光休闲等。

从能源供应的角度上讲，空港经济区的能源需求包含电、采暖、供冷、热水及蒸汽。空港经济区对电力需求量非常大，仅凭分布式能源系统的发电量必然无法全部满足，因此本文对电力负荷特点不做分析。蒸汽负荷来自于工业生产，其需求量与产业特点及产能有关，一般比较稳定，可根据实际需求情况设计需求量。而采暖、供冷等负荷规律有较强的通用性，根据需求对象不同其可分为机场、商业、办公、酒店、住宅及附属基地的负荷需求等。

图1 各功能建筑夏冬季典型日冷热负荷规律

图1分别给出了上述对象在夏冬季节典型日冷热负荷的需求规律。由图1可见，空港经济区的负荷呈现出负荷种类的多样性及规律的多变性的特点，给供能系统的变工况、全工况性能及优化配置带来严峻挑战，使得空港经济区分布式能源系统的设计较之常规的区域型、楼宇型分布式能源站的设计存在一定差异，且更为复杂。

3 空港经济区分布式能源系统设计思路

（1）以热定电确定装机规模

能源站的规模直接影响经济效益，如果规模较小，不能完全满足负荷需求，则无法获得最佳的经济效益；如果规模过大，设备不能满负荷运行，系统效率降低，经济效益差。根据我国电网现状，结合已建项目的实际情况，当前分布式能源项目基本采用发电上网的模式，因此基本可按“以热定电”的原则确定装机规模。

图2为以“以热定电”为原则确定燃气轮机循环发电的冷热电联产系统的案例，该图示是以满足用能热需求（制冷、采暖及生活热水）为原则，确定原动机，进而确定联产系统的电力输出，其中用户需求是以采暖、制冷及生活热水体现的。

图2 以热定电的系统集成

（2）蓄能单元优化系统的全工况性能

根据负荷分析可知，空港经济区负荷类型多样且变化频繁，分布式系统在面对频繁变化的负荷时，系统性能也会受到严重影响，设计时要求系统具有良好的全工况性能。因此设计时可在用户侧配备蓄能单元，其基本功能是平衡能量供需之间的差异，解决系统变工况效率下降的问题，实现平衡负荷峰谷和节能增效双重目的。此外，将多余能量存储，除可提高系统运行效率外，还可减少容量配置，从而达到降低投资，提高机组热效率和使用效率的目的。

结合蓄能单元的分布式能源系统基本原理如图3所示。

适合工程应用的蓄能主要指蓄热和蓄冷（蓄电成本较高），蓄热主要通过蓄热加热炉、蓄热水箱、蒸汽蓄热器等实现，蓄冷主要是冰蓄冷和冷水蓄冷，工程实际可结合利用消防水池来蓄冷水。

图3 结合蓄能的系统集成原理图

（3）模块组合、多机联动

分布式能源系统的设计最终要趋于模块化，所谓模块化设计，是指将能源站的某些要素（原动机+余热利用设备）组合在一起，构成一个具有特定功能（输出冷热电）的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他子系统进行多种组合，构成完整的分布式能源系统。其基本原理见图4。

图4 模块组合的系统集成原理图

采用模块化设计的最大优点是可减小项目风险，由于分布能源站的建设有一定的周期，空港经济区负荷发展与项目的建设往往不同步，尤其当负荷的发展落后于项目建设时，系统可以启动部分模块，在满足用户需求的同时，还能保证每个模块机组满负荷运行，保证系统效率，建少排放量。采用模块组合可以逐台启／停原动机，实现多机联动，在效率和排放不变的条件下，调节负荷，保证最大的经济效益。

4 典型案例分析

以山东某空港经济区分布式能源项目为例，拟包含的供能对象包括机场及周边的酒店、写字楼和商业基地等，负荷需求见表1。

由表1可知，该空港经济区最大热负荷需求为36 128kW，最大冷负荷需求为19 380kW，考虑0.75的负荷需求系数，则设计热负荷为负荷求为3 kW，设计冷负荷为14 535kW。根据负荷变动规律分析，该区冬季总热需求量约2958.5GJ／a，夏季总冷需求量约1242.6GJ／a。

表1 负荷需求统计表

图5 系统组成流程简图

根据本文提出的设计思路，该空港经济区分布式能源供能系统设计系统组成如图5所示，系统主要模块为“内燃机+烟气热水型冷热水机组”，分设1套冰蓄冷装置和1套电蓄热装置做冷热负荷调峰。

该系统根据以热定电的原则，采用4套“内燃机+烟气热水型冷热水机组”的模块，结合蓄能单元，可在保障机组效率的前提下，灵活调节负荷输出，满足全年不同时段用户负荷需求。

主要设备规格参数见表2。

该分布式能源站运行原则为：依据预测负荷曲线并结合实际负荷波动追踪运行；在大部分空调使用时间内根据空调负荷的实际情况并结合当地的电价政策进行优化控制；过渡阶段将充分使用余热设备，将余热设备分开供能，一部分余热机组进行供热，一部分将进行供冷。

表2 主要设备规格参数表

根据《燃气冷热电三联供工程技术规程》（CJJ145-2010）以及《热电联产项目可行性研究技术规定》中的计算方法，计算该系统的全年热经济技术指标，具体见表3。

表3 热技术经济指标表

计算结果显示，该系统采用模块化设计结合蓄能单元，年均一次能源利用率在86%以上，年均利用小时数约5500h，主要技术指标较之常规的分布式能源系统高出很多。

5 结语

空港经济区用能负荷具有种类多样性及规律多变性的特点，根据以热定电的原则，采用模块化设计，结合蓄能单元，可较大程度改善系统的变工况、全工况性能，在保障机组效率的前提下，灵活调节负荷输出，满足全年不同时段不同用户的用能需求。