北京某购物中心项目热电冷联产 能源岛技术解决方案

北京某购物中心工程热电冷联产能源岛技术解决方案

一、工程概述：

由北京某投资承建的北京某购物中心工程即将开工建立，该工程位于北京某工业开发区，总建筑面积373，0002，其中购物中心326，9602，酒店式公寓46，0402，工程建成后将是北京最大、最现代化的商业购物中心。

北京恩耐特分布能源公司已为本工程编制了工程热电冷联产技术解决方案，根据业主要求，本公司在恩耐特分方案根底上再提出能源岛解决方案，供业主和有关专家参考。

采用热电冷能源供给中心技术来解决大型购物中心的电力、制冷、采暖、热水和新风除湿，以及游泳池温水等能源产品供给，这是世界兴旺国家普遍采用的先进能源技术，它通过对能源的“温度对口。梯级利用〞，实现高度的节能，从而降低用户能源本钱，并实现对环境的保护。

北京市委书记刘淇最近在一份专家建议上批示，北京应该开展使用分布式能源系统建立的中、小型燃气轮机热电冷联产，另有三位副市长明确支持在北京大力开展小型分布式能源系统，以解决北京的电力、热力瓶径问题，同时优化天然气使用构造。为什么要开展分布式能源--小型燃气热电联产，首先该技术有非常好的经济性，北京市物价局已经公布用于区域热电冷联产工程的天然气价格为1.4元/立主米，以天然气价格使用小型燃气轮机热电冷联产的工程，在北京商业用电顶峰、平峰两段平均电价0.814元/kh条件下，供热期每利用1立方米天然气可以产生3.44元的直接经济收益，减去天然气本钱的效益为2.04元；制冷期可以产生3.24元的直接经济收益，减去天然气本钱的效益为1.84元，等于免费使用天然气后再有0.44～0.64元的经济收益，完全可以满足设备运行本钱和折旧，是一种“一本万利〞的新技术，既节约了能源，又节约了金钱。

天然气产值分析(北京商业峰段平均电价)

工程单位小型燃机热电冷微型燃机热电冷燃气内燃机热电冷

燃气外燃机热电燃气锅炉蒸汽溴化锂

天然气价格元/31.41.651.651.651.8/1.7

发电效率30%28%35%31.50%0.00%

单位燃气发电量kh/32.932.733.423.080.00

电价元/kh0.814

发电收益元/32.392.232.782.500.00

供热效率50%50%40%50%85%

单位燃气供热量kh/34.884.883.914.888.30

供热本钱价元/kh0.2168

供热收益元/31.061.060.851.061.80

热电联产收益元/33.443.293.633.561.80

供热差值2.041.641.981.910.00

单位燃气制冷量kh/34.883.662.549.77

制冷本钱价元/kh0.1740

制冷收益元/30.850.640.441.70

冷电联产收益元/33.242.863.221.70

效益差值1.841.211.570.00

上表说明开展燃气热电联产对用户具有极好的经济性，实际上在发电供热以外，还有免费的高温热水或生活用的温水供给，并可以利用余热锅炉的排烟的废烟气进展除湿枯燥，其经济效益显而易见。

二、设计原那么

分布式能源设计的最关键因素是根据用户的实际需要，对于用户的多种需求特性进展实事求是的分析，制定一个具有最大适用性的设计方案。

北京某购物中心工程的特性是现场没有现成的电力、热力供给条件，但有天然气高中压管道供给，假如采用传统方式必须自建变电站并施工进展电力接入，同时自建锅炉房、换热站、制冷系统、新风除湿系统、热水锅炉、应急发电机组等能源设施。还需要解决施工电源、施工阶段的临时建筑采暖等一系列问题。所以建立能源中心将可以一揽子解决该工程的所有能源需求，并有效降低工程中能源系统建立的综合投入，真正实现即节能又省钱。

此外，购物中心的能源使用构造比拟简单，电力、采暖、制冷、新风系统根本同步，需求相比照拟匹配，系统的调节因素不复杂，自主保障困难不大。因此，我们建议采用：能源岛设计方案，即自己解决全部能源供给，除天然气和水利管网外不与外部能源设施联络，自给自足。

