姜 鑫, 金文龍

(北京市燃氣集團研究院, 北京 100011)

1 概述

燃料電池是一種能夠連續(xù)將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源裝置,在能量轉(zhuǎn)化過程中無需熱機的燃燒過程和傳動設(shè)備,效率不受卡諾循環(huán)限制,能量轉(zhuǎn)化率最高可達83%,為內(nèi)燃機的2～3倍。燃料電池結(jié)構(gòu)簡單且沒有運動組件,沒有振動,噪聲很低,損耗小,壽命長。本文結(jié)合工程實例,對以固體氧化物燃料電池(SOFC)為核心裝置的供能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性進行分析。

2 用能場景

北京某醫(yī)院建筑面積7.4×104m2,醫(yī)院對供電可靠性要求較高,擬建設(shè)能源站滿足醫(yī)院的冷、熱、電、生活熱水需求。項目周邊天然氣供應(yīng)條件好,氣量充足。

2.1 負荷特征

為便于進行全年供能情況分析,將典型日逐時負荷(含冷、熱、電、生活熱水負荷)作為基準(zhǔn),將用戶日逐時負荷率劃為4檔:100%、75%、50%、25%,用戶日逐時負荷率及對應(yīng)時間見表1。醫(yī)院供暖期、供冷期、過渡期典型日逐時負荷分別見圖1～3。圖中時段編號1代表0:00—1:00,以此類推。

圖1 醫(yī)院供暖期典型日逐時負荷

圖2 醫(yī)院供冷期典型日逐時負荷

圖3 醫(yī)院過渡期典型日逐時負荷

表1 用戶日逐時負荷率及對應(yīng)時間

熱價按照91.6 元/GJ計算,冷價按照180 元/GJ計算。生活熱水價格按照30 元/t計算。供暖期天然氣價格為2.60 元/m3,非供暖期天然氣價格為2.29 元/m3。北京地區(qū)不同時段市電價格見表2。燃料電池供電價格按照商業(yè)平均電價0.773 1 元/(kW·h)計算。

表2 北京地區(qū)不同時段市電價格

2.2 用能特點

① 全天存在電負荷需求。醫(yī)院內(nèi)一些維持生命的設(shè)備即使夜間也在運行,因此夜晚也有一定電負荷,8:00—19:00為用電高峰。

② 供暖期全天存在供暖需求。熱負荷主要集中在8:00—21:00,高峰出現(xiàn)在21:00前后,典型日最大熱負荷為4 712.27 kW。

③ 供冷期全天存在供冷需求。冷負荷主要集中在9:00—16:00,高峰出現(xiàn)在16:00前后,典型日最大冷負荷為6 031.75 kW。

④ 全年均有生活熱水需求,生活熱水主要用于殺菌、消毒、洗衣等用途,8:00—16:00是高峰時段,最大生活熱水負荷為771.43 kW。

3 燃料電池供能方案

燃料電池供能方案以燃料電池為核心裝置,采用換熱器回收電堆余熱。采用直燃型溴化鋰吸收式機組(簡稱直燃機)、離心式冷水機組、燃氣鍋爐為冷熱負荷調(diào)峰設(shè)備。采用蓄電池儲電、蓄熱水罐儲熱。燃料電池供能方案主要設(shè)備的額定容量、技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 燃料電池供能方案主要設(shè)備的額定容量、技術(shù)參數(shù)

燃料電池供能方案流程見圖4。供冷期,優(yōu)先采用離心式冷水機組制冷,不足冷量由直燃機補充。燃料電池發(fā)電余熱先為用戶供應(yīng)生活熱水,若剩余,儲存于蓄熱水罐,若不足,則由蓄熱水罐補充。燃料電池發(fā)電優(yōu)先用于驅(qū)動離心式冷水機組,其次供應(yīng)用戶,若有剩余則利用蓄電池儲存,若不足則外購市電。離心式制冷機、直燃機供、回水溫度均為7、12 ℃。燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置供、回水溫度為80、60 ℃。供冷期燃氣鍋爐停運。

圖4 燃料電池供能方案流程

供暖期,生活熱水負荷由燃氣鍋爐承擔(dān)。供暖熱負荷優(yōu)先由燃料電池發(fā)電余熱和蓄熱水罐提供,不足部分由直燃機提供。燃料電池發(fā)電先向用戶供電,若有剩余則利用蓄電池儲存,若不足則外購市電。直燃機、燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置供、回水溫度均為80、60 ℃,燃氣鍋爐供水溫度為80 ℃。供暖期離心式冷水機組停運。

過渡期,燃料電池發(fā)電先向用戶供電,若有剩余則利用蓄電池儲存,若不足則外購市電。生活熱水由燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置供應(yīng),若有剩余則利用蓄熱水罐儲存。燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置供、回水溫度為80、60 ℃。過渡期離心式冷水機組、直燃機、燃氣鍋爐停用。

4 經(jīng)濟性分析

燃料電池供能方案主要設(shè)備購置費見表4。由表4數(shù)據(jù)可知,燃料電池供能方案主要設(shè)備購置費為18 807.69×104元。

表4 燃料電池供能方案主要設(shè)備購置費

經(jīng)測算,醫(yī)院年用電量為898×104kW·h/a,其中燃料電池年供電量為721×104kW·h/a,外購市電量為177×104kW·h/a。供暖期天然氣消耗量為142×104m3,非供暖期天然氣消耗量為114×104m3。生活熱水年供水量為7 200 t/a,年供熱量為26 491 GJ/a,年供冷量36 046 GJ/a。

由各項能源價格及燃料電池供電價格,可計算得到:項目年成本為720.6×104元/a,年收益為1 470.5×104元/a。由此可計算得到項目年利潤為749.9×104元/a,設(shè)備購置費為18 807.69×104元,項目設(shè)備購置費回收期為25.1 a,項目不具有經(jīng)濟性。分析設(shè)備購置費構(gòu)成可知,設(shè)備購置費回收期過高的主要原因在于燃料電池購置費過高。根據(jù)王遜等人[1]的研究結(jié)果,當(dāng)固體氧化物燃料電池供能方案與基準(zhǔn)方案(采用燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組)設(shè)備購置費相同時,1 500 kW級別的燃料電池價格約1×104元/kW。若按這種價格水平測算,該醫(yī)院供能項目設(shè)備購置費為8 307.69×104元,設(shè)備購置費回收期可縮短至11.1 a,項目具備一定經(jīng)濟性。因此,對于燃料電池供能系統(tǒng),在能源價格相對穩(wěn)定的前提下,影響系統(tǒng)經(jīng)濟性的主要因素為燃料電池價格。

5 結(jié)論

按燃料電池價格8×104元/kW進行測算,設(shè)備購置費回收期為25.1 a,項目不具備經(jīng)濟性。當(dāng)燃料電池價格降至合理水平,按1×104元/kW進行測算,設(shè)備購置費回收期可縮短至11.1 a,項目具備一定經(jīng)濟性。對于燃料電池供能系統(tǒng),在能源價格相對穩(wěn)定的前提下,影響系統(tǒng)經(jīng)濟性的主要因素為燃料電池價格。