文化体育中心热电冷联产方案

五棵松文化体育中心热电冷联产方案预可行性报告编制单位： 2004年6月目 录1 总 论1.1 报告主要内容说明1.2 体育中心概况1.3 项目概况1.4 项目方案的主要特点1.5 主要技术经济指标2 项目初步分析2.1 项目的外部环境分析2.2 体育中心建筑特点2.3 项目方案总体思路2.4 负荷模拟分析2.5 小 结 3 方案设计3.1 方案思路3.2 设备选型3.3 热力系统3.4 电气系统3.5 燃料供应系统3.6 系统运行策略3.7 技术指标4 能源站建设与管理4.1 能源站场址选择4.2 能源站建筑方案4.3 劳动安全消防卫生4.4 项目运营组织机构5 方案评价5.1 环境影响评价5.2 技术经济评价5.3 风险分析5.4 小 结6 结论与建议6.1 结 论6.2 建 议附录一常规方案1（城市热网电制冷）附录二常规方案2（燃气锅炉电制冷）附录三内燃机热电冷联产方案（无蓄热罐）附图一 体育中心建筑总平面图附图二能源站首层平面图附图三能源站地下一层平面图1. 总论1.1. 报告主要内容说明本报告的主要目的是：对五棵松文化体育中心的能源供应，部分采用热电冷联产系统方案的可行性，进行初步研究。因而，报告的重点在于对方案中的联产系统部分，进行初步的分析、方案设计及评价。为了保证联产系统能够实现经济的运行，报告首先分析了负荷预测存在的两个层次，即为安全保险起见，常规方案的负荷预测方法采取“宁大勿小”的设计原则，而联产方案的负荷预测则应采取“宁小勿大”的、更接近实际负荷的逐时模拟方法，以防止出现联产机组出现选型过大、机组部分负荷运行甚至不能运行的情况。为了克服可能存在的人为因素影响，并突出对联产系统部分的评价，报告中联产部分的评价采用了相对比较法，即将联产部分本身的技术经济性能，与其替代的常规供能方式（城市热网+电制冷 或 燃气锅炉+电制冷）进行比较，以得出体育中心应用联产系统相对常规供能方式的优劣。1.2. 体育中心概况1.2.1. 周边条件五棵松文化体育中心规划建设用地位于北京市区西部，复兴路以北，西四环以东，西翠路以西。用地周边城市建设区已基本建设形成，东侧主要为现状居住用地，北侧为规划住宅开发用地，南侧隔复兴路相对为解放军总医院，西侧紧邻城市快速路西四环路。在用地周边，已有或规划的市政条件有：燃气：西四环路有现状DN500mm天然气中压管道，规划气源来自西四环路现状天然气中压管道，规划沿五棵松文化体育中心北路、复兴路分别新建DN500mm天然气中压管道。另外，西翠路现状为DN400mm中压管道，一条DN200mm管线已从东侧引入建设用地内。供热：规划沿复兴路新建DN1000毫米热力管道,沿西翠路新建DN500毫米热力管道,沿五棵松文化体育中心北路新建DN400毫米热力管道。 供电：在体育中心北侧的奥林小区内，规划有110kV/10kV变电站。一期容量为10万kVA，二期容量为10万kVA；另东侧沙窝现有10kV开闭站。 1.2.2. 建筑规划根据规划目标，五棵松文化体育中心既是第29届奥运会规划安排的一处主要比赛场地，同时也将规划成为北京市西部地区市民进行体育活动和文化休闲活动的重要场所。整个体育中心总用地约50.17公顷，其中用地南侧以五棵松篮球馆综合体为主体，配合各种文化景观及体育运动设施，为一个“文化体育”区；用地北侧将沿五棵松文化体育中心北路建设商业开发设施，包括四星级酒店、写字楼、商场等，为一个“商业开发”区。整个小区建筑面积约为35万平方米，其中商业建筑面积27.3万平米（包括篮球馆上部商建面积），篮球馆建筑面积约5.6万平米，游泳馆建筑面积约为2.0万平米。1.3. 项目概况为体现科技奥运、绿色奥运的理念，在经济、高效、可靠、清洁的高标准要求下，实现向文化体育中心提供可靠的能源供应，方案小组提出了高效利用天然气能源的先进分布式能源系统热电冷联产系统。该联产系统可为文化体育中心各建筑提供部分空调、采暖、生活热水及部分电力，供能不足部分由常规能源供应方式补充；联产系统与常规能源方式互为补充，极大的提高了整个能源系统的安全可靠性、经济性。项目方案的工作原理是：(热电联产的设备容量由平电确定，同时能够提供的供热量和供冷量也确定了)采用燃气内燃机发电，承担体育中心峰平电期间的基本负荷，不足电量由市电补充；在发电同时，回收其排放废热及冷却水热量，用于供热和制冷。具体到发电动力方面，采用多台高效燃气内燃机组合形式，实现系统部分负荷下的高效运行，同时提高系统的可靠性；在制冷方面，采用吸收机利用内燃机排放的中高温废热制冷，不足冷量由常规制冷方式来补充。在供热方面，回收机组冷却水热量及烟气废热，不足热量由燃气锅炉或直燃机补足。整个方案的突出技术特点是：实现能源的梯级、高效利用，保证联产系统的可靠、经济运行。