由于本工程工程浩大，可以采用多机组方案，且可以使用天然气/柴油双燃料的燃气轮机技术，所以完全可以实现能源供给的自保和平安。

在北京开展分布式能源工程中，最大阻力是电力部门，因此采用能源岛技术解决方案可以不依靠电力系统，不用与电力公司周旋，自己掌握主动。

三、工程设想：

利用现有天然气中压管道气源条件，首先购置3台1000k级燃气内燃机发电机组，解决工程建立的电力供给，并负担建立期临时建筑物的采暖供给。在主体工程东南角地下室建立一热电冷能源综合供给中心，主设备采用两台调节灵敏，运行可靠的5500千瓦等级燃气轮机发电机组，并利用其余热驱动两台28吨级补燃/余热锅炉，冬季利用余热产生24吨蒸汽支持供热系统运行；夏季将系统总量最大补燃到52吨蒸汽以支持制冷运行；过度期提供20吨蒸汽以支持热水和除湿系统的运行。

采用8公斤180℃过热蒸汽，在主体工程外建立一条热力环网蒸汽管线，输送蒸汽支撑4个角中的东北、西北和西南三个热力--制冷站。每站安装1台2500冷吨蒸汽溴化锂制冷机组，4000k板式(汽-水)换热器，以及蒸汽除湿机组和一个用于供给卫生热水的蓄热式(水-，水)换热器。而能源中心自身除1台2500冷吨蒸汽溴化锂制冷机组，4000k板式(汽-水)换热器和一个卫生热水(水-水)蓄热式换热器外，除湿将利用锅炉排出的150℃烟气，同时还要回收内燃机的余热参加系统运行。在冬季，由于燃气轮机热电系统主要在9-22点使用，23-8点需要采用蓄热技术解决采暖保温问题，所以必须建立一些蓄热水池，将白天用不完的热量储存起来，在夜间使用。

电力系统采用6600V电压输出，支持系统内6kV环网，利用燃气轮机的灵敏调节性能，直接支持购物中心总用电系统的平安运行，两套5.5燃气轮机作为系统根本负荷和细部电力调节系统。3台1燃气内燃机担任梯级调节和燃气轮机停机后的系统电力供给，以保障酒店式公寓和购物中心内外区域的根本照明需求。

一台燃气轮机采用双燃料保障系统，在天然气供给中断供气时作为应急电源使用。

四、工程条件：

1、北京地区根本环境条件：海拔高度：48，平均温度14℃，相对湿度60%。由于购物中心

主要利用时间为上午9点至晚上10点，所以本方案主要参考日间平均温度。

北京季节平均温度趋势图

2、天然气：低热值(LHV)8400kal/3，价格1.4元/3

陕甘宁天然气成分

工程组成单位数值

甲烷H4%95.9494

乙烷2H6%0.9075

丙烷3H8%0.1367

硫化氢H2S%0.0002

二氧化碳2%3

水H2%0.0062

高位热值HHVJ/N339.0051

kal/N39316.21

低位热值LHVJ/N335.1597

kal/N38397.75

密度Kg/N30.7616

比重0.589

爆炸上限%5.1

爆炸下限%15.36

3、北京经济技术开发区实行两部制电价为：北京经济技术开发区已经实行两部制电价，容量电价为30元/月；电量电价为：顶峰0.4703元/kh，平峰0.3643元/kh，低谷0.2733元/kh。

