醫(yī)院燃料電池供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保分析

王 遜, 肖 威, 于玉良

(北京優(yōu)奈特能源工程技術(shù)有限公司, 北京 100023)

1 概述

醫(yī)院能源支出占醫(yī)院總運(yùn)行費(fèi)用的10%左右,電和天然氣消耗約占總能耗的86.9%[1-3]。因此,降低用能成本成為醫(yī)院發(fā)展的迫切需要。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)具有發(fā)電效率高、規(guī)模靈活、部分負(fù)荷特性好、污染物排放低、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)[4],得到了國(guó)內(nèi)廣泛關(guān)注[5-7]。

本文針對(duì)某醫(yī)院應(yīng)用場(chǎng)景,將采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組供能系統(tǒng)作為基準(zhǔn)方案,測(cè)算分析不同額定發(fā)電功率燃料電池供能系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、二氧化碳排放。

2 應(yīng)用場(chǎng)景

某醫(yī)院建筑面積7.4×104m2,天然氣供應(yīng)條件好,氣量充足。供暖期為11月1日—次年3月31日,供冷期為5月1日—9月30日,本文暫不考慮過(guò)渡期供能。供暖期、供冷期典型日逐時(shí)負(fù)荷分別見(jiàn)圖1、2。圖中,時(shí)段1表示[0:00,1:00],時(shí)段2表示[1:00,2:00],以此類(lèi)推。供暖期典型日為供暖熱負(fù)荷最大日,供冷期典型日為冷負(fù)荷最大日。供暖期,最大供暖熱負(fù)荷為4 727 kW,最大電負(fù)荷為2 893 kW,最大生活熱水負(fù)荷為2 600 kW。供冷期,最大冷負(fù)荷6 023 kW,最大電負(fù)荷為2 893 kW,最大生活熱水負(fù)荷為2 600 kW。電負(fù)荷不含空調(diào)制冷用電負(fù)荷。

圖1 供暖期典型日逐時(shí)負(fù)荷

圖2 供冷期典型日逐時(shí)負(fù)荷

為簡(jiǎn)化計(jì)算,將典型日逐時(shí)負(fù)荷(含供暖熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、電負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷)作為基礎(chǔ),將供暖期、供冷期用戶(hù)日逐時(shí)負(fù)荷率劃為4檔,用戶(hù)日逐時(shí)負(fù)荷率及持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表1。以供暖期用戶(hù)日逐時(shí)負(fù)荷率為50%為例,將圖1中供暖期典型日的各項(xiàng)負(fù)荷均乘50%。供暖期天然氣價(jià)格為2.60 元/m3,非供暖期天然氣價(jià)格為2.29元/m3。分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表2。

表1 用戶(hù)日逐時(shí)負(fù)荷率及持續(xù)時(shí)間

表2 分時(shí)電價(jià)

3 供能方案

3.1 基準(zhǔn)方案

基準(zhǔn)方案是以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組為主機(jī)的供能方案。除燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組供電外,不足部分由市電滿(mǎn)足。煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組(簡(jiǎn)稱(chēng)補(bǔ)燃型吸收式熱泵機(jī)組)利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組排煙、缸套水與補(bǔ)燃天然氣制熱、制冷。供暖期,供暖熱負(fù)荷由補(bǔ)燃型吸收式熱泵機(jī)組滿(mǎn)足,生活熱水負(fù)荷由燃?xì)忮仩t滿(mǎn)足。供冷期,冷負(fù)荷優(yōu)先由補(bǔ)燃型吸收式熱泵機(jī)組滿(mǎn)足,不足部分由電驅(qū)動(dòng)離心式冷水機(jī)組滿(mǎn)足,生活熱水負(fù)荷由燃?xì)忮仩t滿(mǎn)足。基準(zhǔn)方案主要設(shè)備額定參數(shù)見(jiàn)表3。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率變化范圍為1 000～3 000 kW,補(bǔ)燃型吸收式熱泵機(jī)組額定制熱量根據(jù)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率、額定發(fā)電效率、額定熱效率以及用戶(hù)最大供暖熱負(fù)荷確定,電驅(qū)動(dòng)離心式冷水機(jī)組額定制冷量根據(jù)溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組額定制冷量以及用戶(hù)最大冷負(fù)荷確定。

表3 基準(zhǔn)方案主要設(shè)備額定參數(shù)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率ηg,e與電負(fù)荷率βg,e的關(guān)系式為[8]:

式中ηg,e——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率

βg,e——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷率

通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷率適應(yīng)用戶(hù)電負(fù)荷變化,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷率的變化范圍為0.3～1.0。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組熱效率ηg,h與電負(fù)荷率βg,e的關(guān)系式為[8]:

式中ηg,h——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組熱效率

3.2 燃料電池供能方案

設(shè)立能源站,以MW級(jí)燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)為主。發(fā)電采用并網(wǎng)不上網(wǎng)模式,考慮燃料電池不宜頻繁啟停,設(shè)置蓄電池。燃料電池發(fā)電供用戶(hù)用電,若有剩余儲(chǔ)存至蓄電池,若不足則外購(gòu)市電。采用換熱器回收電堆余熱(指燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)余熱),除供用戶(hù)外,剩余部分儲(chǔ)存在蓄熱水箱內(nèi)。

燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)采用固體氧化物燃料電池(SOFC),天然氣經(jīng)天然氣壓縮機(jī)進(jìn)入重整器,與由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽反應(yīng),生成重整氣,進(jìn)入電堆陽(yáng)極。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)、空氣預(yù)熱器后,進(jìn)入電堆陰極。電堆陽(yáng)極排氣、電堆陰極排氣進(jìn)入后燃室。后燃室排煙依次進(jìn)入重整器、空氣預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器(出口煙氣溫度為245 ℃)后,進(jìn)入換熱器將60 ℃回水加熱至80 ℃,用于供暖和制備生活熱水。電堆發(fā)電通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為220 V交流電。

圖3 燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)流程1.天然氣壓縮機(jī) 2.蒸汽發(fā)生器 3.重整器 4.空氣預(yù)熱器5.電堆陽(yáng)極 6.電堆陰極 7.后燃室 8.功率轉(zhuǎn)換器9.換熱器 10.水泵 11.空氣壓縮機(jī)

燃料電池發(fā)電效率ηc,e與電負(fù)荷率βc,e的關(guān)系式為[8]:

式中ηc,e——燃料電池發(fā)電效率

βc,e——燃料電池電負(fù)荷率

通過(guò)調(diào)節(jié)燃料電池電負(fù)荷率適應(yīng)用戶(hù)電負(fù)荷變化,燃料電池電負(fù)荷率的變化范圍為0.2～1.0。燃料電池?zé)嵝嗜☆~定熱效率。

① 燃料電池供能方案1

供暖期,供暖熱負(fù)荷優(yōu)先由電堆余熱、蓄熱水箱滿(mǎn)足,不足部分由直燃型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組(簡(jiǎn)稱(chēng)直燃型吸收式熱泵機(jī)組)滿(mǎn)足,生活熱水負(fù)荷由燃?xì)忮仩t滿(mǎn)足。供冷期,冷負(fù)荷優(yōu)先由電驅(qū)動(dòng)離心式冷水機(jī)組滿(mǎn)足,不足部分由直燃型吸收式熱泵機(jī)組補(bǔ)充。利用電堆余熱制備生活熱水,剩余部分儲(chǔ)存在蓄熱水箱內(nèi),若不足,由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。

燃料電池供能方案1主要設(shè)備額定參數(shù)見(jiàn)表4。燃料電池額定發(fā)電功率范圍為1 000～3 000 kW,換熱器額定換熱量根據(jù)燃料電池額定發(fā)電功率、額定發(fā)電效率、額定熱效率選取,直燃型吸收式熱泵機(jī)組額定制熱量根據(jù)燃料電池額定發(fā)電功率、額定發(fā)電效率、額定熱效率以及用戶(hù)最大供暖熱負(fù)荷選取。

表4 燃料電池供能方案1主要設(shè)備額定參數(shù)

② 燃料電池供能方案2

供暖期,用戶(hù)供暖熱負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷優(yōu)先由燃料電池滿(mǎn)足,不足部分由電驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組(配置熱回收換熱器,供冷期可制備生活熱水)滿(mǎn)足。供冷期,冷負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷優(yōu)先由電驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組滿(mǎn)足,不足部分生活熱水負(fù)荷由電堆余熱補(bǔ)充。

燃料電池供能方案2主要設(shè)備額定參數(shù)見(jiàn)表5。燃料電池額定發(fā)電功率范圍為1 000～3 000 kW,換熱器額定換熱量根據(jù)燃料電池額定發(fā)電功率、額定發(fā)電效率、額定熱效率選取。

表5 燃料電池供能方案2主要設(shè)備額定參數(shù)