该项目方案的主要指标为：机房建筑占地面积约1100平方米，建筑面积约1950平方米；系统估算总投资约为8038万元，相对常规城市热网电制冷方案投资增加4155万元，但每年可节约能耗运行费1469万元，增量投资回收年限2.9年；能源利用方面，平均利用效率达到88。能源供应的可靠性方面，由分布式热点联产系统、大电网及机组冗余设备构成了电力供应的三级保障，由补燃吸收机组、电压缩冷机、蓄能装置等实现了冷热的多级保障；环保方面，废气排放及噪声污染均可达到国家标准要求。1.4. 项目方案的主要特点1.4.1. 把握负荷预测的层次关系分析了负荷预测在常规供能方案设计与联产方案设计的不同层次。同样出于确保能源供应的安全与经济性，常规供能方案负荷预测常采取“宁大勿小”的原则，而联产方案则应尽可能的以实际逐时负荷为依据，以对联产系统的机组配置及运行进行优化设计，确保联产机组的经济运行。1.4.2. 系统简单高效，易于实际操作在对负荷特性准确把握的基础上，结合工程实际的可操作性，对联产系统进行了适当简化，从而在保证较高能源利用效率的前提下，实现实际工程的简单操作与运行。（在采用生活热水蓄热罐后，整个系统的年能源利用效率可达到81%）1.4.3. 联产系统的优化设计实际热电冷负荷的预测，为联产系统的优化配置设计提供了基础。在这一前提下，结合实际运行可能出现的情况，对联产机组的型式、容量、台数及运行策略进行优化设计，以让方案在实际可操作性强的前提下，实现联产系统的高效经济运行。1.4.4. 高度可靠的能源保障措施奥运比赛场馆建筑的能源供应，首先必须保证高度的可靠性与安全性，而联产系统与常规供能系统的结合方式，提高了能源供应的安全可靠性。对于供冷供热来说，由于吸收机补燃技术的成熟与发展，使得联产机组的供冷供热可以脱离发电运行而独立开来，因而其首先不会对供冷供热的安全产生不利的影响，另外，由于燃气、电力多种能源输入方式的搭配，使得供冷供热的安全得到了进一步的保障。对于供电来说，虽然现在可以做到多路供电，但一旦发生诸如美加大停电的事故，就会对奥运场馆的安全比赛产生很大的影响，而热电冷联产系统相当于多了一个自备发电机组，使赛场的供电更加安全可靠。1.5. 主要技术经济指标机房选址初步定在游泳中心正东侧，建筑面积1950平米，占地面积约1100平米。项目方案的主要技术经济指标：项目方案主要技术经济指标发电机容量（kW）6564余热补燃吸收机制冷容量(kW)16900电压缩冷机容量（kW）4400蓄能槽体积（m3）1300全年发电机总发电量(万kW.h)3050全年买高峰电（万kW.h）528全年买平价电（万kW.h）846全年买低谷电（万kW.h）533全年耗燃气量(万m3)889全年能源平均利用效率88%发电机组满负荷运行小时数4646主要设备投资及相关建设费用（万元）8038全年主要能耗费用（万元）31052. 项目初步分析2.1. 项目的外部环境分析2.1.1. 北京目前能源系统存在的问题环境问题： 北京是一个人口超千万，能源消耗大且重工业占较大比重的城市。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，北京市对能源的需求量不断增加。而北京的能源消费又以煤炭为主，十几年来煤炭在能源消费结构中一直保持60左右，而且绝大部分在市区直接燃烧，造成市区大气环境的严重污染。北京大气污染中90的二氧化硫和80的可吸入颗粒物是均是燃煤产生的。为改善北京的环境压力，政府加大了对清洁能源的投入，奥运会的申办对也对北京的能源结构的调整也起到了推动作用。燃气电力峰谷差拉大： 北京的能源结构调整，使得北京的天然气事业得到了快速发展。这几年来，北京天然气以每年30%的速度递增，然而，北京市天然气供应系统中，用气结构的不合理，导致了严重的季节性用气不平衡。冬夏季用气量相差很大，目前夏季用气量仅为冬季的1/6，这样势必造成天然气井、处理站、管道、门站设施等利用效率的大幅度下降，其结果是城市供气成本的增加，燃气价格的攀升。而另外在电力方面，目前随着空调数量的不断增加，夏季空调负荷逐年加大，使夏季电力供应极度紧张，城区、郊区220kV和110kV变压器满负荷或过负荷或过温情况较多，存在被迫拉闸限电的现象。炎热天气过后，发电、输电、配电设施大量闲置，季节性峰谷差逐年增大，这就使得发电、输电、配电设备能力不能充分利用，发电成本上升。如果电与气能均衡发展，相互达到一个削峰填谷的作用，对燃气及电力相关企业，对国家能源的综合利用，对整个成本降低是非常有利的。电力供应安全问题： 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%，2010年将可能超过70%，远远超过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，如果处理不及时，就足以拉垮北京电网。