北京经济技术开发区电价

用户类别两部制电价单一制电价

容量电价元/月/千伏安

电量电价(元/千瓦时)顶峰平段低谷电量电

价元/千瓦时

工业用电电价

其中：100K及以上300.4310.3350.252

100K及以下200.7250.4880.272

商业用电电价300.4690.3630.2720.8

其他用电电价280.495.3760.2720.7

居民生活用电电价0.44

燃气轮机应用电价

时段容量电价电价利用时间

单位元/k/月元/khhrs

顶峰平峰平均300.47037

0.36437

0.417314

应用电价0.4856

#1号内燃机应用电价

时段容量电价电价利用时间

单位元/k/月元/khhrs

顶峰平峰低谷平均30

0.47038

0.36438

0.27338

0.369324

应用电价0.4104

#2#3号内燃机应用电价

时段容量电价电价利用时间

单位元/k/月元/khhrs

顶峰平峰平均30

0.47036

0.36433

0.43509

应用电价0.5446

4、热价：北京市规定采暖锅炉的天然气价格为1.8元/3，按照锅炉实际供热效率85%计算，热价为0.2168元/kh。

5、冷价：北京市为鼓励夏季利用天然气，对制冷用气实现优惠气价，价格为1.7元/3，按照有效制冷P1计算，冷价为0.174元/kh。

6、设备利用时间：购物中心每日8∶30至22∶30营业，年利用时间5270小时。燃气轮机系统利用时间季节天数日运行小时季运行时间

供暖季151142114

供冷季174142436

过渡季4014720

总和3655270

燃气内燃机其中1台终年运行，另2台每日调峰运行，每日平均运行9小时，也为14小时，年利用5270小时。

五、主要设备：

1、燃气轮机：

燃机前置循环(也称：单循环)热电联产是一种技术先进、高效率、低污染的清洁燃烧热电消费工艺，它先通过燃气轮机的压缩机将空气压缩十几倍注入燃烧室与燃料混烧，温度超过1，000℃，使压缩空气热膨胀推动叶片带动燃气轮机发电进展首次能源利用；功后热烟气温度一般还有500℃，将其排入余热锅炉转换蒸汽，加以利用。本工程建议采用2台美国索拉公司金牛座(TAURUS)60燃气轮机发电机组。系统示意图由于工艺决定，燃气轮机热电联产具有许多优势。首先是维护率低：燃气轮机是一种连续运行的发电技术，不同于内燃机需要不断点火和更换机油，根本不需要太大的维护工作量。由于维护率低，设备可利用率非常高，天然气为燃料的内燃机组平均可利用时间小于7000小时，而燃气轮机平均超过8000小时。索拉燃气轮机的大修周期为30000小时，检修时可以预先租用一台机组，一般在48小时内可以完成更换，假如需求稳定，年设备利用小时可以到达8500小时以上。由此进一步带来的效益是发电运行本钱低，燃气内燃机的运行本钱为0.1-0.13元/kh，燃气轮机为0.03-0.055元/kh。

索拉公司是位于美国加州圣地亚哥市的专业燃气轮机制造厂家，属于世界500强企业卡特彼勒公司的子公司。该公司消费的小型燃气轮机在世界同类产品市场上的占有率超过70%，截止到去年，已经消费从700～15000k各类燃气轮机超过11566台，累计运行时间11.08亿小时。

索拉业绩

ExperienebyPakageUnitsSldEst.Hurs(000's)

pressrSets3.325475.390

ehanialDrives2.254287.730

GeneratrSets5.169299.000

PakagerAssiates81845.930

Ttal11,5661,108,050

索拉公司在中国已经销售了98套机组，主要在油田和海上平台，以及大量热电联产工程上，是中国使用最多的小型燃气轮机。该公司已经在天津港保税区建立的备品备件仓库，备有各种型号机组的大量备件、部件、易损消耗件和备用机组。在北京还有多名售后效劳和技术支援专家，可以提供及时而又廉价的现场技术效劳。

金牛座(Taurus)60技术参数(IS工况)：

发电出力：5500k

发电热耗：11840JG/kh

发电效率：30.4%

烟气流量：23240kg/hr

排烟温度：510℃

燃气进气压力：17.24Bar

机组长度：8800

机组宽度：2500

机组高度：2600

机组重量：29478kg

2、余热锅炉：

是用于回收燃气轮机余热烟气，将其转换为工业蒸汽的主要设备。余热锅炉可以采用国内一些专业厂家的产品，主要厂家有：

(1)杭州锅炉厂：该厂是国内专门从事余热锅炉制造的厂家，是国内燃气轮机电厂余热锅炉的主要消费厂家。但该厂比拟侧重于较大的余热锅炉；

(2)舰船工业总公司703所：该所是我国舰船动力的主要设计机构，专门设计制造船用和陆用动力设备的作热回收锅炉，也曾为国内许多燃气轮机电厂配套锅炉；

(3)机械工业部成套所：不仅在国内设计和组织制造了大量燃气轮机和燃气内燃机余热锅炉，还在国外援建工程中大量供给余热锅炉。假设从用金牛座60机组，应采用2套燃气轮机各拖带1台补燃余热锅炉，这样系统比拟平安可靠。

