工程用氢能热电联供系统设计与安装
——以内蒙古乌兰察布市优刻得数据中心建设项目为例
2022-04-15杨海靓中建大成建筑有限责任公司技术部副经理
杨海靓 中建-大成建筑有限责任公司技术部副经理
宋叶丰 张家口市氢能与可再生能源研究院研究员
杨连荣 中建-大成建筑有限责任公司技术部经理
郭克石 中建-大成建筑有限责任公司技术部副经理
王艳艳 张家口市氢能与可再生能源研究院常务副院长
谢 滔 中建-大成建筑有限责任公司副总经理
张成斌 北京清佰华通科技有限公司总经理
1 前言
开发和利用氢能已逐步成为全球共识,主要国家和地区已将氢能提升到国家战略高度,并积极谋求氢能发展先机,以期抢占产业制高点。国际氢能理事会统计显示,截至2021 年2 月,已有30 多个国家发布了氢能路线图。我国已经将“氢能与储能”作为“十四五”规划中前瞻谋划的六大未来产业之一,科技部发布“可再生能源与氢能技术”重点专项支持氢能技术研发创新。燃料电池是把燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置[1]。氢能热电联供是在燃料电池发电过程中,收集电池反应的余热并加以利用,从而提高利用效率。燃料电池热电联供系统除了可以解决建筑的供暖问题外,还可以在离网状态下使用,避免偏远地区建设电网的高额费用。本文针对乌兰察布市优刻得数据中心建设项目设计了热电联供系统,并分析了燃料电池热电联供系统的减碳效果。
图 1 氢气长管拖车
2 背景介绍
2.1 氢能介绍
我国的石化禀赋是“多煤、缺油、少气”,煤炭在能源中占比过高,石油和天然气的进口依赖程度较大。我国要想从以煤炭为主的高碳能源体系,跨越以石油天然气为主的低碳能源体系,直接进入以可再生能源为主的绿色能源体系,需要综合替代原有石化能源的供电、供热、供料三个生产要素,才能实现能源结构的真正转型,氢可作为灵活的能源互联媒介与电一起,为社会生产生活提供所需的热、电和原材料,成为石化能源体系的综合替代者。
2018 年全国建筑全寿命周期碳排放总量为49.3 亿tCO2,占全国能源碳排放的比重为51.2%。2018 年全国建筑施工阶段能耗0.47 亿tec,占建筑全寿命周期能耗2.2%,占全国能源消费总量和碳排放的比重为1%[2]。氢能可以有效帮助建筑行业减碳,应用方式主要有分布式电站和热电联供。热电联供可以应用于民用住宅和商业建筑,日本和欧盟在这方面已有一定的普及应用。
2.2 燃料电池热电联供发展现状
燃料电池热电联供可以在燃料电池发电的同时,向用户供给热能。利用燃料电池运行过程中产生的余热供热,可提高能源的利用效率,从而减少二氧化碳和其他有害气体的排放。燃料电池热电联供系统还具有能效高、噪音低、设备体积小、环境友好等特点,应用范围从普通住宅的千瓦级至大规模建筑兆瓦级都可以覆盖,可广泛用于建筑楼宇、工业园区、酒店、医院、社区等。从能效来看,燃料电池已经超过传统的供热锅炉[3]。
2.2.1 技术现状
质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 和固体氧化物燃料电池 (SOFC)[4]是目前比较成熟的热电联供系统采用的燃料电池类型。
PEMFC 的工作温度在50 ~100 ℃。氢气分子由阳极进入电池,在含有贵重金属铂催化剂的膜电极上被氧化为氢离子,并且释放出电子。然后氢离子透过质子交换膜扩散到达阴极。最后氢离子、电子和由阴极进入电池的氧气一起反应产生水。电子在外部电路中流动从而形成电流[5]。
SOFC 的工作温度在600 ~800 ℃。其特征是使用固体氧化物材料作为电解质。在反应过程中,氧气由阴极进入电池,在阴极催化剂的作用下生成氧离子,通过固体氧化物组成的电解池到达阳极,和氢气反应生成水。由于SOFC 的工作温度非常高,因此不需要昂贵的贵金属铂催化剂,并且在一定程度上可以抵抗CO 的毒化[6]。
2.2.2 应用现状