这些线路几乎跨越了同一组地震断裂带区域，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，也是难以保证用电安全。2.1.2. 适当发展热电冷联产系统有利于北京能源问题的解决由于热电冷联产在提高能源利用效率、缓解燃气电力蜂谷差、提高供电安全性等各方面具有非常明显的优势作用，国家已初步出台一些政策对其进行鼓励支持，并已将冷热电联产列入了当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录。另外，在中国21世纪议程、中华人民共和国节约能源法、中华人民共和国大气污染防治法等文件与法规中，都明确表示鼓励发展热电联产等高效能源技术，推广“能源梯级利用技术，热电冷联产技术”，并将其作为可持续发展战略的重要组成部分，并在税收等方面给予优惠政策；2000年，由中国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20001268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。规定再次重申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轮机热、电、冷联产项目。如果上述政策能够得到相关单位的进一步落实与实施，热电冷联产项目在北京将会得到更大更为顺利的发展。2.2. 体育中心建筑特点建筑的能源方案设计，应结合建筑类型的负荷特点及其对能源供应的特殊要求，来进行综合考虑。对于体育中心而言，从建筑类型特点的角度来看，体育中心建筑面积约为35万平方米，其中篮球馆建筑面积约5.6万平米，游泳馆建筑面积约为2.0万平米，而商业建筑面积约27.3万平米（包括篮球馆上部商建面积），占体育中心建筑总面积的80%左右，由此可说明体育中心建筑以商业建筑为主，而在商业建筑中，建筑类型多样，包括办公楼、商场、酒店等，使得整个商业建筑的负荷能够互为补充，负荷匹配关系得到改善，再加上建筑较为集中，使得能源供应非常适合于集中能源站的方式。另外，篮球馆、游泳馆在赛时赛后存在负荷不稳定的问题，如果对其单独考虑能源供应系统，必然会造成设备投资的浪费，而将体育场馆的能源供应纳入商业建筑中，即对整个体育中心的能源供应采取统一的集中能源站方式，则由于不同建筑类型负荷的互为补充作用，可很好的改善场馆建筑负荷的不稳定性，极大提高能源设备的利用率，从而提高整个能源系统运营的经济性。从建筑对能源供应的要求来看，体育中心作为北京29届奥运会规划安排的一处主要比赛场地，其能源供应首先应保证奥运期间足够的安全可靠性，能源方案的设计也应满足奥运工程设计大纲的要求，能够体现“绿色奥运、科技奥运”的理念，因而，在其能源供应方式的选择上，应考虑高效、环保、先进、可靠的能源供应方式。另外，考虑到奥运赛后场馆及其配套商业服务设施的经济运营，能源供应方式的选择也应考虑到实际运营的经济性。2.3. 项目方案总体思路2.3.1. 方案选择考虑根据体育中心周边现有或规划的市政条件及建筑特点，其能源系统的规划主要有两类可能的方案。方案之一为常规方案，即传统的城市热网（或燃气锅炉）电制冷市电方案，该方案投资较省，技术成熟，但在能源利用、经济性能及能源供应的可靠性方面，不能代表当今先进的能源供应方式，能源供应也得不到强有力的保障，不能体现“绿色奥运、科技奥运”的理念。方案之二为先进的分布式能源热电冷联产方案，由热电冷联产系统向体育中心提供部分电力及冷热量，不足部分再由常规能源方式补充。该方案投资较高，但运行费用很低，各方面技术也很成熟，在能源利用、经济性能、技术可靠性及环境的友好性方面，代表当前及将来先进的能源供应方式，能源供应可得到充分的保障，并能很好体现奥运的理念，提高能源系统运营的经济性。因而，从能源供应的安全、高效、先进、经济等多角度来看，体育中心能源供应方式宜考虑热电冷联产方案。为了切实说明分布式能源热电冷联产方案在经济性能、能源利用方面所具有的先进性与优越性，项目方案小组在对热电冷负荷进行详尽分析的基础上，结合实际情况，对该项目的能源系统方案进行了优化设计，得出了实际可行的最佳的热电冷联产方案。另外，为了着重说明联产系统本身所具有的优越性，克服负荷、常规辅助设备选型、价格等可能存在因素的影响，方案只对联产系统与其替代的常规能源系统进行比较，以得出联产方案本身所能带来的经济效益，以供方案决策部门对联产系统本身的价值进行权衡参考。而对常规辅助设备的选型及容量，本方案只根据预测的实际负荷，给出一个基本的设备类型及容量，在实际工程中，可根据实际安全系数的需要，最终确定常规辅助类型及设备。2.3.2. 联产方案定位联产系统与常规供能系统结合，共同为体育中心提供冷、热及电力，即联产系统承担热电冷的基本负荷，不足部分由常规方式补充。