北京首都机场T3航站楼冷热电案例.docx
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北京首都机场T3航站楼冷热电案例
北京首都国际机场扩建工程
T3航站楼分布式能源站
燃气—蒸汽联合循环热电冷联产系统
综合技术解决方案
年月日
1．综述。
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2．项目名称。
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3．项目依据。
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4．项目概况。
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5．设计原则。
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6．设计指标。
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7．需求侧分析。
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8．装机方案。
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9．系统工艺说明。
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10．系统能力评估。
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11．燃料消耗量。
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12．环境、资源效益。
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13．经济分析。
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14．工期。
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15．建议。
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16．结论。
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1.综述：
2000年由国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发了计基础[2000]1268号《关于发展热电联产的规定》。
这是贯彻《中华人民共和国节能法》第39条：
国家鼓励发展“热电冷联产技术”的法律，实施可持续发展战略、落实环保基本国策和提高资源综合利用效率的重要行政规章。
《规定》再次申明了国家鼓励发展热电联产的政策，支持发展以天然气为燃料的燃气蒸汽联合循环热电联产项目，特别强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的热电联冷产全能量系统。
2004年4月8日18时50分，北京孙河变电站至北寺变电站之间的220kVa掉闸，0.5秒后自动恢复。
由于掉闸产生电压波动，至少首都机场内部电网掉闸，造成局部断电，致使机场部分系统陷入瘫痪，直到19时18分才恢复正常。
但是，断电造成机场17个航班的延误和短暂的“秩序拥挤”。
尽管机场都是各地电力系统重点保证的用户，但是机场发生断电事故在我国也是时有发生。
2004年2月21日13时，由于输电线路结冰和大风，使线路短路，导致沈阳市大面积停电，仙桃机场全场停电被迫关闭，直到22日凌晨2时才恢复供电，致使15个航班被取消，40个航班延误，1570名旅客耽误了行程，造成侯机大厅内“乱成一片”。
实际上沈阳仙桃机场2001年2月21日5时30分，就因大雾导致电源导线和电磁瓶结冰短路造成机场停电，尽管启动了应急电源，但导航仪器和电脑系统无法正常运行，机场被迫关闭到9时左右，13个航班延误。
2001年2月15日，武汉天河机场停电造成管制雷达系统中断，航空管制人员无法在屏幕上找到飞机的位置，致使一些已经起飞的航班不得不在空中盘旋。
最后有至少4个航班备降在湖南长沙的黄花机场。
机场发生停电危机空中航班安全的问题不仅仅在中国存在，在世界许多国家都是一个安全隐患，美国洛杉矶国际机场4月12日上午9时40分突然发生大面积停电事故，尽管机场当局迅速反应，备用的发电设备在1分钟内开始工作，从而恢复了主要供电。