余热锅炉消费的蒸汽可以采用8kg180℃低压供热方式为标准，直接用于供给工业蒸汽。采用低压蒸汽供热系统，综合控制系统和化学水系统等都比拟简单，工程造价低廉，同时也更加节能。采用蒸汽系统的另一好处是，在夏季气温比拟高时，可以使用溴化锂吸收式制冷机组给燃气轮机进气进展预冷，降低空气温度能到达增加发电机组出力和进步发电效率的效果。

建议采用2台补燃锅炉的温度应到达925℃的余热锅炉，每台锅炉每小时可以产生27吨8Bar180℃蒸汽，总供54吨蒸汽，最大制冷能量为12555.26冷吨，折合44194.5k，超过预计需求16.4%。假如考虑内燃机可利用的热量制冷，将到达48166.5k，超过预计需求的26.87%，为设计指标的98.4%。

3、制冷机组：利用蒸汽的溴化锂吸收式制冷机组，建议采用2500冷吨超大型机组，使用大型机组占地省，维护本钱低，单位投资也比拟低。

2500冷吨冷水机组技术参数：

制冷才能：2500USRT8793k

冷水出口温度：7℃

冷水进口温度：13℃

冷水流量：1260t/h

冷却水流量：2267t/h

冷却水进口温度：30℃

冷却水出口温度：36℃

蒸汽耗量：10750kg/h

蒸汽温度：170℃

蒸汽压力：8Bar

蒸汽单位耗量：4.3kg/USRT

蒸汽凝水回水温度：90℃

耗电量：66kh

机组长度：9499

机组宽度：3594

机组高度：4700

4、燃气内燃机：

使用天然气为燃料的内燃机，推荐使用美国卡特彼勒3516LE型1011k发电机组或奥地利颜巴赫JS320GS-N.L型973k发电机组。卡特机组35该系列机组性能稳定，巩固可靠，在全世界和中国都大量使用。颜巴赫是专门制造燃气内燃机的公司，具有发电效率高，系统集成化高等优势。

颜巴赫JS320GS-N.L型机组数据：

发电机出力：973k

发电效率：38%

供热出力：1324k

供热效率：52%

综合效率：90%

供热水温：90℃

回水温度：70

汽缸数量：20缸

机组长度：5200

机组宽度：1900

机组高度：2300

机组重量：11400

余热回收装置长度：4650

余热回收装置宽度：1550

余热回收装置高度：3560

5、除湿机组：(暂空)转贴于论文联盟.ll.

六、需求分析：

1、建筑面积与用处特征：本工程总建筑面积37.3万平方米，其中需要采暖制冷的建筑面积为25.883万平方米，69.4%，除4万平方米酒店式公寓外，根本都是对电力、空调需求极大的商业性建筑物，包括净高极大的电影院等设施。该建筑属于对能源需求较大的建筑，建议业主注意建筑的节能性。