③ 燃料電池供能方案3

供暖期,供暖熱負(fù)荷優(yōu)先由電堆余熱滿(mǎn)足,不足部分由電驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組、直燃型吸收式熱泵機(jī)組滿(mǎn)足,生活熱水負(fù)荷由燃?xì)忮仩t滿(mǎn)足。供冷期,冷負(fù)荷由電驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組、直燃型吸收式熱泵機(jī)組滿(mǎn)足。生活熱水負(fù)荷優(yōu)先由電堆余熱滿(mǎn)足,不足部分由燃?xì)忮仩t滿(mǎn)足。

燃料電池供能方案3主要設(shè)備額定參數(shù)見(jiàn)表6。燃料電池額定發(fā)電功率范圍為1 000～3 000 kW,換熱器額定換熱量根據(jù)燃料電池額定發(fā)電功率、額定發(fā)電效率、額定熱效率選取。

表6 燃料電池供能方案3主要設(shè)備額定參數(shù)

4 供能方案優(yōu)化

4.1 年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算方法

年運(yùn)行費(fèi)用包括燃?xì)赓M(fèi)、市電費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)。燃?xì)忮仩t單位熱功率排風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵耗電功率按5 W/kW考慮。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)輸出電功率為扣除天然氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、水泵電功率后的電功率。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電量設(shè)備維護(hù)費(fèi)為0.072 元/(kW·h),吸收式熱泵機(jī)組(含補(bǔ)燃型吸收式熱泵機(jī)組、直燃型吸收式熱泵機(jī)組)單位冷(熱)量設(shè)備維護(hù)費(fèi)為0.000 8 元/(kW·h),燃?xì)忮仩t單位熱量設(shè)備維護(hù)費(fèi)為0.002 16 元/(kW·h),電驅(qū)動(dòng)離心式冷水機(jī)組、電驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組年設(shè)備維護(hù)費(fèi)均為7×104元/a。燃料電池、蓄電池的設(shè)備維護(hù)費(fèi)忽略不計(jì)。

年運(yùn)行費(fèi)用C的計(jì)算式為:

式中C——年運(yùn)行費(fèi)用,元/a

n——時(shí)期種類(lèi),分為供暖期、供冷期,取2

m——用戶(hù)日逐時(shí)負(fù)荷率種類(lèi)(見(jiàn)表1),取4

Cd,i,j——時(shí)期i日逐時(shí)負(fù)荷率j的日運(yùn)行成本,元/d

ti,j——時(shí)期i日逐時(shí)負(fù)荷率j的持續(xù)時(shí)間(見(jiàn)表1),d

4.2 優(yōu)化方法

以?xún)?yōu)化得到的日運(yùn)行成本為基礎(chǔ),計(jì)算基準(zhǔn)方案、燃料電池供能方案1～3在不同燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、燃料電池額定發(fā)電功率下的年運(yùn)行費(fèi)用,得到燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、燃料電池最佳額定發(fā)電功率。

目標(biāo)函數(shù):日運(yùn)行成本最低。

優(yōu)化變量:①對(duì)于基準(zhǔn)方案,對(duì)于給定的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率,以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組逐時(shí)電負(fù)荷率作為優(yōu)化變量。②對(duì)于燃料電池供能方案1～3,對(duì)于給定的燃料電池額定發(fā)電功率,以燃料電池逐時(shí)電負(fù)荷率、蓄電池逐時(shí)放電量、蓄熱水箱逐時(shí)放熱量作為優(yōu)化變量。

約束條件:①對(duì)于基準(zhǔn)方案,約束條件1為供給側(cè)、需求側(cè)的電負(fù)荷、供暖熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷平衡。約束條件2為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組電負(fù)荷率變化范圍為0.3～1.0。②對(duì)于燃料電池供能方案1～3,約束條件1為供給側(cè)、需求側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)的電負(fù)荷、供暖熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷平衡。約束條件2為燃料電池電負(fù)荷率的變化范圍為0.2～1.0。約束條件3為蓄電池、蓄熱水箱的日儲(chǔ)能與日釋能平衡。

優(yōu)化工具:采用EXCEL軟件的規(guī)劃求解器進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 年運(yùn)行費(fèi)用分析

根據(jù)優(yōu)化得到的日運(yùn)行成本,不同額定發(fā)電功率各方案的年運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表7。由表7可知,當(dāng)燃料電池額定發(fā)電功率為2 000 kW時(shí),燃料電池供能方案1～3的年運(yùn)行費(fèi)用最低。燃料電池供能方案1、3的年運(yùn)行費(fèi)用低于基準(zhǔn)方案,燃料電池供能方案2的年運(yùn)行費(fèi)用高于基準(zhǔn)方案。燃料電池供能方案1的年運(yùn)行費(fèi)用稍高于燃料電池供能方案3。