但是仍然导致约100个飞往洛杉矶的航班被延误。
2003年北美地区、澳大利亚、英国和欧洲大陆相继发生的多次大停电事故，均说明大电厂、大电网、超高压的传统金字塔式的供电系统存在难以解决的重大技术隐患，其抵御事故和防范恐怖袭击的能力非常薄弱，对于重要用户难以保证供电系统的高度安全可靠性的要求。
美加大停电，使北美东部各主要城市的机场、航管中心不能正常运行，导致数以千计的航班受到影响，纽约地区除装备分布式能源的肯尼迪机场外的另三个主要机场全部关闭。
北京正在筹办2008年奥运会，首都国际机场是世界各国友人迎来送往主要门户，担负着极其重要安全责任。
2000年澳大利亚悉尼世纪奥运会期间，曾经发生过悉尼机场停电事故，尽管很快启动了备用柴油机，但是由于大量导航通讯系统是高精密度的微电子设备，柴油机的电流品质无法迅速满足要求，致使机场系统10分钟后才恢复正常运行，事故直接危机到空中100多个航班的飞行安全。
2002年美国盐湖城奥运会，也曾经发生变电站造破坏的恐怖袭击，导致一些运动场馆断电事故。
目前，国际恐怖活动猖獗，通过破坏电力系统瘫痪公共设施的方式也时有发生，我们必须引起警惕，采取必要措施确保奥运会的安全进行。
北京的电力供应主要依赖山西、内蒙和河北等地的远程输送，预计2005年外埠供电将达到66%，2008年将可能超过70%，远远超越了国际公认的外埠供电不应超过1/3的安全警戒线。
况且，这些用于保证北京供电的50万超高压输电线路，每路供电达100万千瓦，只要倒一个塔，若处理不及时，就足以对北京电网造成严重后果。
这些线路几乎并驾齐驱地跨越了同一组地震断裂带，同一个气候区域，一旦出事，对于北京市内的任何区域或建筑，即使是多路供电，也是难以确保用电安全。
根据北京电力公司提出的问题，2000年数据显示，巴黎、香港、北京的供电可靠性分别是99.997％，99.999％和99.974％，对应的用户平均停电时间分别是13.7分钟，5.25分钟和136.6分钟。
要想把奥运会办成“人文奥运、绿色奥运、科技奥运”，北京目前在电网安全性、供电质量可靠性等方面的差距是不小的。
尤其是区外受电比例过高，主网的稳定水平和受端电网的电压稳定问题将非常突出。
目前北京电网供电即使是三路供电也不可能超过99.99%，但是按照国际通行的安全标准，一些直接关系到人身安全的重要公共设施，例如，机场、医院、通讯设施、防务机构等需要保证99.9999%的供电可靠性。
通常的技术即便是三路供电再安装备用发电机组，也只能达到99.999%，达到6个9，只有在采用大型UPS或者分布式能源，而UPS受到使用时间的制约，而且成本高昂，而采用分布式能源不仅更加可靠，而且使用成本低廉，较比采用传统的能源供应方式更加高效和节约。
因此“9.11”之后，特别是美加大停电之后，世界各国更加重视分布式能源的建设和普及。
所谓分布式能源，主要指安装在用户端的能源梯级利用设施，能够根据用户对电力、热力、制冷和生活热水，以及安全保障电源等不同的特定需求进行综合能源补给。
目前，国际流行的观点是将分布式能源设施与电网和天然气管网整合，在信息系统的优化控制下，不仅提高用户自身的安全性和经济性，也改善和强化电网和天然气管网的安全性和经济性，实现综合协同优化，是多方均能受益。
在首都国际机场扩建中，采用分布式能源技术，并且在电网的安全构架之下，不仅可以提高供需双侧的安全性，而且也可以减少双方的配套投资，还能提高能效综合利用率，减少环境污染排放。
如果再能吸收电力系统来参与投资、建设、运营，还可以增加双方的经济收益。
建设热电冷联产分布式能源站系统，无论在供电安全上，还是社会经济效益上，无疑都是最佳选择。
2.项目名称：
国际上通常将小区域的热电冷联产系统称为：
DCHP（DistrictCombineHeating&Power）。
但是目前世界更流行的叫法是将此类项目统称为分布式能源DE（DistrictEnergy）。
DE系统是通过一个能源中心根据用户的需求特性，采用相匹配的技术和设备组合，向周遍供应暖、冷、热水和电力。
本项目主要保证T3航站楼的能源需求，同时兼顾附近区域的需求，根据国际和国内的惯例，以及首都机场的位置和建设规划，建议称之为：
“首都机场分布式能源站”（以下简称：
“能源站”）。
该站将包含两个主要部分——动力系统和制冷蓄冷系统。
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3.项目依据：