针对本项目建筑类型的特点，适宜建立集中能源站为体育中心提供冷热，而对于中心的电力供应来说，体育中心将建一个10kV的开闭站，然后，在各建筑本地降压至400V。考虑到建筑的电力负荷特点及联产系统的规模经济效应，发电机作为一路电源，宜接入10kV电压等级，与市电一起，统一为体育中心提供电力。因而，能源系统方案的设计，是以整个体育中心的热电冷负荷为基准，联产系统承担整个体育中心热电冷的基本负荷。2.4. 负荷模拟分析2.4.1. 负荷预测的两个层次负荷的预测，是能源方案设计的前提与基础。负荷预测的准确程度，将直接影响到能源供应的安全可靠性、经济性。为了确保能源的供应安全及经济性，针对常规供能方案设计与联产方案设计，负荷的预测存在两个层次：对于一般的常规供能方案的设计，常规供能方式要承担全部的热电冷负荷供应，因而，为确保能源供应的安全，负荷预测必须留有一定的保险余量，以应付实际运行中可能出现的特殊情况。因而，这种“宁大勿小”的设计方法，对于常规的供能方案设计，无疑是有其道理的。然而，对于联产方案的设计，同样出于确保能源供应的安全与经济性，联产方案一般只是作为常规供能方式的一个有益补充，承担部分热电冷负荷。因而，对于联产方案的设计，就应该尽可能的以实际负荷为依据，负荷预测尽可能的反映实际负荷的逐时变化特点，以对联产系统的机组配置及运行进行优化设计，确保联产机组的经济运行。如果联产系统方案设计，还采取常规供能方式负荷的设计思想，必然会造成联产机组容量偏大，机组常年部分负荷运行甚至不能运行，机组运行的经济性得不到保证。因此，常规供能方案负荷预测，采取保险余量的“宁大勿小”的设计方法是有其道理的，而对于联产方案负荷预测，采用更为实际的逐时负荷设计方法，也是合乎情理的，两种方法都出于对方案更为经济或安全的角度来考虑，只是由于两者供能理念的差别，导致负荷预测方法的不同而已。2.4.2. 负荷计算的原理在建筑的规划阶段，一般只能确定该建筑最基本的信息，如建筑的使用功能和相应面积等，因而，热电冷负荷只能在大量的调研分析的基础上，根据该建筑类型的基本特征，对典型的建筑类型进行逐时模拟计算。模拟计算的原理如图2-3，图2-4。在模拟的过程中，冷热负荷的模拟计算是基于逐时负荷计算软件DeST进行的，DeST已应用的工程实例包括国家大剧院空调设计、中南海空调改造、解放军301医院空调系统改造、中央电视台空调改造等，该软件已通过国家鉴定。电负荷的计算模拟软件则是在大量实地调研的基础上而进行研究开发的，其准确性也得到实际调研数据的验证。图2-5图2-7为对北京某写字楼电负荷模拟值与实测值的比较。图2-3 热冷负荷模拟流程图图2-4 电负荷模拟流程图图2-5 北京某写字楼实际电负荷图2-6 北京某写字楼模拟电负荷图2-7 北京某写字楼模拟电负荷与实际电负荷比较2.4.3. 负荷计算的设置条件由于体育中心建筑目前尚处于规划阶段，对其负荷的模拟计算只能以各种建筑类型典型的设置条件来进行模拟，部分模拟参数如下：1) 各建筑类型的建筑面积建筑类型建筑面积（万m2）商业中心13.34 酒店3.15 办公7.47 地下车库3.40 游泳馆2.00 篮球馆5.64 总计35.00 2) 计算设置参数房间功能夏季冬季干球温度相对湿度干球温度相对湿度商场242650601821=35餐厅232550602022=35办公室2426506020223540%客房2426506020223540%会议室2426506020223540%体育场馆2527506018213040%门厅2527506018213040%过道2527506018213040%3) 空调季节设置空调季节起止日期供暖季11.113.20空调季5.209.20过渡季3.215.19；9.2111.104) 作息时间设置房间功能作息模式商场9：0022：00餐厅7：009：00，11：0014：00，17：0024：00办公室8：0022：00（17：0022：00热扰以最大的0.2计；周末为平时的0.2）体育场馆 9：0017：00（训练热扰以最大的0.05计） 18：0020：00 （每周一次比赛）客房24小时，9：0017：00（热扰以最大值的0.2计）会议室8：0022：00另外，各建筑内各功能房间的热扰及围护结构参数均采用目前常见的设置参数，由于数据繁多，在此不一一列出。2.4.4. 负荷计算结果图2-8写字楼单位面积冷热负荷图2-10商场单位面积冷热负荷图2-12酒店单位面积冷热负荷图2-14体育馆单位面积冷热负荷图2-16游泳馆单位面积冷热负荷图2-18整个中心单位面积冷热负荷图2-19整个中心冷热负荷图2-20整个中心冷热负荷延时曲线2) 生活热水负荷建筑生活热水负荷最大值(kW)游泳馆1800 酒店1200 写字楼700 商场300 篮球馆2003) 电负荷电负荷根据性质来分，可分为与空调有关的电负荷和与空调无关的电负荷。