建筑面积与用处

名称面积2冷热负荷要求备注

北京某购物中心工程

购物中心地下二层48，475元

地下一层99，715局部有空调、采暖面积400202

首层65，320有

二层55，630有

三层57，820有

酒店式公寓

地下二层3，000无

地下一层3，000无

1-14层40，040有468套公寓

总计373，000

其中需空调、采暖面积(商业区)258，830

其中不需空调、采暖面积114，170

2、建筑能源设计指标：

根据恩耐特公司方案，建筑设计指标如下：

工程建筑设计指标

工程单位需空调、采暖区域其它区域

商业区酒店式公寓车库、库房等合计

建筑面积221879040040114170373000

空调供冷概算指标/2210750

冷综合需求k45，945.903，003.0048，948.90

采暖供热概算指标/275700

热综合需求k16，409.252，802.8019，212.05

电负荷指标/21208020

电综合需求k26，254.803，203.202，283.4031，741.40

3、建议应用指标：

建议采用的节能指标

工程单位需空调、采暖区域其它区域

商业区酒店式公寓车库、库房等合计

建筑面积221879040040114170373000

空调供冷概算指标/2120400

冷综合需求k26，254.801，601.6027，856.40

新风除湿指标/260300

除湿综合需求k13，127.401，201.2022，328.60

空调综合指标/2180700

空调系统综合需求k39，382.202，802.8042，185.00

采暖供热概算指标/265500

热综合需求k14，221.352，002.0016，223.35

电负荷指标/2603510

电综合需求k13，127.401，401.401，141.7015，670.50

4、同步系数：

存在两层问题：(1)电力、热力、制冷之间的同步问题；(2)用户同时使用能源的同步问题。任何建筑的电力、热力和制冷，都不可能同时到达最大需求，因此存在一个“同步系数〞问题。例如制冷，夏季下午是日照最强的时间，制冷需求最高，但购物中心中的人流不是最大峰值，假如可以自然采光，电力需求比拟低；而人流最大峰值出如今下班以后的7点钟左右，这时日照因素根本没有了，制冷已经不是峰值，但电力进入峰值时段，除湿系统也已经到达最大值。另外，对于采暖，人流大对于热的需求低，人流小反而对于热的需求大。这些因素需要系统有比拟大的调节灵敏性，才能有效保证需求的变化。购物中心是一种店铺林立的商业形式，是由一家一家独立的商业店铺分别租用或购置其中的面积经营。每个用户经营商品和营业性质不同于对电力、热力和制冷的使用方式也有所不同。例如：商品销售、餐饮、娱乐工程和购物中心内公共设施的人流顶峰时间不同，能源需求的顶峰也不一样，这其中存在相当大的互补性。实际上，国外大型购物中心中，总有相当一局部面积处于改造、装修、维护和停业之中。所以，同步系数也是必须考虑的一个问题。

综合同步系数与预计实际需求

工程单位电力热力制冷

需求容量k15，670.5016，223.3542，185.00

综合同步系数%90%95%90%

预计实际需求k14，103.4515，412.1837，966.50

七、容量确定：

对于分布式能源的技术解决方案，容量的可增减性--柔性因素非常关键，由于用户的用能方式在建立初期难以确定，特别对于热电冷都要自己解决的能源岛方案。为防止投资的浪费，应该采用比拟慎重的选择，“从小到大〞，选择比拟低的指标来确定机组，但要留出扩建的余地和设备空间。

假如由燃气轮机承当系统全部供热和制冷，将采用冬季直接供热，夏季余热锅炉补燃运行，预计夏季最炎热的6、7、8三个月，锅炉补燃温度将到达88℃以上。由于没有SlarT605500k机组的计算软件，本方案按照5200k机组测算。

环境温度影响与容量匹配关系

月份月123456789101112平均值

平均温度℃1411212731313026209317.83

单机出力k5550544651934826460844604460449846544863526654814911

双机出力k111001089210386965292168920892089969290972610532109629883

单机热量kg/h12045120011186511613215632322123221228002165211640119081202216295

双机热量kg/h24090240022373023226431264644246442456004330423280238162403232591

锅炉温度℃484485488.4493750814814800750492.4487.4485612

单机燃耗GJ64.9364.1262.1859.3579.45782.05482.05481.40379.87859.6362.7464.3970.18

双机燃耗GJ129.86128.24124.36118.7158.914164.108164.108162.806159.756119.26126.48128.78140.36