根据首都机场的要求和所提供的实测与分析数据，在我们已经掌握的有关首都机场的有限技术资料，以及各种相关设备的技术参数，通过组织有关专家进行详细的分析整理，并进一步收集了外部数据为依据，特研究、编制了如下方案：
首都国际机场扩建工程T3航站楼燃气—蒸汽联合循环热电冷联产系统综合技术解决方案。
方案编制参考北京市电力公司提出的：
在北京电网中适度发展分布式能源，“在适当的地点，以适当的容量，采用适当的方式接入电网”，并能够接受电网的安全管理和指令调度的思路和要求。
建议项目的实施在电网安全的构架下展开，不论对业主和电网都会更加有利。
4.项目概况：
首都国际机场是北京，以至中国对外开放的最重要的门户，是中国国内、国际航空运输的中枢，每年担负着国内外大量旅客和货物的周转。
随着中国经济的发展和国际地位的提高，首都机场将必然成为亚洲，乃至世界的最重要的航空运输中枢之一。
根据国务院的批示，首都机场扩建工程已于2004年3月28日正式启动。
本期扩建工程以满足2015年需求为设计目标，满足年旅客吞吐量6,000万人次，年货运吞吐量180万吨，年飞行架次50万架次的要求。
扩建工程主要项目和规模如下：
（1）在距现有东跑道以东1525米，新建第三跑道、滑行道系统、站坪及联络道系统以及助航灯光系统。
跑道长度3800m，飞行区技术标准为F类；
（2）现有东跑道和第三跑道之间，新建T3航站楼以及停车楼，T3航站楼建筑面积49万平方米；
（3）在新建航站楼区北侧，新建机场货运区以及中航集团相关业务配套设施。
拟建设有T3D服务区30万平方米、国航办公及其配套设施40万平方米、新华航空办公及其配套设施23万平方米；
（4）在新建航站楼区南侧，新建机场宾馆以及商业服务区。
具体有办公建筑17万平方米、宾馆14万平方米、商业建筑14万平方米。
（5）北京市配套建设直通新航站的三条高速公路和一条高速轨道交通线也将启动前期工程。
扩建工程于2004年3月28日正式启动，于2007年12月31日全部竣工。
预计总建筑面积187万平方米（见表4.1）。
表4.1首都机场现有与扩建建筑面积统计
项目
数值（万M3）
原由建筑面积
110
T3航站楼
49
T3D服务区
30
航站办公区
40
新华航办公区
23
商业服务区
45
合计
297
扩建区域合计
187
对于首都机场这样一个占地大，用能多，标准高的区域确定一个安全可靠、合理可行、节能环保的能源系统，无论对于机场的安全与经济性，还是对于北京市的可持续发展都具有重要的意义
5、设计原则：
分布式能源是在一个相对比较狭小的环境空间内进行系统组织和优化，正确的设计原则的确立是项目成败的关键。
经对项目的认真研究，建议根据以下原则进行设计和工程实施。
（1）根据国家四委部局1268号《发展热电联产的规定》文件要求，按照热电联产设计规范实施；
（2）采用国家鼓励的世界上最先进的燃气—蒸汽联合循环热电（冷）联产技术，配合高效补燃技术与先进的吸收式制冷、高效电力离心机制冷，以及冰蓄冷技术混合系统集成。
并进一步考虑采用超低温供冷（2.2℃）和燃气轮机进气预冷（冰电池）系统；
（3）在优化自身系统同时，兼顾优化电力和燃气系统。
系统采用油—气双燃料设计和系统黑启动设计。
此外，系统将具备同时供热、供冷和供应卫生热水的能力。
并能够独立保证首都机场关键用电设施的电力供应；
（4）电力系统并网不售电；
（5）系统将积极采用节能、节水和低排放技术；
（6）系统设计满足建筑规范能源需求标准，增加系统弹性能力，适应各种需求特性变化,并具备足够的冗余空间。
6.设计指标：
（1）暖通指标：
本工程的电、热、冷负荷将根据北京市规范的数据指标为极限值，以北京地区的实际运行情况为建议值（见表6.1），同时增加系统弹性适应能力和安全保证系数：
表6.1设计与预计应用指标
项目
单位
热
冷
电
建筑面积
M2
490000
设计指标
W/M2
45
125
-
设计负荷
MW
22.05
61.25
60
（2）环境指标：
环境对于所采用的动力技术影响甚大，本方案将采用根据各个月份的实际温度标准进行动态设计研究。
表6.2北京地区环境温度变化数据表
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均
日间平均温度
1
4
11
21
27
31
31
30
26
20
9
3
17.83
夜间平均温度
-10
-8
-1
7
13
15
21
20
14
6
-2
-8
5.58
日平均温度
-4.5
-2
5
14
20
23
26
25
20
13
3.5
-2.5
11.71
温度变化趋势图
由于没有首都机场场址位置的实际标高，所以本方案将根据北京地区平均标高48米进行计算，相对湿度采用60%。
（3）运行时间：