由于空调方式，特别是冷源的类型，对电负荷会产生较大影响，而冷源耗电与方案的冷源选择有关，因而，在冷热源方案没有确定之前，在对电负荷进行模拟时，先只对不包含冷源耗电的电负荷进行模拟，而最终的电负荷大小只有在冷源确定之后，才能最终确定。下图均为部分建筑的不包含冷源耗电的电负荷。 图2-22游泳池单位面积电负荷图2-25商场单位面积电负荷图2-26写字楼单位面积电负荷图2-27整个体育中心单位面积电负荷图2-28整个体育中心电负荷图2-29整个体育中心电负荷延时曲线4) 典型日负荷图2-30冬季典型日负荷图2-31夏季典型日负荷从典型日负荷可以看出，体育中心的热冷负荷与电负荷基本保持同步，这为热电冷联产的高效经济运行创造了条件。5) 负荷汇总最大电负荷(kW) 9700 全年总耗电量（万kW.h）4200 最大制冷负荷(kW)25000 全年总耗冷量（万GJ）10.7 最大供热负荷(kW)17000 全年供暖耗热量（万GJ）7.1 最大生活热水负荷（kW）3,800 全年生活热水耗热量（万GJ）5.6 注：表中电负荷均不包含冷源耗电，生活热水负荷已考虑同步系数2.5. 小 结 1) 北京宜适当发展热电冷联产系统，并且具有发展热电冷联产所需的硬性条件。热电冷联产的发展将有助于解决目前北京能源系统中存在的环境问题、气/电蜂谷差拉大问题、供电安全问题等。2) 针对体育中心项目建筑的特点及该项目对能源供应的要求，适宜建立热电冷联产系统，用来承担体育中心热电冷的基本负荷。3) 为确保能源供应的安全与经济运行，热电冷负荷的预测存在两个层次，常规供能方式采取“宁大勿小”的负荷预测方法，而联产方案负荷预测则宜采取“宁小勿大”的实际负荷预测原则，以保证联产机组在绝大多数时间内，能满负荷的高效、经济运行。4) 体育中心热冷负荷与电负荷基本保持同步，为热电冷联产的经济高效运行提供了保证。3. 热电冷联产系统方案设计3.1. 方案介绍3.1.1. 热电冷联产方案的介绍项目方案的能源系统主要由联产系统部分及常规能源系统部分组成。联产系统部分主要包括燃气内燃机、余热型吸收机、生活热水蓄热罐。辅助的常规能源系统部分包括电制冷机、吸收机、锅炉等。方案在制冷工况和制热工况下的系统流程示意图如图2-1和图2-2所示。为简化示意图，生活热水蓄热罐在此先省略，其流程在后面热力系统图中再详细给出。系统在制冷工况运行时，燃气进入燃气内燃机发电，排放的高温烟气通入吸收机的高温发生器，高温缸套水先满足生活热水，多余缸套水再通入吸收机组的低温发生器，与高温烟气共同驱动吸收机组制冷，不足冷量由常规供冷方式补充。在制热工况运行时，高温烟气经过吸收机组，产生热水，另外，缸套水通过热交换器，产生热水，不足热量由燃气锅炉或直燃机补充。图2-1 夏季制冷系统原理图图2-2冬季供热系统原理图3.2. 设备选型3.2.1. 设备选型原则本工程的建设目的是为五棵松文化体育中心提供冷、热、电负荷，因而，设备的选取应该根据体育中心冷热电负荷的特点来进行。选型的原则是：根据体育中心负荷的特点，在保证机组一定运行小时数的前提下，由发电机组的余热及发电来提供整个中心热、电负荷的基荷，不足热、电量分别由锅炉、市电补充，不足冷量由常规制冷形式补充。在对不同系统方案进行全年逐时技术经济模拟分析的基础上，得出一个最优的系统配置和运行方案。3.2.2. 设备选择1) 内燃机发电机组最大电负荷(kW) 9700 全年总耗电量（万kW.h）4200 最大制冷负荷(kW)25000 全年总耗冷量（万GJ）10.7 最大供热负荷(kW)17000 全年供暖耗热量（万GJ）7.1 最大生活热水负荷（kW）3,800 全年生活热水耗热量（万GJ）5.6 根据对体育中心不同能源方案的优化计算与选择，本项目方案宜选用2台单机电功率在2200kW左右的燃气内燃机（根据谁选择）。此范围左右的电机，在考虑对排放污染的控制后，不同品牌发动机的性能参数相当，因而，本方案选择某一典型参数的发电机作为参考算例，其单台发动机额定性能参数如下表：燃料天然气燃料进气压力80200mbar电功率2188kW发电效率40%冷却水排热20.0%排气温度475排气至180时废热排热24.0%小时燃料耗量540Nm3/h发电电压400V频率50Hz2) 热力系统设备制冷系统除了联产系统中的余热吸收机外，辅助设备可选用电压缩冷机与直燃机的组合形式；供热系统除了烟气和缸套水供热外，还可选用直燃机和锅炉作为辅助供热设备，另外，为提高联产机组的能源利用效率，改善生活热水负荷不稳定问题，联产系统增添了生活热水蓄热罐， 主要的设备参数如下：最大电负荷(kW) 9700 全年总耗电量（万kW.h）4200 最大制冷负荷(kW)25000 全年总耗冷量（万GJ）10.7 最大供热负荷(kW)17000 全年供暖耗热量（万GJ）7.1 最大生活热水负荷（kW）3,800 全年生活热水耗热量（万GJ）5.6 （联产系统里面的余热补燃吸收机由谁确定，而它在工况要求上与一般的吸收式制冷机有什么区别）类别热力设备单位数分项总容量联产系统余热补燃型吸收机2台制冷(kW)4500供热(kW)5000生活热水蓄热罐2个体积(m3）250常规辅助设备直燃冷温水机2台制冷(kW)5000供热(kW)6300燃气锅炉2台供热(kW)10700电压缩制冷3台制冷(kW)160003.3. 