五棵松文化体育中心热电冷联产方案05302.docx
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五棵松文化体育中心热电冷联产方案05302
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
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）
3105
2.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[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
24～26
50～60％
18～21
>=35％
餐厅
23～25
50～60％
20～22
>=35％
办公室
24～26
50～60％
20～22
35~40%
客房
24～26
50～60％
20～22
35~40%
会议室
24～26
50～60％
20～22
35~40%
体育场馆
25～27
50～60％
18～21
30~40%
门厅
25～27
50～60％
18～21
30~40%
过道
25～27
50～60％
18～21
30~40%
3）空调季节设置
空调季节
起止日期
供暖季
11.11～3.20
空调季
5.20～9.20
过渡季
3.21～5.19；9.21～11.10
4）作息时间设置
房间功能
作息模式
商场
9：
00～22：
00
餐厅
7：
00～9：
00，11：
00～14：
00，17：
00～24：
00
办公室
8：
00～22：
00
（17：
00～22：
00热扰以最大的0.2计；周末为平时的0.2）
体育场馆
9：
00～17：
00（训练热扰以最大的0.05计）
18：
00～20：
00（每周一次比赛）
客房
24小时，9：
00～17：
00（热扰以最大值的0.2计）
会议室
8：
00～22：
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
200
3）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
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