質子交換膜燃料電池建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究

摘 要

摘要：以60kW級質子交換膜燃料電池(PEMFC)建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，分析了用戶電負荷及生活熱水負荷的變化規(guī)律，模擬了能量供需的匹配與運行模式，考察了不同季節(jié)、不同時段系統(tǒng)對用
摘要：以60kW級質子交換膜燃料電池(PEMFC)建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，分析了用戶電負荷及生活熱水負荷的變化規(guī)律，模擬了能量供需的匹配與運行模式，考察了不同季節(jié)、不同時段系統(tǒng)對用戶熱電負荷的滿足情況及系統(tǒng)實現(xiàn)的效率，按擬定策略運行時燃料節(jié)約情況及二氧化碳和氮氧化物的減排效果。
關鍵詞：質子交換膜燃料電池；建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)；配置；運行模式；效率
Study on Building Heat and Power Cogeneration System Based on PEMFC
ZHANG Xingmei，ZHAO Xiling，DUAN Changgui
Abstract：Taking a building heat and power cogeneration system based on 60kW proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)for example，the variation rules of user electricity load and domestic hot water load are analyzed.The matching of energy demand and supply and the operation mode are simulated.The satisfaction at user heat and electricity loads by the system and the system realization efficiency in different seasons and periods of time，the fuel saving and emission reduction effect of carbon dioxide and nitrogen oxides during operation according to the drafted strategy are investigated.
Key words：proton exchange membrane fuel cell；building heat and power eogeneration system；configurati on；operation mode；efficiency
1 概述
    建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)(BCHP)是解決建筑用能的有效手段，BCHP的原動機可以是內燃機、微型燃氣輪機、燃料電池等。燃料電池的發(fā)電方式不同于傳統(tǒng)的發(fā)電方式，是將燃料的化學能直接轉化為電能，具有較高的發(fā)電效率和熱電綜合效率，不受發(fā)電規(guī)模制約。以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，1kW的PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)供電效率可達30%以上，熱電綜合效率超過80%[1]。它解決了制造成本問題，在小發(fā)電容量領域，PEMFC與傳統(tǒng)內燃式原動機相比具有明顯的效率優(yōu)勢與環(huán)境優(yōu)勢，極具實用價值，正在被推向實用化市場[2]。
    BCHP在國內外得到了不同程度的發(fā)展與應用，優(yōu)化系統(tǒng)配置和運行是該領域的一個研究方向[3～5]。PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)較高的效率在應用中能否實現(xiàn)，還有賴于與用戶用能負荷的良好匹配及合理的運行策略，PEMFC建筑聯(lián)供系統(tǒng)的供能方式是PEMFC商業(yè)化進程中必須關注的問題。本文通過分析建筑用能和PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的特性，針對用戶需求配置PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的運行情況，對系統(tǒng)性能進行分析。
2 建筑用能與PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)特性
    PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)除產生凈交流電向用戶供應電力外，還產生60℃的熱水，可以作為用戶生活熱水，因此PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的適宜用戶是有熱水需求的住宅或公共建筑。本文以北京市某賓館(建筑面積為3000m2)為例進行PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應用分析。
2.1 用戶能耗特點
    表1為該賓館電力和生活熱水參數(shù)。圖1為賓館全年電負荷情況，涂黑區(qū)域的上邊界線表示極大值，下邊界線表示極小值。圖2、3為賓館冬、夏兩季典型日的電負荷與生活熱水熱負荷。由于生活熱水在冬季和過渡季比較穩(wěn)定，隨著季節(jié)變化不大，因此以冬季典型日負荷曲線代表冬季和過渡季生活熱水變化情況。
表1 賓館電力和生活熱水參數(shù)
項目
 
電
夏季
冬季
最大電負荷/kW
83.9
39.8
典型日電量/(kW·h)
1082.5
572.5
全年總電量/(kW·h)
264500
項目
生活熱水
夏季
冬季
最大熱負荷/kW
109.7
106.3
典型日熱量/(kW·h)
1080.0
784.7
全年總熱量/(kW·h)
395200
 