机场的工作时间较长，平均日工作时间将超过普通办公建筑的平均10小时，扩建后的首都机场将会全日开放，预计有效运行不少于18小时，而且无节假日休息。
表6.3预计设备利用时间
季节
周期
天数
日利用时
实际利用时
单位
时间
Days
hrs
hrs
冬季采暖期运行日
10.21-4.5
167
18
3006
夏季制冷期运行日
4.29-10.5
160
18
2880
春秋非采暖制冷期运行日
4.6-4.28
23
18
414
春秋非采暖制冷期运行日
10.6-10.20
15
18
270
年运行日时
-
365
-
6570
（4）电价、热价、冷价与天然气价格的确定：
1）电价：
分布式能源站是以节约购入外部电力取得经济效益的，所以电价主要依据外部购电电价。
据北京非居民峰谷差电价规定，高峰为0.842元/kWh，平峰为0.509元/kWh，低谷为0.197元/kWh（已经考虑国家计划增加的0.007元/kWh）。
而商业用电的电价更高。
预计工作时间为：
每天有8小时在高峰时段用电，8小时在平峰时段用电，2小时低谷时段用电。
设计应用电价0.6214元/kWh（见表6.4）。
表6.4电价计算表
时段
电价
利用时间
单位
元/kWh
hrs
高峰
0.842
8
平峰
0.509
8
低谷
0.197
2
平均
0.6214
18
2）热价：
首都机场现采用蒸汽采暖，蒸汽的成本为160元/吨，以T3航站楼的建筑面积估计，年蒸汽用量为221,693吨。
表6.5现行热费
项目
单位
数值
蒸汽价格
元/吨
160
年蒸汽用量
吨
221693
采暖费
万元
3547
3）冷价：
由于冷价因素比较复杂，主要比较单位制冷的燃料（天然气、电、蒸汽）的成本。
根据比较，选择最低的一组数值作为三联产系统蒸汽的成本价格。
表6.6直燃机制冷燃料单位成本
项目
单位
数值
制冷天然气价
元/m3
1.7
热值
大卡
8397.75
制冷COP
-
1.3
冷价燃料成本
元/kWh
0.1339
表6.7电制冷电费单位成本
项目
单位
数值
制冷电价
元/kWh
0.6214
热值
大卡
860
制冷COP
-
4.8
冷价燃料成本
元/kWh
0.1295
表6.8制冷蒸汽单位成本
项目
单位
数值
制冷蒸汽价
元/kg
0.16
热值
大卡
663
制冷COP
-
1.325
冷价燃料成本
元/kWh
0.1566
根据上述计算，建议采用蒸汽价格为130元/吨。
蒸汽标准为9公斤饱和蒸汽供应蒸气溴化锂制冷和板式换热器（见表6.9）。
表6.9建议采用的制冷（采暖）蒸汽单位成本
项目
单位
数值
制冷蒸汽价
元/kg
0.13
热值
大卡
663
制冷COP
-
1.325
冷价燃料成本
元/kWh
0.1272
5）天然气价格：
热值与单价：
天然气低位发热值：
35159.7kJ/Nm3（8397.75kcal/Nm3）。
陕甘宁天然气成分及特性具体成分如下（见表6.10）：
表6.10燃气储份分析表
项目
组成
单位
数值
甲烷
CH4
%
95.9494
乙烷
C2H6
%
0.9075
丙烷
C3H8
%
0.1367
硫化氢
H2S
%
0.0002
二氧化碳
CO2
%
3.000
水
H2O
%
0.0062
高位热值
HHV
MJ/Nm3
39.0051
低位热值
LHV
MJ/Nm3
35.1597
密度
-
Kg/Nm3
0.7616
比重
-
-
0.589
动力粘度
-
U×10-4
0.1056
运动粘度
-
V×10-4
0.1385
爆炸上限
-
%
5.10
爆炸下限
-
%
15.36
参照北京市对燃气热电冷联产的优惠价格，在高压管道取气，天然气年消耗达到1亿立方米的大用户，天然气单价为：
1.4元/Nm3。
首都机场扩建之后，分布式能源站和原用气量结合，再考虑部分建筑还需要自己解决采暖制冷问题，所以总用气量可以达到1亿立方米。
7、需求侧分析：
（1）电力负荷分析：
根据首都机场提供的资料，机场现状如下：
1）机场供电现状：
首都机场现有区域的供电主要由110kV总降压站和35kV总降压站提供。
110kV总降压站三路110kV电源进线分别来自孙河110kV变电站、后沙峪220kV变电站、孙河－后沙峪的T接线。
目前总变压器安装容量为3台20MVa，计划将改造为3台31.5MVa。
35kV总降压站两路35kV进线分别来自天竺和李桥变电站。
变压器安装容量为2台10MVa。
从110kV变电站低压侧有两路10kV联络线，接至35kV变电站的10kV母线，所带负荷容量约为5MVa。
构成机场地区两个相对独立又相互关联的供电网络，互相补充应急。
