工程用氫能熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計與安裝
——以內(nèi)蒙古烏蘭察布市優(yōu)刻得數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目為例

楊海靚 中建-大成建筑有限責任公司技術(shù)部副經(jīng)理

宋葉豐 張家口市氫能與可再生能源研究院研究員

楊連榮 中建-大成建筑有限責任公司技術(shù)部經(jīng)理

郭克石 中建-大成建筑有限責任公司技術(shù)部副經(jīng)理

王艷艷 張家口市氫能與可再生能源研究院常務(wù)副院長

謝 滔 中建-大成建筑有限責任公司副總經(jīng)理

張成斌 北京清佰華通科技有限公司總經(jīng)理

1 前言

開發(fā)和利用氫能已逐步成為全球共識，主要國家和地區(qū)已將氫能提升到國家戰(zhàn)略高度，并積極謀求氫能發(fā)展先機，以期搶占產(chǎn)業(yè)制高點。國際氫能理事會統(tǒng)計顯示，截至2021 年2 月，已有30 多個國家發(fā)布了氫能路線圖。我國已經(jīng)將“氫能與儲能”作為“十四五”規(guī)劃中前瞻謀劃的六大未來產(chǎn)業(yè)之一，科技部發(fā)布“可再生能源與氫能技術(shù)”重點專項支持氫能技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新。燃料電池是把燃料的化學能通過電化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。氫能熱電聯(lián)供是在燃料電池發(fā)電過程中，收集電池反應(yīng)的余熱并加以利用，從而提高利用效率。燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)除了可以解決建筑的供暖問題外，還可以在離網(wǎng)狀態(tài)下使用，避免偏遠地區(qū)建設(shè)電網(wǎng)的高額費用。本文針對烏蘭察布市優(yōu)刻得數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目設(shè)計了熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并分析了燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)的減碳效果。

圖 1 氫氣長管拖車

2 背景介紹

2.1 氫能介紹

我國的石化稟賦是“多煤、缺油、少氣”，煤炭在能源中占比過高，石油和天然氣的進口依賴程度較大。我國要想從以煤炭為主的高碳能源體系，跨越以石油天然氣為主的低碳能源體系，直接進入以可再生能源為主的綠色能源體系，需要綜合替代原有石化能源的供電、供熱、供料三個生產(chǎn)要素，才能實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的真正轉(zhuǎn)型，氫可作為靈活的能源互聯(lián)媒介與電一起，為社會生產(chǎn)生活提供所需的熱、電和原材料，成為石化能源體系的綜合替代者。

2018 年全國建筑全壽命周期碳排放總量為49.3 億tCO2，占全國能源碳排放的比重為51.2%。2018 年全國建筑施工階段能耗0.47 億tec，占建筑全壽命周期能耗2.2%，占全國能源消費總量和碳排放的比重為1%[2]。氫能可以有效幫助建筑行業(yè)減碳，應(yīng)用方式主要有分布式電站和熱電聯(lián)供。熱電聯(lián)供可以應(yīng)用于民用住宅和商業(yè)建筑，日本和歐盟在這方面已有一定的普及應(yīng)用。

2.2 燃料電池熱電聯(lián)供發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池熱電聯(lián)供可以在燃料電池發(fā)電的同時，向用戶供給熱能。利用燃料電池運行過程中產(chǎn)生的余熱供熱，可提高能源的利用效率，從而減少二氧化碳和其他有害氣體的排放。燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)還具有能效高、噪音低、設(shè)備體積小、環(huán)境友好等特點，應(yīng)用范圍從普通住宅的千瓦級至大規(guī)模建筑兆瓦級都可以覆蓋，可廣泛用于建筑樓宇、工業(yè)園區(qū)、酒店、醫(yī)院、社區(qū)等。從能效來看，燃料電池已經(jīng)超過傳統(tǒng)的供熱鍋爐[3]。

2.2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 和固體氧化物燃料電池 (SOFC)[4]是目前比較成熟的熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用的燃料電池類型。

PEMFC 的工作溫度在50 ～100 ℃。氫氣分子由陽極進入電池，在含有貴重金屬鉑催化劑的膜電極上被氧化為氫離子，并且釋放出電子。然后氫離子透過質(zhì)子交換膜擴散到達陰極。最后氫離子、電子和由陰極進入電池的氧氣一起反應(yīng)產(chǎn)生水。電子在外部電路中流動從而形成電流[5]。

