摘要：以60kW級(jí)質(zhì)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(fù)荷及生活熱水負(fù)荷的變化規(guī)律，模擬了能量供需的匹配與運(yùn)行模式，考察了不同季節(jié)、不同時(shí)段系統(tǒng)對(duì)用戶熱電負(fù)荷的滿足情況及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效率，按擬定策略運(yùn)行時(shí)燃料節(jié)約情況及二氧化碳和氮氧化物的減排效果。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)；配置；運(yùn)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(dòng)機(jī)可以是內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、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(xué)能直接轉(zhuǎn)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(zhì)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(dá)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(lǐng)域，PEMFC與傳統(tǒng)內(nèi)燃式原動(dòng)機(jī)相比具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)與環(huán)境優(yōu)勢(shì)，極具實(shí)用價(jià)值，正在被推向?qū)嵱没袌?chǎng)[2]。
BCHP在國(guó)內(nèi)外得到了不同程度的發(fā)展與應(yīng)用，優(yōu)化系統(tǒng)配置和運(yùn)行是該領(lǐng)域的一個(gè)研究方向[3～5]。PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)較高的效率在應(yīng)用中能否實(shí)現(xiàn)，還有賴于與用戶用能負(fù)荷的良好匹配及合理的運(yùn)行策略，PEMFC建筑聯(lián)供系統(tǒng)的供能方式是PEMFC商業(yè)化進(jìn)程中必須關(guān)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(duì)用戶需求配置PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)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(chǎn)生凈交流電向用戶供應(yīng)電力外，還產(chǎn)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(jìn)行PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用分析。
2.1 用戶能耗特點(diǎn)
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(fù)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(fù)荷與生活熱水熱負(fù)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(fù)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(xiàng)目
|
電
|
|
|
夏季
|
冬季
|
|
|
最大電負(fù)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(xiàng)目
|
生活熱水
|
|
|
夏季
|
冬季
|
|
|
最大熱負(fù)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(fù)荷具有季節(jié)性特點(diǎn)，夏季電負(fù)荷明顯高于冬季。賓館冬季典型日電負(fù)荷比較穩(wěn)定，晚間用電負(fù)荷明顯增加；由于使用空調(diào)，夏季典型日電負(fù)荷比冬季增加近1倍。
賓館冬季典型日生活熱水負(fù)荷有早晚2個(gè)明顯峰值，而夏季典型日有早中晚3個(gè)明顯峰值。冬、夏兩季晚間的峰值負(fù)荷持續(xù)時(shí)間都比較長(zhǎng)。
2.2 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能特性
筆者在文獻(xiàn)[1]中對(duì)PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能進(jìn)行了定量研究，現(xiàn)以同樣方法對(duì)30kW和60kw的PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)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(xiàng)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(yùn)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(fù)荷為83.9kW，冬季峰值電力負(fù)荷為39.8kW，夏季峰值電力負(fù)荷約為冬季峰值電力負(fù)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(fù)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(fù)荷冬夏兩季差別較大，而PEMFC的最小負(fù)荷率約為50%，因此根據(jù)用戶負(fù)荷情況，該建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)初步配置2臺(tái)30kW的PEMFC電池堆，其靈活性要好于配置1臺(tái)60kW的PEMFC電池堆的系統(tǒng)。
3.2 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行模式
根據(jù)用戶負(fù)荷特點(diǎn)，以不浪費(fèi)余熱為原則，確定PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：
① 由于23:00—7:00時(shí)段沒有生活熱水負(fù)荷或生活熱水負(fù)荷較小，因此這一時(shí)段系統(tǒng)不運(yùn)行。
② 為了保證產(chǎn)生的熱水不浪費(fèi)，根據(jù)生活熱水負(fù)荷計(jì)算相應(yīng)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(fù)荷，按兩者之中的較小值確定系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電量。
④ 由于PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)需達(dá)到額定容量50%以上負(fù)荷，系統(tǒng)才能啟動(dòng)運(yùn)行，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際電負(fù)荷變化范圍，確定系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的電堆數(shù)。