表7 不同額定發(fā)電功率各方案的年運(yùn)行費(fèi)用

5 可接受燃料電池價(jià)格

與基準(zhǔn)方案相比,燃料電池供能方案在年運(yùn)行費(fèi)用上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力,但過(guò)高的燃料電池價(jià)格成為制約其應(yīng)用的主要因素。

在計(jì)算方案設(shè)備購(gòu)置費(fèi)時(shí),燃?xì)忮仩t單位熱功率價(jià)格取800 元/kW,換熱器單位換熱功率價(jià)格取600 元/kW,電驅(qū)動(dòng)離心式冷水機(jī)組單位制冷量?jī)r(jià)格取1 080 元/kW,電驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組單位制冷量?jī)r(jià)格取1 422 元/kW,蓄電池單位輸出功率價(jià)格取1 000 元/kW,蓄熱水箱單位容積價(jià)格取250 元/m3。輔助設(shè)備與電控設(shè)備購(gòu)置費(fèi)取總設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的40%。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(含脫硝裝置)單位發(fā)電功率購(gòu)置費(fèi)Fg的計(jì)算式為:

Fg=1.4(4 894.47-0.154 6P)

式中Fg——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(含脫硝裝置)單位發(fā)電功率購(gòu)置費(fèi),元/kW

P——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率,kW

吸收式熱泵機(jī)組(含補(bǔ)燃型吸收式熱泵機(jī)組、直燃型吸收式熱泵機(jī)組)單位制冷量購(gòu)置費(fèi)Fab的計(jì)算式為:

式中Fab——吸收式熱泵機(jī)組單位制冷量購(gòu)置費(fèi),元/kW

Φ——吸收式熱泵機(jī)組額定制冷量,kW

保持燃料電池供能方案1、3除燃料電池外其他主要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)不變,經(jīng)計(jì)算得到不同額定發(fā)電功率燃料電池供能方案1、3與基準(zhǔn)方案設(shè)備購(gòu)置費(fèi)相同時(shí)的燃料電池價(jià)格(為單位額定發(fā)電功率價(jià)格,本文稱(chēng)為可接受燃料電池價(jià)格),見(jiàn)表8。由表8可知,可接受燃料電池價(jià)格與目前的燃料電池價(jià)格(國(guó)內(nèi)價(jià)格為80 000 元/kW,美國(guó)Bloom Energy產(chǎn)品價(jià)格約23 822 元/kW)仍有相當(dāng)大的差距,暫時(shí)不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型,政策支持力度逐步加大,以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模化加大,不久的將來(lái)燃料電池的價(jià)格可具備一定競(jìng)爭(zhēng)力。不同額定發(fā)電功率下,燃料電池供能方案1的可接受燃料電池價(jià)格均高于燃料電池供能方案3,說(shuō)明燃料電池供能方案1的總設(shè)備購(gòu)置費(fèi)低于燃料電池供能方案3。

表8 不同額定發(fā)電功率燃料電池供能方案1、3的可接受燃料電池價(jià)格

6 二氧化碳排放水平

設(shè)定純市電供應(yīng)方案:用戶(hù)電負(fù)荷由市電滿(mǎn)足,供暖熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷均由熱泵機(jī)組(制冷性能系數(shù)取3.6,制熱性能系數(shù)取4.1)滿(mǎn)足。可計(jì)算得到,純市電供應(yīng)方案的年耗電量為12 513.9 MW·h/a。天然氣CO2排放因子取1.964 kg/m3,北京地區(qū)電網(wǎng)CO2排放因子取0.6 kg/(kW·h)。可計(jì)算得到,不同額定發(fā)電功率基準(zhǔn)方案、燃料電池供能方案1～3以純市電供應(yīng)方案年耗電量為基準(zhǔn)的單位耗電量二氧化碳排放量(簡(jiǎn)稱(chēng)單位碳排放量),見(jiàn)表9。由表9可知,當(dāng)燃料電池額定發(fā)電功率為2 000 kW時(shí),各燃料電池供能方案單位碳排放量最低。燃料電池供能方案1單位碳排放量最低,且低于基準(zhǔn)方案。

表9 不同額定發(fā)電功率燃料電池供能方案1～3單位耗電量二氧化碳排放量

7 結(jié)論

① 燃料電池存在最佳額定發(fā)電功率,使燃料電池供能方案的年運(yùn)行費(fèi)用、碳排放量最低,且低于基準(zhǔn)方案。

② 受燃料電池價(jià)格制約,燃料電池供能方案目前不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。