SOFC 的工作溫度在600 ～800 ℃。其特征是使用固體氧化物材料作為電解質(zhì)。在反應(yīng)過程中，氧氣由陰極進入電池，在陰極催化劑的作用下生成氧離子，通過固體氧化物組成的電解池到達陽極，和氫氣反應(yīng)生成水。由于SOFC 的工作溫度非常高，因此不需要昂貴的貴金屬鉑催化劑，并且在一定程度上可以抵抗CO 的毒化[6]。

2.2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

世界上熱電聯(lián)供推廣比較成功的地區(qū)有日本、韓國、美國和歐洲等。世界各國發(fā)展側(cè)重有所不同，美國和韓國的研發(fā)重點主要在兆瓦級的固定發(fā)電站系統(tǒng)。在2018 年，韓國的燃料電池電站發(fā)電功率已經(jīng)達到300 MW，使用的技術(shù)路線除了常規(guī)的SOFC 和PEMFC 外，還有熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）[7]。日本和歐洲則更注重家用kW 級微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)（≤10 kW）的推廣應(yīng)用。日本的家用微型熱電聯(lián)產(chǎn)燃料電池Ene-Farm 系統(tǒng)，目前已部署超過33 萬套[8]。

國內(nèi)的燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)正處于起步階段。正在推進小型熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研發(fā)和示范，全國首個氫進萬家智慧能源項目在佛山南海正式投運，共計安裝394 套家用燃料電池熱電聯(lián)供設(shè)備和4 套（440 kW）燃料電池冷熱電聯(lián)供設(shè)備，總裝機容量2.035 MW。100 kW以上的大型固定式發(fā)電系統(tǒng)正處于探索階段。我國目前燃料電池熱電聯(lián)供示范項目還較少，但在“碳中和”的目標下，分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)將是我國建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的一個重要方式。

3 項目情況

內(nèi)蒙古烏蘭察布市優(yōu)刻得數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目，工程地址位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧區(qū)烏蘭察布察哈爾技術(shù)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)：優(yōu)刻得大道以北、阿里大道以南、靜安路以西。建筑功能為數(shù)據(jù)中心、綜合辦公，總建筑面積47 030.28 m2，地上3 層、地下1 層，最高建筑16.95 m，結(jié)構(gòu)形式為獨立基礎(chǔ)+框架結(jié)構(gòu)。

優(yōu)刻得二期項目辦公區(qū)、生活區(qū)用峰值電量統(tǒng)計如表1 所示。

表 1 優(yōu)刻得數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目用電情況

4 熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計

4.1 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

該項目使用一套100 kW 熱電聯(lián)供的系統(tǒng)并聯(lián)的方式進行，熱電聯(lián)供綜合效率可達90%以上，可提供65°熱水供生活使用，也可接入廠區(qū)供暖系統(tǒng)。

單套燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，包含燃料電池發(fā)動機本體、輔助散熱系統(tǒng)、主散熱系統(tǒng)及自來水換熱系統(tǒng)、電管理系統(tǒng)、進排氣輔助系統(tǒng)等構(gòu)成；

空氣首先通過空氣濾清器，其目的過濾空氣中的灰塵、顆粒、氨氣、一氧化碳和硫化物等有毒氣體；經(jīng)過空氣濾清器后，空壓機負責對空氣進行加壓，并根據(jù)電堆的需求與節(jié)氣門協(xié)調(diào)工作，保證進出電堆的空氣流量和壓力在合適的范圍。

經(jīng)過空壓機之后，空氣溫度會增加到100 ℃以上，超過電堆的適用溫度，需要通過中冷器對壓縮空氣進行降溫；同時入堆的空氣需要保證一定的濕度要求，通過電堆陰極出口的高溫高濕度的尾氣與空壓機出口的空氣進行濕熱交換，滿足電堆對空氣的濕度要求。

氫氣來源由儲氫裝置提供，經(jīng)過解壓后通過氫氣運輸裝置運輸?shù)饺剂想姵仉姸?，未反?yīng)的氫氣一部分經(jīng)氫氣循環(huán)泵匯流到氫氣入口繼續(xù)參與反應(yīng)，另一部分通過排氣閥，與空氣混合稀釋到3%以下排入大氣。