⑤ 當(dāng)PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不能滿足電負(fù)荷需求時(shí)，以電網(wǎng)為備用電源；當(dāng)PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不能滿足生活熱水負(fù)荷需求時(shí)，采用輔助燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行補(bǔ)燃供熱水；當(dāng)PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水富余時(shí)，蓄存在蓄熱罐中用于下一時(shí)段的生活熱水需求。
3.3 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行1臺(tái)電池堆，PEMFC建筑聯(lián)供系統(tǒng)可以運(yùn)行10h，分別在早高峰時(shí)段和晚高峰時(shí)段；在夏季典型日，有7 h左右可以2臺(tái)電池堆同時(shí)運(yùn)行，有6h可以1臺(tái)電池堆運(yùn)行。PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)段，用戶從電網(wǎng)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(fù)荷供應(yīng)情況。在冬季典型日，由于系統(tǒng)夜間不運(yùn)行，在早晚高峰時(shí)段，由補(bǔ)燃供熱水提供了大部分生活熱水負(fù)荷，蓄熱罐提供熱負(fù)荷較少；在夏季典型日，在早高峰時(shí)段，不足的生活熱水負(fù)荷也由補(bǔ)燃供熱水解決，10:00—20:00蓄熱罐有2個(gè)持續(xù)釋放熱量過程，這之后不足的生活熱水負(fù)荷由補(bǔ)燃供熱水解決，蓄熱罐如果再蓄存熱量則用于下一時(shí)段。
4 PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評(píng)價(jià)
① 能效水平評(píng)價(jià)
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(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的供電效率大部分時(shí)間維持在30%～38%，熱電效率可達(dá)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(yùn)行情況。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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。可見，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行，使得系統(tǒng)夏季供電效率較低、相應(yīng)的熱效率較高，但熱電效率基本穩(wěn)定。
② 節(jié)能性評(píng)價(jià)
本文取基準(zhǔn)方案為由電網(wǎng)供應(yīng)電力、燃?xì)鉄崴鞴?yīng)生活熱水。電網(wǎng)電力是天然氣發(fā)電，電廠供電效率取50%.電網(wǎng)輸配效率取90%，燃?xì)鉄崴鞴嵝嗜?0%。
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(zhǔn)方案節(jié)約燃料量與基準(zhǔn)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(yùn)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(dāng)PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，電和熱水需求由基準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)方案相比，在運(yùn)行工況下可節(jié)約燃料天然氣33.51×104m3。綜合考慮全年運(yùn)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(píng)價(jià)
基準(zhǔn)方案的污染物排放指標(biāo)取值見表3，表3中天然氣燃燒的數(shù)據(jù)是指燃燒單位天然氣(以熱量計(jì))的污染物排放量，天然氣發(fā)電的數(shù)據(jù)是指單位發(fā)電量的污染物排放量。
表3 污染物排放指標(biāo)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(jì)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(yùn)行時(shí)的污染物減排量，下邊界線表示系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)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?yàn)橄募居袝r(shí)是2臺(tái)電池堆同時(shí)運(yùn)行。模擬計(jì)算結(jié)果為：PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)與基準(zhǔn)方案相比，全年可減排C02量為133.2t，減排N0x量為67.1t。
5 結(jié)論
① 對(duì)于PEMFC建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)，采用靈活的運(yùn)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(fù)荷的季節(jié)性和時(shí)變性，必須采用不同的運(yùn)行策略，實(shí)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(shí)現(xiàn)了燃料的節(jié)約、C02及N0x的減排，社會(huì)效益和環(huán)境效益良好。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張興梅，趙璽靈，段常貴.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)性能模擬[J].煤氣與熱力，2009，29(3)：B31-B35.
[2] 蘇慶泉.日本在燃料電池發(fā)展方向的選擇與我們的思考[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2005(10)：56-61.
[3] ROOIJERS F J，VAN AMERONGEN R A M.Static economic dispatch for cogeneration systems[J].IEEE Transactions On Power Systems，1994(3)：1392-1398.
[4] GUO T，HENWOOD M I，VAN OOIJEN M.An algorithm for combined heat and power economic dispatch[J].IEEE Transactions on Power Systems，1996(4)：1778-1784.
[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(diào)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(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150090；2.清華大學(xué) 建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉(zhuǎn)賬贊助
微信轉(zhuǎn)賬贊助
- 注解：本資料由會(huì)員及群友提供僅供閱讀交流學(xué)習(xí)，不得用于商業(yè)用途！