容量与需求指标关系

工程单位电热冷

使用面积2373，000258，830258，830

设计需求量k31，741.4019，212.0548，948.90

平均指标/285.1074.23189.12

节能需求量k15，670.5016，223.3542，185.00

平均指标/242.0162.68162.98

预计实际需求量k14，103.4515，412.1837，966.50

平均指标/237.8159.55146.69

系统发电与用电需求关系

工程单位1号燃机2号燃机3号燃机4号燃机5号燃机

单机发电量k55005500100010001000

累计发电容量k550011000120001300014000

建筑单位面积电量/214.7529.4932.1734.8537.53

供需比例%39.00%78.00%85.09%92.18%99.27%

上表说明电力根本可以满足预计的负荷需求，假如不能满足，可以增加内燃发电机组。假如工程Ⅱ期工程上马，也可以考虑再增加1台5500k燃气轮机。

系统供冷与冷需求关系

工程单位1号燃机1号补燃2号燃机2号补燃3号燃机4号燃机5号燃机

单机供冷量k9623.512460.89623.51240.8132413241324

累计供冷量k9623.522084.331707.844168.645492.646816.648140.6

建筑单位面积冷量/237.1885.32122.50170.65175.76180.88185.99

供需比例%25.35%58.17%83.51%116.33%119.82%123.31%[JP]126.79%

上表说明系统制冷量完全可以满足需求，而且可选择的运行方式很多，由于补燃锅炉的技术

灵敏性，可以通过调节补燃系统燃料耗量来调节供热，可以保证系统不会浪费能源。

系统供热与热需求关系

工程单位1号燃机2号燃机3号燃机4号燃机5号燃机

单机供热量k9623.59623.5132413241324

累计供热量k9623.519247205712189523219

建筑单位面积热量/237.1874.3679.4884.5989.71

供需比例%62.44%124.87%133.46%142.05%150.64%

由于本工程的热指标比拟低，所以热量难以消纳。但是考虑到热电联产系统每天仅运行14小时，另外10小时仍需要采暖，假如利用普通水蓄热，蓄能温度40-90℃，蓄能温差50℃，将需要4个466立方米水池，长10宽10深5；假设采用浓盐水，蓄能温度40-98℃，蓄能温差58℃，将需要4个400立方米水池，长10宽8深5。水池可置于地下，不占用建筑面积，夏季可用于蓄冷水，假如按15℃蓄能温差计算，可蓄能32500k，作为尖峰调峰负荷使用。

蓄热系统容量要求

工程单位数值

多余热量kh7740

蓄能时间hrs14

蓄能总量kh108355

放能时间hrs10

单位时间放热量kh10836

单位面积放热量/242

八、投资估算：

1、预计不采用热电冷系统的投资为1.03亿元。

传统方式造价估算

工程单位数值

变电站万RB3500

电力接入施工万RB1500

天然气锅炉万RB300

备用发电机万RB800

制冷机造价万RB2600

冷却塔水泵万RB500

各种换热器万RB85

辅助设备万RB100

运输安装万RB300

工程施工万RB500

工程前期万RB50

其他万RB65

总造价万RB10300

2、热电冷联产的造价为1.1亿元，比传统方式仅增加700万元。但本方案未考虑燃气轮机进口税和增值税，而且不包括土地本钱。

热电冷系统造价估算

工程单位数值

燃气轮机单价万USD210万RB1737

装机数量unit2

燃气轮机总价万RB3473

余热锅炉单价万RB350

装机数量unit2

余热锅炉总价万RB700

燃气内燃机单价万RB450

装机数量unit3

燃气内燃机总价万RB1350

制冷机组单价万RB650

装机数量unit4

制冷机总价万RB2600

冷却塔水泵万RB500

各种换热器万RB85

辅助设备万RB250

运输安装万RB950

工程施工万RB900

工程前期万RB80

其他万RB112

总造价万RB11000

九、环境保护：

使用天然气，根本没有二氧化硫污染，主要污染物为氮氧化物(NX)，北京市规定为200g/3。

燃气轮机可选用低排放为25pp，相当不到60g/3，非常环保。

燃气内燃机250g/3，有所超标，将来进入永久厂房后，可以采用烟道催化技术降低排放。

补燃余热锅炉预计的补燃温度设计在927℃以下，这是NX大量生成以内，而且实际补燃温度多在850℃以下，所以也不会大量生成NX。

十、经济评价：

工程主要收益来自发电、供热和制冷，本方案未考虑生活热水供给收益。工程主要支出为燃料消耗本钱和运行费用。

1、发电收益：预计年发电收益3227万元。

发电收益估算

工程单位燃气轮机#1内燃机#2#3内燃机合计

应用发电容量k9，8839731，94610，856

年利用时间hrs527087603285

年发电量万kh5，208.17852.35639.266，060.51

适用电费元/kh0.48560.41040.5446

发电收益万元/a2，529.14349.80348.113，227.06

2、供热收益：年供热收益为1064万元。

供热收益估算

工程单位燃气轮机#1内燃机#2#3内燃机合计

应用供热容量k19，2471，3242，64823，219

年利用时间