冷卻系統(tǒng)分為輔助散熱系統(tǒng)和主散熱系統(tǒng)及自來水換熱系統(tǒng)兩個系統(tǒng)，其中輔助散熱系統(tǒng)包括輔助水泵、膨脹水箱、風扇等構(gòu)造，主要的目的是為DCDC和空壓機提供散熱；主散熱系統(tǒng)及自來水換熱系統(tǒng)，燃料電池的熱量通過外循環(huán)換熱器與自來水進行換熱，為客戶提供熱水，當客戶無生活用水需求時，通過電控三通閥調(diào)節(jié)，主散熱器帶走燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，排入大氣環(huán)境中。

4.2 系統(tǒng)電器

此項目采用1 組燃料電池+儲能設(shè)備+逆變器并機的供電方案，可以用作生活區(qū)主電源，也可在廠區(qū)斷電時可做到毫秒級電能補充。

此電池管理系統(tǒng)主要由燃料電池、儲能設(shè)備、升壓DC/DC、AC/DC 整流器、DC/AC 逆變器等組成。

當電網(wǎng)正常時，由市電正常給用電設(shè)備供電，當電網(wǎng)出現(xiàn)異常時，由儲能設(shè)備經(jīng)逆變后進行短暫的過渡供電，燃料電池啟動后，能量的主要供給切換為燃料電池，于此同時，燃料電池也能為儲能設(shè)備進行電能的補給。供電架構(gòu)中，采用燃料電池與儲能設(shè)備并聯(lián)供電的方式，可做到能量的互補。

電網(wǎng)正常時，電網(wǎng)整流為儲能設(shè)備充電；電網(wǎng)故障時，燃料電池為儲能設(shè)備供電，通過兩種途徑可有效保證儲能設(shè)備的電能充足。

4.3 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)

為保證熱電聯(lián)供系統(tǒng)可持續(xù)的運行，氫氣供給優(yōu)先使用長管拖車，可方便隨時更換和使用。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)按照工作原理可分為兩個子系統(tǒng)，第一子系統(tǒng)為氫氣控制系統(tǒng)，此部分集成于燃料電池發(fā)動機上，主要組成部件有：減壓器、氫噴射器、壓力傳感器、分水器、排水閥等零部件；減壓器用于將外部氫氣壓力降至合適范圍內(nèi)，氫噴射器與壓力傳感器用于調(diào)節(jié)進入電堆內(nèi)部的氫氣流量，分水器與排水閥聯(lián)動用于排放電堆內(nèi)生成的水。

第二子系統(tǒng)為氫氣存儲系統(tǒng)，此部分獨立于燃料電池發(fā)動機外，主要功能是為燃料電池發(fā)動機提供氫氣源；按照燃料電池額定功率100 kW 進行計算，每天發(fā)電量2 400 kW·h。按照每公斤氫氣發(fā)電15 kW·h 電計算，每天耗氫量為160 kg。推薦使用長管拖車作為氫氣源，20 Mpa 長管拖車一般由6 ～8 個高壓鋼瓶組成，每車可存儲260 ～460 kg 的氫氣，全負荷工作，兩天需使用一車氫氣(如圖1 )。

5 熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備施工安裝

5.1 熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備的主要安裝流程(如圖2 )

5.2 施工工藝、方法

5.2.1 施工工藝技術(shù)要求

嚴格按照生活區(qū)布置圖與設(shè)備深化圖紙施工，做好安裝前的技術(shù)與安全交底，嚴格控制各環(huán)節(jié)工藝標準，確保設(shè)備與管道安裝質(zhì)量。

5.2.2 設(shè)備定位

（1）設(shè)計階段對安裝場地合理定位，盡可能降低安裝材料成本與管路熱損。

（2）氫能熱電聯(lián)供系統(tǒng)成套設(shè)備應(yīng)布置在獨立空間，應(yīng)具備良好的通風條件，同時機組四周應(yīng)具備不少于0.6 m的燃料加注與檢修空間。