世界上热电联供推广比较成功的地区有日本、韩国、美国和欧洲等。世界各国发展侧重有所不同,美国和韩国的研发重点主要在兆瓦级的固定发电站系统。在2018 年,韩国的燃料电池电站发电功率已经达到300 MW,使用的技术路线除了常规的SOFC 和PEMFC 外,还有熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)[7]。日本和欧洲则更注重家用kW 级微型热电联供系统(≤10 kW)的推广应用。日本的家用微型热电联产燃料电池Ene-Farm 系统,目前已部署超过33 万套[8]。
国内的燃料电池热电联供系统正处于起步阶段。正在推进小型热电联供系统的研发和示范,全国首个氢进万家智慧能源项目在佛山南海正式投运,共计安装394 套家用燃料电池热电联供设备和4 套(440 kW)燃料电池冷热电联供设备,总装机容量2.035 MW。100 kW以上的大型固定式发电系统正处于探索阶段。我国目前燃料电池热电联供示范项目还较少,但在“碳中和”的目标下,分布式燃料电池热电联供系统将是我国建筑领域实现碳减排的一个重要方式。
3 项目情况
内蒙古乌兰察布市优刻得数据中心建设项目,工程地址位于内蒙古乌兰察布市集宁区乌兰察布察哈尔技术经济开发区:优刻得大道以北、阿里大道以南、静安路以西。建筑功能为数据中心、综合办公,总建筑面积47 030.28 m2,地上3 层、地下1 层,最高建筑16.95 m,结构形式为独立基础+框架结构。
优刻得二期项目办公区、生活区用峰值电量统计如表1 所示。
表 1 优刻得数据中心建设项目用电情况
4 热电联供系统设计
4.1 燃料电池发电系统
该项目使用一套100 kW 热电联供的系统并联的方式进行,热电联供综合效率可达90%以上,可提供65°热水供生活使用,也可接入厂区供暖系统。
单套燃料电池热电联供系统,包含燃料电池发动机本体、辅助散热系统、主散热系统及自来水换热系统、电管理系统、进排气辅助系统等构成;
空气首先通过空气滤清器,其目的过滤空气中的灰尘、颗粒、氨气、一氧化碳和硫化物等有毒气体;经过空气滤清器后,空压机负责对空气进行加压,并根据电堆的需求与节气门协调工作,保证进出电堆的空气流量和压力在合适的范围。
经过空压机之后,空气温度会增加到100 ℃以上,超过电堆的适用温度,需要通过中冷器对压缩空气进行降温;同时入堆的空气需要保证一定的湿度要求,通过电堆阴极出口的高温高湿度的尾气与空压机出口的空气进行湿热交换,满足电堆对空气的湿度要求。
氢气来源由储氢装置提供,经过解压后通过氢气运输装置运输到燃料电池电堆,未反应的氢气一部分经氢气循环泵汇流到氢气入口继续参与反应,另一部分通过排气阀,与空气混合稀释到3%以下排入大气。
冷却系统分为辅助散热系统和主散热系统及自来水换热系统两个系统,其中辅助散热系统包括辅助水泵、膨胀水箱、风扇等构造,主要的目的是为DCDC和空压机提供散热;主散热系统及自来水换热系统,燃料电池的热量通过外循环换热器与自来水进行换热,为客户提供热水,当客户无生活用水需求时,通过电控三通阀调节,主散热器带走燃料电池系统产生的热量,排入大气环境中。
4.2 系统电器
此项目采用1 组燃料电池+储能设备+逆变器并机的供电方案,可以用作生活区主电源,也可在厂区断电时可做到毫秒级电能补充。
此电池管理系统主要由燃料电池、储能设备、升压DC/DC、AC/DC 整流器、DC/AC 逆变器等组成。
当电网正常时,由市电正常给用电设备供电,当电网出现异常时,由储能设备经逆变后进行短暂的过渡供电,燃料电池启动后,能量的主要供给切换为燃料电池,于此同时,燃料电池也能为储能设备进行电能的补给。供电架构中,采用燃料电池与储能设备并联供电的方式,可做到能量的互补。
电网正常时,电网整流为储能设备充电;电网故障时,燃料电池为储能设备供电,通过两种途径可有效保证储能设备的电能充足。
4.3 氢气供应系统
为保证热电联供系统可持续的运行,氢气供给优先使用长管拖车,可方便随时更换和使用。
氢气供应系统按照工作原理可分为两个子系统,第一子系统为氢气控制系统,此部分集成于燃料电池发动机上,主要组成部件有:减压器、氢喷射器、压力传感器、分水器、排水阀等零部件;减压器用于将外部氢气压力降至合适范围内,氢喷射器与压力传感器用于调节进入电堆内部的氢气流量,分水器与排水阀联动用于排放电堆内生成的水。