热力系统3.3.1. 制冷系统在制冷工况运行时，天然气进入内燃机发电，高温排烟通入吸收机高发，缸套水通入低发（温度分别是多少），共同驱动吸收式冷机制冷。当排烟进出口温度为480/170，冷水进出口温度7/12，冷却水进出口温度30/37时，每台吸收机制冷量为2250kW（带补燃），两台总制冷能力为4500kW。电压缩冷机3台，每台制冷功率为5334 kW，总制冷容量为16000kW。直燃机2台，每台制冷功率为2500kW，总制冷容量为5000kW则制冷系统总制冷容量为：2x2250 + 2x2500 + 16000 = 25500kW。制冷系统原理如图2-32图2-32夏季制冷系统原理图2.5.2.制热系统冬季采暖及生活热水： 天然气进入内燃机发电，烟气通入吸收机高发，缸套水通过换热器（不再是低发，而是直接与生活热水进行交换），当排烟温度大约为140，联产系统共可回收或产生的热量约为5000kW，供热水进出口温度为40/60。直燃机2台，每台制热功率为3150kW，总制热容量为6300kW。燃气锅炉2台，每台制热功率为5035kW，总制热容量为10700kW。则制热系统总制热容量为：5000 + 2x3150 + 2x50350 = 22000kW。制热系统原理如图2-32图2-33冬季供热系统原理图夏季及过渡季生活热水： 夏季峰平电期间生活热水负荷约在12002800kW之间变化，缸套水可提供的最大热负荷约为2200kW，因而，缸套水先满足生活热水需要，并通过蓄热罐调节生活热水负荷的不稳定变化，在生活热水负荷满足后，缸套水可通入吸收机低发，驱动吸收制冷。在谷电期间，蓄热罐放热，满足谷电期间的热负荷。在过渡季，峰平电期间生活热水负荷约在15003600kW之间变化，缸套水可提供的最大热负荷约为2200kW，另外，由烟气换热可获得2300kW的热量，因而，两者共可提供4500kW的热负荷，可完全满足峰平电期间的生活热水负荷，另外，通过蓄热罐还可蓄存部分热量（最大可蓄存热量为8500kWh），在谷电机组停机期间放热，满足生活热水负荷（谷电期间生活热水负荷约为1000kW）。图2-33 夏季&过渡季生活热水系统原理图3.4. 电气系统体育中心的电力供应，可利用的电力条件有奥林小区变电站及沙窝开闭站。奥林小区变电站规划20万kVA容量，初步拟采用四台5万kVA变压器。每台变压器均可向两段母线甚至更多段母线供电，目前所预测五棵松体育中心最大负荷约为12000kW，一台变压器的容量足够运行，故可由从某段母线引一根10kV输电线之体育中心向负荷供电。另有东侧沙窝变电站一路10kV电源与上述互作备用，两路10kV线路接至10kV体育中心开闭站，共同向负荷供电。图2-33 电气主接线示意图内燃机发电机组容量为2 x 2188kW，若将其直接并于配电网400V母线上，各支路电流值约为3158A，电流过大，故应通过升压变压器将其并于10kV开闭站上，各支路电流约为126.3A，可大大减小其线路损耗。白天高负荷（约1100012000kW）或者平均负荷（约70008000kW）时，两台发电机组均可满负荷运行，与电网一并供电；夜间低谷电期间，关闭发电机组，由电网单独供电，以充分保证内燃机发电机组经济高效的运行。就供电的安全与可靠性而言，内燃机发电机组本身的控制系统，除了具有对电机的控制保护功能外，还具有自动负载跟踪功能、自动同步并网功能、逆功率保护功能，确保了发电机与市电并网运行时，对发电机自身的保护及不对电网造成伤害。另外，对于体育中心而言，由于发电机接入10kV侧，其完全相当于一路外来电源，因而，整个体育中心相当有三路电源接入，大大提高了中心供电的安全可靠性。3.5. 燃料供应系统天然气质量要求： 内燃机发电机组及余热不然吸收机补燃所需燃料均为天然气。根据对北京天然气的成分及特性进行分析，其均完全满足内燃机及吸收机对进气质量的要求。天然气压力及流量要求： 体育中心周边可以利用的天然气条件有：西四环路有现状DN500mm天然气中压管道，规划气源来自西四环路现状天然气中压管道，规划沿五棵松文化体育中心北路、复兴路分别新建DN500mm天然气中压管道。另外，西翠路现状为DN400mm中压管道，一条DN200mm管线已从东侧引入建设用地内，其可提供1200020000 Nm3/h的流量。