天然气分布式供能系统在机场领域的应用

上海机场（集团）有限公司 陈超寅

上海燃气工程设计研究有限公司 胡 瑛 钟 怡 汤 羹

关键字：天然气 分布式供能系统 机场 节能减排

天然气分布式供能系统可以降低能耗、减少碳排放量以及实现清洁能源的高效利用率，是目前建设可持续发展和低碳社会最有效的工具之一，在很多领域已得到广泛应用。机场用能负荷较大且波动较小，非常适合建设天然气分布式供能系统，目前国内外已有较多大型枢纽机场建设天然气分布式供能系统，如国外的肯尼迪机场、吉隆坡机场、素万那普机场，国内的黄花机场和本文的华东某枢纽机场。

根据民航业节能减排“十三五”规划及华东某枢纽机场战略发展规划要求，该机场将深入推进绿色民航发展，全面降低能耗，减少碳排放，提高清洁能源利用率。除不断优化已建成的天然气分布式供能系统外，机场在扩建T3航站楼时将考虑新增一套天然气分布式供能系统。本文通过分析该机场原有天然气分布式供能系统运行现状及T3航站楼的用能特性，建立T3航站楼用能负荷模型，并由此进行新天然气分布式供能系统的设计。

1 原天然气分布式供能系统运行现状

华东地区某枢纽机场于1999年在1#能源中心建设了一套天然气分布式供能系统，该系统设计采用“大集中、小分散”的方案，对地理位置相对集中的T1航站楼，商务办公、宾馆、货运、航空食品加工企业进行集中供能。此分布式供能系统配置1台4 000 kW燃气（油）轮机，1台11 t/h余热蒸汽锅炉及4台双效蒸汽溴化锂机组。

此天然气分布式供能系统所发电量采用并网不上网的方式。用能单位优先使用分布式供能系统产生的蒸汽，若提供的蒸汽过量则通过溴化锂机组制冷，蒸汽、冷量需求不足时通过调峰设备补给。根据1#能源中心调研数据，燃气轮机发电机组实际的平均发电功率约3 300 kW，余热产蒸汽量约8 t/h。系统年实际运行数据见表1。

该系统年节能率约11%，减排率约43.8%，有效提高了机场能源综合利用率，实现了集中向周边用户提供冷热电能，为机场建设清洁能源项目提供了经验和基础。因此在扩建T3航站楼时，拟规划新增一套天然气分布式供能系统。

2 机场负荷特性

天然气分布式供能系统能够实现冷、热、电三联供。因此，在进行系统设计时要综合考虑用户的用能需求和负荷特点，确保冷、热、电三种能源的供需平衡，实现系统运行的稳定性、高效性和经济性。

本文根据T3航站楼冷、热、电能变化特点的前期调研结果，建立该航站楼的用能负荷模型，并以该模型为基础，按照机场用能特性来进行天然气分布式供能系统方案的设计。

2.1 冷负荷特性

机场航站楼供冷季有大量冷负荷需求，T1和T2航站楼均由配套能源中心集中供冷。各航站楼的月平均冷负荷数据见图1。

图1 T1和T2航站楼冷负荷曲线

从图1可以看出，供冷季T1航站楼平均冷负荷为11 248 kW，T2航站楼平均冷负荷为18 754 kW。

2.2 热负荷特性

航站楼在采暖季有大量采暖热负荷需求，能源站集中供应蒸汽至航站楼，通过汽水板换热、水板换热产生采暖热水供航站楼采暖使用，另外航站楼部分餐饮及贵宾楼全年有生活热水需求。T1和T2航站楼的月平均热负荷数据见图2。

图2 T1和T2航站楼热负荷曲线

2.3 电负荷特性

机场全年总用电量较大且逐年呈上升趋势，季节性变化较为明显。夏季达到峰值，过渡季节和冬季略有下降。T1和T2航站楼的重点用能单位月平均电负荷变化见图3。

图3 T1和T2航站楼电负荷曲线

从图3可以看出，机场航站楼平均用电负荷波动较小，T1航站楼全年平均电负荷约为7 641 kW，T2航站楼约为9 218 kW。此外，根据机场某10 kV变电站的逐时电流数据计算分析，可得T1航站楼全年逐时电负荷数据的变化见图4。

图4 某10 kV母线逐时电负荷曲线

从图4可以看出，电负荷全天24小时的变化较平稳。T1航站楼全年逐时电负荷变化趋势与图3中T1和T2航站楼的月平均用电负荷变化规律一致，该电负荷变化情况同样适用于其他航站楼。