第二子系统为氢气存储系统,此部分独立于燃料电池发动机外,主要功能是为燃料电池发动机提供氢气源;按照燃料电池额定功率100 kW 进行计算,每天发电量2 400 kW·h。按照每公斤氢气发电15 kW·h 电计算,每天耗氢量为160 kg。推荐使用长管拖车作为氢气源,20 Mpa 长管拖车一般由6 ~8 个高压钢瓶组成,每车可存储260 ~460 kg 的氢气,全负荷工作,两天需使用一车氢气(如图1 )。
5 热电联供系统设备施工安装
5.1 热电联供系统设备的主要安装流程(如图2 )
5.2 施工工艺、方法
5.2.1 施工工艺技术要求
严格按照生活区布置图与设备深化图纸施工,做好安装前的技术与安全交底,严格控制各环节工艺标准,确保设备与管道安装质量。
5.2.2 设备定位
(1)设计阶段对安装场地合理定位,尽可能降低安装材料成本与管路热损。
(2)氢能热电联供系统成套设备应布置在独立空间,应具备良好的通风条件,同时机组四周应具备不少于0.6 m的燃料加注与检修空间。
(3)设备房内与四周不得有易燃易爆物品,设备房5 m 内不得设置过道且不得有人居住。
(4)氢气管束车停放场地距构筑物应满足25 m 的安全距离,管束车停放区域应设防砸、防撞、防盗保护设施,设专人24 h 看护。
5.2.3 设备基础制作
(1)施工流程(如图3 )。
(2)设备基础承载力按照机组本身净重设计。
(3)基础内预留机组设备接地扁钢。
(4)基础表面应设置冷凝水导槽,避免机组下方存有积水。
5.2.4 机组安装
(1)施工流程(如图4 )。
图 2 热电联供系统设备安装流程
图 3 热电联供系统设备基础施工流程
图4 热电联供系统机组安装流程
(1)施工要点如下。
第一,机组安装前应进行一下检查:机组设备外观完好,不应有损伤现象;重要部件如反应模块、供热模块、供电模块应完整、无损;机组附件、配件齐全无损伤。
第二,对基础强度、平面验收合格后,机组方可落位固定。
第三,机组采用简易隔振形式与橡胶减震形式。
第四,切勿借机组作为管路的支撑,在机组供气管、进出水管处设置门式支撑架,并合理设定支撑点间距。
第五,机组的所有进出管路均应独立支撑并应准确对中,机组与管路紧密连接后不应受到任何管路的应力和变形,进口支撑必须在软接头之前且靠近软接头。
第六,进出水管应尽可能使用直管,避免采用不必要的弯管和接头。
第七,管道采用法兰连接时,应注意检查管路内径是否匹配,连接螺栓孔是否对齐。
5.2.5 试压、保温
第一,加氢管、冷热水管试验压力均为工作压力的1.5 倍。各类管道应在试验压力下观测10 min,压力降不应大于0.02 MPa,随后降到工作压力进行检查,无渗漏为合格。
第二,加氢管、冷热水管试压合格后必须进行保温,用以防冻、防结露与减少热损。保温材料使用难燃型发泡橡塑,导热系数须小于0.037 W/(M·K)。寒冷地带需对冷热水管加设电伴热。
5.2.6 调试与试运行
第一,机组空载测试:在无电、热负载的情况下对机组进行空载测试,机组运行中检查各单元声音、状态、数据是否符合生产厂商的要求,运行2 h 无故障即为测试合格。
第二,空载测试合格后立即进行满载调试。手动启动机组,机组运转中无异常震动和声响,管道紧固连接部位不松动,冷热水循环正常,热水系统升温稳定、可控,供电系统电压、电流均在额定值,运行2 h 无故障即为测试合格。随后将机组设为自动控制,测试结束。
第三,机组运行测试合格后,开启系统所有功能,进入系统试运行状态,为期48 h。试运行期间无故障,系统即可投入使用。
6 结语
我国氢能产业技术方面布局全面,但供能领域还在起步阶段,与国外差距较大。按内蒙古东部火电平均碳排放数据0.7769kgCO2/kW·h[9],本项目使用氢能热电联供可减少碳排放469.5吨CO2/年。本文针对乌兰察布市优刻得数据中心建设项目设计了燃料电池热电联供系统,对燃料电池热电联供系统的设备施工与安装进行研究,并且对碳排放数据进行分析。建筑工程用燃料电池热电联供系统的推广主要受限于设备成本及运营成本,伴随着氢能产业的发展和设备、氢气成本的下降,有望在有氢源的地区得到推广。