（3）設(shè)備房內(nèi)與四周不得有易燃易爆物品，設(shè)備房5 m 內(nèi)不得設(shè)置過道且不得有人居住。

（4）氫氣管束車停放場地距構(gòu)筑物應(yīng)滿足25 m 的安全距離，管束車停放區(qū)域應(yīng)設(shè)防砸、防撞、防盜保護設(shè)施，設(shè)專人24 h 看護。

5.2.3 設(shè)備基礎(chǔ)制作

（1）施工流程(如圖3 )。

（2）設(shè)備基礎(chǔ)承載力按照機組本身凈重設(shè)計。

（3）基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)留機組設(shè)備接地扁鋼。

（4）基礎(chǔ)表面應(yīng)設(shè)置冷凝水導槽，避免機組下方存有積水。

5.2.4 機組安裝

（1）施工流程(如圖4 )。

圖 2 熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備安裝流程

圖 3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)施工流程

圖4 熱電聯(lián)供系統(tǒng)機組安裝流程

（1）施工要點如下。

第一，機組安裝前應(yīng)進行一下檢查：機組設(shè)備外觀完好，不應(yīng)有損傷現(xiàn)象；重要部件如反應(yīng)模塊、供熱模塊、供電模塊應(yīng)完整、無損；機組附件、配件齊全無損傷。

第二，對基礎(chǔ)強度、平面驗收合格后，機組方可落位固定。

第三，機組采用簡易隔振形式與橡膠減震形式。

第四，切勿借機組作為管路的支撐，在機組供氣管、進出水管處設(shè)置門式支撐架，并合理設(shè)定支撐點間距。

第五，機組的所有進出管路均應(yīng)獨立支撐并應(yīng)準確對中，機組與管路緊密連接后不應(yīng)受到任何管路的應(yīng)力和變形，進口支撐必須在軟接頭之前且靠近軟接頭。

第六，進出水管應(yīng)盡可能使用直管，避免采用不必要的彎管和接頭。

第七，管道采用法蘭連接時，應(yīng)注意檢查管路內(nèi)徑是否匹配，連接螺栓孔是否對齊。

5.2.5 試壓、保溫

第一，加氫管、冷熱水管試驗壓力均為工作壓力的1.5 倍。各類管道應(yīng)在試驗壓力下觀測10 min，壓力降不應(yīng)大于0.02 MPa，隨后降到工作壓力進行檢查，無滲漏為合格。

第二，加氫管、冷熱水管試壓合格后必須進行保溫，用以防凍、防結(jié)露與減少熱損。保溫材料使用難燃型發(fā)泡橡塑，導熱系數(shù)須小于0.037 W/（M·K）。寒冷地帶需對冷熱水管加設(shè)電伴熱。

5.2.6 調(diào)試與試運行

第一，機組空載測試：在無電、熱負載的情況下對機組進行空載測試，機組運行中檢查各單元聲音、狀態(tài)、數(shù)據(jù)是否符合生產(chǎn)廠商的要求，運行2 h 無故障即為測試合格。

第二，空載測試合格后立即進行滿載調(diào)試。手動啟動機組，機組運轉(zhuǎn)中無異常震動和聲響，管道緊固連接部位不松動，冷熱水循環(huán)正常，熱水系統(tǒng)升溫穩(wěn)定、可控，供電系統(tǒng)電壓、電流均在額定值，運行2 h 無故障即為測試合格。隨后將機組設(shè)為自動控制，測試結(jié)束。

第三，機組運行測試合格后，開啟系統(tǒng)所有功能，進入系統(tǒng)試運行狀態(tài)，為期48 h。試運行期間無故障，系統(tǒng)即可投入使用。

6 結(jié)語

我國氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面布局全面，但供能領(lǐng)域還在起步階段，與國外差距較大。按內(nèi)蒙古東部火電平均碳排放數(shù)據(jù)0.7769kgCO2/kW·h[9]，本項目使用氫能熱電聯(lián)供可減少碳排放469.5噸CO2/年。本文針對烏蘭察布市優(yōu)刻得數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目設(shè)計了燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，對燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備施工與安裝進行研究，并且對碳排放數(shù)據(jù)進行分析。建筑工程用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)的推廣主要受限于設(shè)備成本及運營成本，伴隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和設(shè)備、氫氣成本的下降，有望在有氫源的地區(qū)得到推廣。