而该方案内燃机最大耗气量为1080Nm3/h，进气压力为80200mbar；直燃机和燃气锅炉最大的耗气量约为1900Nm3/h，进气压力约为0.1MPa；因而，气源流量上，体育中心可利用的气源完全可以满足用气需求，气源压力在通过相应的减压后，可满足各用气设备的压力要求。 因而，燃料的供应，无论从气源的成分质量、还是从气源的流量及压力来看，体育中心可利用的气源均可完全满足该方案用气设备的需求。3.6. 系统运行策略联产系统的优化配置是在一定的优化运行策略下进行的。在一年内不同时段，能源系统运行策略也不同，运行策略总的原则是：峰平电期间发电机发电运行，不足电量由市电补充，谷电期间发电机停机买电；过渡季节，采取以热定电的原则。1）供暖季： 在寒初寒末季节，白天发电机组废热供热，热负荷在绝大多数情况下，均要大于废热热量，因而，不足部分由燃气锅炉或直燃机补充。偶尔下午多余的发电机废热蓄存在蓄热罐中，晚间停机期间释放热量。在寒季，白天由发电机组废热满足采暖负荷基荷，不足热量由锅炉或直燃机补充。（供电和供热都有不足，剩下的有其他补充，而且以供电为主）2）空调季： 在夏初或夏末季节，冷负荷在绝大多数时间内均要大于余热吸收机的制冷量，不足冷量由常规制冷方式（直燃机or电压缩制冷）补足。3）过渡季： 采取不浪费热量的以热定电原则，晚间买市电，白天根据利用的热量确定发电量，白天不足电量由市电补足。具体不同时段热电冷供应的运行策略见图2-34 图2-48图2-34寒初&寒末典型日供热曲线图2-35寒初&寒末典型日供电曲线图2-36寒期典型日供热曲线图2-37寒期典型日供电曲线图2-38过渡季典型日生活热水曲线图2-39过渡季典型日供电曲线图2-40夏初&夏末典型日供冷曲线图2-41夏初&夏末典型日供电曲线图2-42夏季典型日供冷曲线图2-43夏季典型日供电曲线3.7. 主要技术指标3.7.1. 整个能源方案的技术指标对方案的主要技术指标进行汇总，可得到如下主要指标：方案主要设备发电机容量（kW）4376余热补燃吸收机制冷容量(kW)4500生活热水蓄热罐体积（m3）250直燃冷温水机制冷容量(kW)5000燃气锅炉10700电压缩冷机制冷容量(kW)16000 全年能源系统运行指标如下：全年运行技术指标全年发电机总发电量(万kW.h)2139 其中： 高峰电（万kW.h）1098 平价电（万kW.h）1041 低谷电（万kW.h）0全年总买电量(万kW.h)2406 其中： 高峰电（万kW.h）826 平价电（万kW.h）1129 低谷电（万kW.h）450 全年耗燃气量(万m3)749 全年能源平均利用效率81%折合发电机组满负荷运行小时数4888 3.7.2. 联产系统本身的技术指标为对联产系统本身的经济及能源利用性能进行评价，以着重分析联产系统本身的优越性，特将方案中联产系统本身的主要技术指标摘录如下：联产系统主要设备燃气内燃机 发电总容量（kW）4376 余热补燃吸收机 制冷总容量（kW）4500 余热补燃吸收机 供热总容量（kW）5000 生活热水蓄热罐 总体积（m3）250 联产系统全年运行的技术指标如下：联产系统运行技术指标全年发电机总发电量(万kW.h)2139 其中：高峰电（万kW.h）1098 平价电（万kW.h）1041 低谷电（万kW.h）0 全年余热驱动制冷量（万kW.h）584 其中：峰电期间制冷量（万kW.h）280 平电期间制冷量（万kW.h）304 全年余热供热量（万kW.h）851 全年余热供生活热水量（万kW.h）671 4.5. 能源站建设与管理5.1. 能源站场址选择由于目前尚无五棵松文化体育中心地块的水文岩土地质条件，因而本方案的机房场址，暂时只根据能源供应的技术角度，选在游泳中心正东侧70米左右，具体位置有待今后对实际情况的分析再加以选择。机房建筑面积约1450平米左右，各部分建筑面积规划见表2-1： 表2-1 各功能房间面积规划功能房间面积（平米）主机房1050值班室40配电室40燃气调压计量间50水泵间200其它辅助间70总计14505.2. 能源站建筑方案5.3. 劳动安全消防卫生5.4. 项目运营组织机构6. 热电冷联产方案的评价6.1. 环境影响评价6.1.1. 排放本工程以天然气为燃料，天然气为清洁能源，其燃烧污染排放物很低，其主要关注的污染物是氮氧化物。降低氮氧化物排放最简单的是采取稀燃法，通过加大过量空气系数，降低燃烧温度，从而大大降低NOx在燃烧室内的形成，使其排放总可以达到排放标准，虽然这一方法对机组发电效率有所影响（使效率降低1%2%），但仍可使电效率保持在一个很高的水平。本方案中发电机组的电效率已考虑了降低排放可能产生的影响。另外，降低氮氧化物排放还可以采取LEANOX法、三元催化法等有效方法，从而可使排放降低到北京地方污染排放物标准。经处理的烟气，可采用烟囱排放，满足环保要求。图2-49 内燃机污染排放控制原理图6.1.2. 