    賓館的電負荷具有季節(jié)性特點，夏季電負荷明顯高于冬季。賓館冬季典型日電負荷比較穩(wěn)定，晚間用電負荷明顯增加；由于使用空調，夏季典型日電負荷比冬季增加近1倍。
    賓館冬季典型日生活熱水負荷有早晚2個明顯峰值，而夏季典型日有早中晚3個明顯峰值。冬、夏兩季晚間的峰值負荷持續(xù)時間都比較長。
2.2 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能特性
    筆者在文獻[1]中對PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能進行了定量研究，現(xiàn)以同樣方法對30kW和60kw的PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能進行計算，其結果列于表2。
表2 30kW和60kW的PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能參數(shù)
項目
額定值
操作范圍
額定值
操作范圍
電池堆額定(直流)輸出功率/kW
30
60
系統(tǒng)(交流)輸出功率/kW
25.2
14.6～32.5
50.5
29.2～65.1
輸出熱流量/kW
41.0
18.7～68.4
82.3
37.5～137.3
燃料消耗量/(mol·s-1)
0.10
0.05～0.16
0.20
0.10～0.31
熱電比
1.63
1.28～2.11
1.63
1.28～2.11
供電效率/%
32.7
27.4～38.0
32.7
27.4～38.0
熱電效率/%
86.0
85.2～86.8
86.0
85.2～86.8
3 建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的配置與運行方案
3.1 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的配置
    賓館夏季峰值電力負荷為83.9kW，冬季峰值電力負荷為39.8kW，夏季峰值電力負荷約為冬季峰值電力負荷的2倍，且夏季典型日電量也約為冬季典型日電量的2倍；冬季與夏季生活熱水負荷的峰值大致相同，但是夏季典型日的生活熱水熱量約為冬季典型日的1.4倍。
    由于用戶電力負荷冬夏兩季差別較大，而PEMFC的最小負荷率約為50%，因此根據用戶負荷情況，該建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)初步配置2臺30kW的PEMFC電池堆，其靈活性要好于配置1臺60kW的PEMFC電池堆的系統(tǒng)。
3.2 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行模式
    根據用戶負荷特點，以不浪費余熱為原則，確定PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式為：
    ① 由于23:00—7:00時段沒有生活熱水負荷或生活熱水負荷較小，因此這一時段系統(tǒng)不運行。
    ② 為了保證產生的熱水不浪費，根據生活熱水負荷計算相應的發(fā)電量作為系統(tǒng)發(fā)電量的參考值。
    ③ 比較發(fā)電量參考值與用戶電負荷，按兩者之中的較小值確定系統(tǒng)的實際發(fā)電量。
    ④ 由于PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)需達到額定容量50%以上負荷，系統(tǒng)才能啟動運行，因此應根據實際電負荷變化范圍，確定系統(tǒng)實際運行的電堆數(shù)。
    ⑤ 當PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不能滿足電負荷需求時，以電網為備用電源；當PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不能滿足生活熱水負荷需求時，采用輔助燃氣熱水器進行補燃供熱水；當PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)產生的熱水富余時，蓄存在蓄熱罐中用于下一時段的生活熱水需求。
3.3 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行工況模擬
    圖4、5為冬、夏兩季典型日PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)電力輸出情況。冬季典型日只運行1臺電池堆，PEMFC建筑聯(lián)供系統(tǒng)可以運行10h，分別在早高峰時段和晚高峰時段；在夏季典型日，有7 h左右可以2臺電池堆同時運行，有6h可以1臺電池堆運行。PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不運行時段，用戶從電網直接買電來滿足需求。
    圖6、7為冬、夏兩季典型日系統(tǒng)生活熱水負荷供應情況。在冬季典型日，由于系統(tǒng)夜間不運行，在早晚高峰時段，由補燃供熱水提供了大部分生活熱水負荷，蓄熱罐提供熱負荷較少；在夏季典型日，在早高峰時段，不足的生活熱水負荷也由補燃供熱水解決，10:00—20:00蓄熱罐有2個持續(xù)釋放熱量過程，這之后不足的生活熱水負荷由補燃供熱水解決，蓄熱罐如果再蓄存熱量則用于下一時段。