2）现有区域用电量：
2001年首都机场总用电量19064万kWh，其中110kV站总用电量17117万kWh，35KV站总用电量1947万kWh。
根据对现有110kV站的各时段用电统计，峰电时段用电占37％，平电时段用电占36～37％，谷电时段占26～27％。
3）负荷趋势分析：
根据首都机场提供的典型日数据，绘制的机场用电负荷现状曲线图如下：
表7.1110变电站2003-7-15负荷
表7.2110变电站2003-8-2负荷
表7.3110变电站2003-9-15负荷
表7.4110变电站2003-10-15负荷
表7.5110变电站2003-11-9至11-11三日负荷变化
表7.6110变电站负荷分布
表7.7扩建区域用电负荷分布预测
根据以上各表分析，可以的出结论，目前机场的电力基本负荷为15MW，高峰负荷在25MW左右。
由于扩建之后的首都机场建筑面积将从现在的110万平方米增加到297万平方米，净增加187万平方米建筑面积，面积增加1.7倍。
对应电力负荷关系，预计将增加到25.MW（基本）—45MW（高峰）。
机场能源部门预测扩建之后的最高电力负荷为60MW，基本负荷为11MW（见上图）。
如果新建建筑不采用蒸汽吸收式制冷而广泛采用电制冷，预计电力高峰负荷增加幅度将高达65-80MW。
实际上，在新建系统中将不可避免地采用一些廉价灵活的电力制冷技术，特别是冰蓄冷技术，并以此达到电力系统的综合平衡和优化。
因此，建议考虑采用以下两个系统解决方案：
（a）能源站采用总容量30MW的联合循环系统，并保证有25-30MW的电力可以在夏季用电高峰时段输出，接入110kVa变电站外侧，与市网系统连接（项目简称：
T130方案）。
（b）能源站采用总容量20MW的联合循环系统，并保证有16-20MW的电力可以在夏季用电高峰时段输出，接入110kVa变电站内侧，与机场内部系统连接，（项目简称：
T70方案）。
（2）冷负荷分析：
首都机场提供的资料中，对T3航站楼的供冷负荷分析采用了2号航站楼的实际调研分析为基础。
根据2号航站楼的供冷数据来自集中制冷站的运行记录：
最大空调负荷32.6MW，合计125W/m2。
冷源总用能量为15.1×104GJ，折合到建筑面积为0.583GJ/m2。
2＃航站楼空调负荷特征如下图。
表7.82号航站楼实际冷负荷曲线
表7.92号航站楼实际冷负荷延时曲线
首都机场能源部门认为，T3航站楼承担着繁重的国际航班业务，其运行方式将有别于目前T2航站楼。
最终的负荷预计应当根据更为详细的模拟分析结果确定。
他们预计T3航站楼的供冷负荷为：
最大负荷60MW，合计125W/m2。
冷源总用能量为27.9×104GJ，折合到建筑面积为0.583GJ/m2。
表7.10T3航站楼预计冷负荷分布预测
根据首都机场能源部门的分析和2号航站楼的实际运行数据分析，能源站应采纳上述指标。
同时建议采取复合技术多层调节，将余热蒸汽制冷作为基本负荷，冰蓄冷作为中级腰荷，电力制冷作为高段腰荷，余热锅炉补燃作为尖峰负荷，以满足调节弹性能力的特殊要求。
特推荐使用5台6980kW蒸汽吸收式制冷机组和5台3868kW电力双工况制冷机组，以及一个座25000冷吨蓄冰槽组成一个混合制冷系统。
（3）热负荷分析：
首都机场能源部门认为：
扩建区域的供热，将主要依赖于天然气。
大规模的集中供热将会因为输送中的损失导致较高的能耗，因此集中供热仅考察对安全性要求高、并考虑景观影响的T3航站楼和楼前的商服区。
T3航站楼建筑面积为49万平方米，T3航站楼前商服区所包括的17万平方米办公建筑、14万平方米宾馆、14万平方米商业建筑，合计总面积94万平方米。
表7.11能源站集中供暖面积
项目
数值（万M3）
T3航站楼
49
办公建筑
17
商业建筑
14
宾馆
14
合计
94
由于T3航站楼的建筑特殊性，没有成熟的供热负荷可以作为基础；因此，首都机场能源部门提供了T2航站楼的实际调研数据，供分析其供热负荷特性。
对T2航站楼2003年12月8日～12月11日的供热负荷调研结果如下图：
表7.122号航站楼实际数据
首都机场能源部门提供的资料表明：
T2航站楼的供热负荷需求为，最大采暖负荷14.5MW，合计44.5W/m2。
采暖总用能量为12.2×104GJ，折合到建筑面积为0.375GJ/m2。
依据T2航站楼的供热负荷推算T3航站楼的预计需求，如果T3航站楼采暖季节的室内环境温度达到与T2航站楼一致时，最大负荷需求21.8MW。
首都机场推算包括T3航站楼和楼前的商服区的总供热
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