噪声治理内燃机为室内布置，可对其进行有效的消声隔声措施，在内燃机的进排气口安装消声器，可使得距离机组1米处噪声小于85dB（A），建筑1米外满足城市区域环境噪声标准的2类标准要求。6.2. 技术经济评价6.2.1. 评价方法现在热电冷联产系统的经济性评价方法中最常用的是投资回收年限法，在计算中规定供热和供冷的单位平米价格，而供热供冷价格的选取现在又非常的混乱，导致在热电冷联产系统的方案设计经济性分析中，如果热价冷价取得很高，则热电冷联产系统投资回收年限就很低，如果热价冷价取得很低，则热电冷联产系统投资回收年限就很高，这样评价的结果使得方案的好坏受主观因素的影响太大。另外，这种评价方法把热电冷联产系统带来的好处和由于集中供热供冷带来的好处计算在了一起，即如果不用热电冷联产系统，而是建立集中的冷站热站，同样可以赚钱，现在通用的评价方法，把这一部分好处也考虑到了热电冷联供中，这样做是不合适的。本报告用到的评价方法是基于比较方法的热电冷联产系统评价方法，即在满足同样的热电冷负荷的前提下，热电冷联产和分产相比，初投资增加，每年的运行费用减小，这种评价方法中只用到了电价，天然气价格和各种设备的投资，避免了热价冷价，同时把由于热电冷联产带来的好处和集中供热供冷带来的好处分开，计算热电冷联产系统的经济性时只计算由于热电冷联产所带来的好处，因而评价体系更具有客观性。6.2.2. 评价基准数据为对不同方案进行客观的对比评价，需建立一个统一的评价基准。由于设备本身及各种价格的多样性，因而，在项目方案规划阶段基准数据难以做到完全客观准确，表中基准数据可根据实际情况进一步调准。目前方案的比较评价仍以下表数据为准。另外，表中主要设备对应的投资费用均已包含了该设备相关的安装及厂房建设费用。发电机组6000 元/kW天然气低位发热量35200 kJ/m3电动制冷机1500 元/kW天然气统一价格1.8 元/ m3余热补燃吸收机1600 元/kW峰电价格0.9833 元/kW.h蓄能罐1200 元/m3平电价格0.6243 元/kW.h采暖换热站14 元/m2谷电价格0.2863 元/kW.h生活热水换热站280 元/kW电压缩冷机COP5采暖买热量19 元/m2双效吸收式冷机COP1.2生活热水40 元/GJ燃气电厂的发电效率50%备注：表中主要设备投资已包括其相关辅助设备、安装及厂房建设费用6.2.3. 本方案的技术经济指标根据上节评价基准，对本方案进行初步的经济评价，评价结果如下：主要设备投资及相关建设费用（万元）全年主要能耗费用（万元）发电机组及其建设费用3938 发电机组维护费用305 余热补燃吸收机组及其建设费用2704 买高峰电520 蓄能槽及其建设费用156 买平价电528 电压缩冷机及其建设费用660 买低谷电152 外管网及其建设费用580 耗燃气费用1600 总计8038 总计3105 6.2.4. 主要技术经济指标汇总主要技术经济指标发电机容量（kW）6564余热补燃吸收机制冷容量(kW)16900电压缩冷机容量（kW）4400蓄能槽体积（m3）1300全年发电机总发电量(万kW.h)3050全年买高峰电（万kW.h）528全年买平价电（万kW.h）846全年买低谷电（万kW.h）533全年耗燃气量(万m3)889全年能源平均利用效率88%发电机组满负荷运行小时数4646主要设备投资及相关建设费用（万元）8038全年主要能耗费用（万元）31056.2.5. 本方案与其它方案的比较根据本方案在应用方面的特点，在实施本方案之前，有三个需要进一步说明的地方：1) 该方案与常规方案（城市热网电制冷）比较到底有哪些优势？2) 该方案中，不要蓄能时，技术经济如何？3) 该方案中，不回收冷凝废热时，技术经济又如何？为此，项目方案组对这几种方案也进行了分析论证，各方案的计算分析过程见附录1附录3，在此只引用计算结果，对方案本身的计算分析过程不多加评述。各方案的技术经济结果比较如下表，具体的比较分析过程见后面小节。方案主要设备投资及相关建设费用(万元)全年主要能耗费用(万元)能源利用效率常规方案（城市热网电制冷蓄能）38834574内燃机热电冷联产（无蓄能，有冷凝热回收）8601312785%内燃机热电冷联产（有蓄能，无冷凝热回收）7948314183%内燃机热电冷联产（蓄能冷凝热回收）8038310588%6.2.6. 与常规方案的比较为使方案比较更具有客观性，对常规方案也采用同样的蓄能装置。项目方案（内燃机蓄能 热电冷联产）相对常规方案而言，投资的差别主要体现在发电机组的相关投资上，就发电机组一项，项目方案比常规方案投资要多4000万左右。具体的投资比较如下表：主要设备投资及相关建设费用常规方案（城市热网电制冷+蓄能）（万元）内燃机 热电冷（万元）电压缩冷机2925 660 余热补燃吸收机2704发电机组3938蓄