4 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價
   ① 能效水平評價
   圖8、9為PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)冬、夏兩季典型日的效率情況。在系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)的供電效率大部分時間維持在30%～38%，熱電效率可達80%以上，夏季PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的使用率高于冬季。
 

    綜合分析系統(tǒng)全年的運行情況。當系統(tǒng)運行時，其全年的供電效率水平和熱效率水平見圖10、11，涂黑區(qū)域的上邊界線表示極大值，下邊界線表示極小值?？梢姡谙到y(tǒng)運行時，6月—9月系統(tǒng)供電效率水平為20%～35%，熱效率水平為50%～64%，熱電效率水平為84%～85%；其余月份系統(tǒng)供電效率水平為28%～37%，熱效率水平為48%～54%，熱電效率水平為82%～85%。由于夏季電力緊張，PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不得已在低于系統(tǒng)最佳工作效率區(qū)運行，使得系統(tǒng)夏季供電效率較低、相應的熱效率較高，但熱電效率基本穩(wěn)定。

   ② 節(jié)能性評價
   本文取基準方案為由電網供應電力、燃氣熱水器供應生活熱水。電網電力是天然氣發(fā)電，電廠供電效率取50%.電網輸配效率取90%，燃氣熱水器供熱效率取90%。
PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率定義為滿足相同的電、熱水需求條件，PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)比基準方案節(jié)約燃料量與基準方案消耗燃料最之比。PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)在冬季工況和夏季工況的節(jié)能率見圖12、13。
 

    可見，用戶在運行PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)期間的節(jié)能率為15%～35%，具有明顯的節(jié)能效果。當PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不運行時，電和熱水需求由基準方案滿足，PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率為0。通過逐時模擬分析可得，PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)全年總發(fā)電量為15.85×104kW·h，總供熱量為26.75×104kW·h，耗天然氣量為100.54×104m3，PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)與基準方案相比，在運行工況下可節(jié)約燃料天然氣33.51×104m3。綜合考慮全年運行PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的情況，系統(tǒng)年平均節(jié)能率約為15%。
   ③ 減排效果評價
   基準方案的污染物排放指標取值見表3，表3中天然氣燃燒的數(shù)據是指燃燒單位天然氣(以熱量計)的污染物排放量，天然氣發(fā)電的數(shù)據是指單位發(fā)電量的污染物排放量。
表3 污染物排放指標取值kg/(kW·h)
 排放污染物
    C02
    N0x
 天然氣燃燒
    0.19
    0.15
 天然氣發(fā)電
    0.52
    0.17
   PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)年C02和N0x減排量按下式計算：
  
圖14、15為PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)全年的C02和N0x的減排情況，涂黑區(qū)域的上邊界線表示系統(tǒng)運行時的污染物減排量，下邊界線表示系統(tǒng)不運行時污染物減排量為0。PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)在夏季的減排效果明顯，這是因為夏季有時是2臺電池堆同時運行。模擬計算結果為：PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)與基準方案相比，全年可減排C02量為133.2t，減排N0x量為67.1t。

 
5 結論
    ① 對于PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)，采用靈活的運行方式，系統(tǒng)可以在很大程度上滿足用戶的電和熱水需求。
    ② 由于用戶負荷的季節(jié)性和時變性，必須采用不同的運行策略，實現(xiàn)系統(tǒng)較高的效率和使用率。
    ③ PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)效率高，實現(xiàn)了燃料的節(jié)約、C02及N0x的減排，社會效益和環(huán)境效益良好。
參考文獻：
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[5] 趙璽靈，鄒平華，段常貴，等.SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱電性能調節(jié)方法研究[J].煤氣與熱力，2008，28(6)：B28-R31.
 
(本文作者：張興梅1 趙璽靈2 段常貴1 1.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院 黑龍江哈爾濱 150090；2.清華大學 建筑技術科學系 北京 100084)