3 新增天然气分布式供能系统方案

根据上述数据分析计算可以得出T1和T2航站楼单位建筑面积的冷负荷指标、热负荷指标及电负荷指标，各能耗指标见表2。

表2 T1、T2航站楼单位建筑面积能耗指标

从表2可以看出，T2航站楼单位建筑面积各能耗指标均比T1航站楼的低，原因是T2航站楼在设计中考虑了被动设计方案，即采用了自然采光、自然通风、局部大空间分层等能有效降低航站楼建筑能耗的技术。未来T3航站楼的设计方案同样会充分采用节能降耗的设计模式。因此在进行T3航站楼能耗预估时，将参照T2航站楼的能耗指标进行计算。T3航站楼冷、热、电平均负荷预测数据见表3。

表3 T3航站楼平均负荷预测

根据表3预测的T3航站楼冷、热、电平均负荷数据，新增的天然气分布式供能系统采用“以热定电、热电平衡、电力并网不上网”的设计原则，系统的装机规模约6 MW左右，满足航站楼部分稳定用能，系统全天16 h运行，供能不足可由市电及调峰设备补充。原动机的配置可有多种方案，可选择燃气内燃机或燃气轮机。根据原动机的供能特点，本文提出两种不同主机设备的供能系统配置方案，具体的装机方案及供能模式见表4。

表4 T3航站楼天然气分布式供能系统配置方案

上述两种系统配置方案主机设备选择不同形式，最终的供能方式也有区别。

方案一的系统流程图中(见图5)，原动机采用燃气内燃机组，燃气内燃机组的发电效率较高，烟气和缸套水的余热进入烟气热水型溴化锂机组产生冷冻水或热水供航站楼制冷、采暖使用。该方案供能管道为水管，后期运行维护便捷。

方案二的系统流程图中(见图6)，原动机采用燃气轮机机组，烟气余热进入余热锅炉产生蒸汽，蒸汽可同时供航站楼、周边机务区或商飞工厂的工艺生产使用，夏季蒸汽需求较少时，多余蒸汽可通过蒸汽型溴化锂机组制冷供航站楼使用。该方案的供能管道为蒸汽管，占地面积较小，但后期运行维护复杂。

图5 方案一系统流程

图6 方案二系统流程

上述两种方案的运行经济技术参数见表5。

根据表5可知，建筑面积约60 万m2的航站楼可配置总装机规模约6 000 kW的分布式供能系统。

表5 两种方案的运行经济技术参数

方案一：该系统全年可提供约2 967 万kWh电能，约2 645 万kW·h的冷、热能，系统全年运行净收益超过2 000 万元，与传统供能方式相比，全年可节约大约2 910 t标准煤，年节能率约为24.8%，全年减排CO2约20 800 吨；

方案二：该系统全年可提供约2 491 万kW h电能，约5.6 万吨的蒸汽，系统全年运行净收益约1 628 万元，全年可节约大约3 695 吨标准煤，年节能率约为25.4%，全年减排CO2约19 520 吨。

由此可见天然气分布式供能系统在机场的应用是在不降低机场能源服务质量的前提下，综合、高效的为机场降低能耗、减少碳排。同时系统可作为机场的备用电源，在市电网出现故障时，能保障机场重要用电设备的正常运行。此外，系统每年的运行收益较高，还能够为机场带来一定的经济收益。因此，天然气分布式供能系统是非常适合在机场领域推广应用的清洁能源技术。

4 结语

本文通过分析机场航站楼的用能特点和单位建筑面积能耗指标，研究预测了机场未来扩建T3航站楼的用能负荷，表明T3航站楼用能负荷较大且稳定，十分适合建设天然气分布式供能系统。L另外根据T3航站楼的冷、热、电能负荷数据，采用不同原动机的系统配置方案以及相应的经济技术参数进行计算，结果表明天然气分布式供能系统不仅降低了机场能耗及CO2排放，提升了清洁能源在机场能源供应中的占比，优化了能源结构，还可以作为备用电源保障机场重要负荷安全稳定地运行。天然气分布式供能系统能够实现天然气能源的高效利用，为机场带来可观的经济收益。

天然气分布式供能系统是提高机场环保效益、经济效益和社会效益的重要技术之一，可在机场领域大力推广应用，为机场的绿色发展提供切实保障，实现机场领域“绿色民航、绿色交通”的目标，值得推广和复制。