工程用氫能熱電聯供系統設計與安裝
——以內蒙古烏蘭察布市優刻得數據中心建設項目為例

楊海靚 中建-大成建筑有限責任公司技術部副經理

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部經理

郭克石 中建-大成建筑有限責任公司技術部副經理

王艷艷 張家口市氫能與可再生能源研究院常務副院長

謝 滔 中建-大成建筑有限責任公司副總經理

張成斌 北京清佰華通科技有限公司總經理

1 前言

開發和利用氫能已逐步成為全球共識，主要國家和地區已將氫能提升到國家戰略高度，并積極謀求氫能發展先機，以期搶占產業制高點。國際氫能理事會統計顯示，截至2021 年2 月，已有30 多個國家發布了氫能路線圖。我國已經將“氫能與儲能”作為“十四五”規劃中前瞻謀劃的六大未來產業之一，科技部發布“可再生能源與氫能技術”重點專項支持氫能技術研發創新。燃料電池是把燃料的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置[1]。氫能熱電聯供是在燃料電池發電過程中，收集電池反應的余熱并加以利用，從而提高利用效率。燃料電池熱電聯供系統除了可以解決建筑的供暖問題外，還可以在離網狀態下使用，避免偏遠地區建設電網的高額費用。本文針對烏蘭察布市優刻得數據中心建設項目設計了熱電聯供系統，并分析了燃料電池熱電聯供系統的減碳效果。

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、供料三個生產要素，才能實現能源結構的真正轉型，氫可作為靈活的能源互聯媒介與電一起，為社會生產生活提供所需的熱、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減碳，應用方式主要有分布式電站和熱電聯供。熱電聯供可以應用于民用住宅和商業建筑，日本和歐盟在這方面已有一定的普及應用。

2.2 燃料電池熱電聯供發展現狀

燃料電池熱電聯供可以在燃料電池發電的同時，向用戶供給熱能。利用燃料電池運行過程中產生的余熱供熱，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。燃料電池熱電聯供系統還具有能效高、噪音低、設備體積小、環境友好等特點，應用范圍從普通住宅的千瓦級至大規模建筑兆瓦級都可以覆蓋，可廣泛用于建筑樓宇、工業園區、酒店、醫院、社區等。從能效來看，燃料電池已經超過傳統的供熱鍋爐[3]。

2.2.1 技術現狀

質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 和固體氧化物燃料電池 (SOFC)[4]是目前比較成熟的熱電聯供系統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產生水。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。在反應過程中，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 應用現狀

世界上熱電聯供推廣比較成功的地區有日本、韓國、美國和歐洲等。世界各國發展側重有所不同，美國和韓國的研發重點主要在兆瓦級的固定發電站系統。在2018 年，韓國的燃料電池電站發電功率已經達到300 MW，使用的技術路線除了常規的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 級微型熱電聯供系統（≤10 kW）的推廣應用。日本的家用微型熱電聯產燃料電池Ene-Farm 系統，目前已部署超過33 萬套[8]。

國內的燃料電池熱電聯供系統正處于起步階段。正在推進小型熱電聯供系統的研發和示范，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供設備和4 套（440 kW）燃料電池冷熱電聯供設備，總裝機容量2.035 MW。100 kW以上的大型固定式發電系統正處于探索階段。我國目前燃料電池熱電聯供示范項目還較少，但在“碳中和”的目標下，分布式燃料電池熱電聯供系統將是我國建筑領域實現碳減排的一個重要方式。

3 項目情況

內蒙古烏蘭察布市優刻得數據中心建設項目，工程地址位于內蒙古烏蘭察布市集寧區烏蘭察布察哈爾技術經濟開發區：優刻得大道以北、阿里大道以南、靜安路以西。建筑功能為數據中心、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，結構形式為獨立基礎+框架結構。

優刻得二期項目辦公區、生活區用峰值電量統計如表1 所示。

表 1 優刻得數據中心建設項目用電情況

4 熱電聯供系統設計

4.1 燃料電池發電系統

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

單套燃料電池熱電聯供系統，包含燃料電池發動機本體、輔助散熱系統、主散熱系統及自來水換熱系統、電管理系統、進排氣輔助系統等構成；

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；經過空氣濾清器后，空壓機負責對空氣進行加壓，并根據電堆的需求與節氣門協調工作，保證進出電堆的空氣流量和壓力在合適的范圍。

經過空壓機之后，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，經過解壓后通過氫氣運輸裝置運輸到燃料電池電堆，未反應的氫氣一部分經氫氣循環泵匯流到氫氣入口繼續參與反應，另一部分通過排氣閥，與空氣混合稀釋到3%以下排入大氣。

冷卻系統分為輔助散熱系統和主散熱系統及自來水換熱系統兩個系統，其中輔助散熱系統包括輔助水泵、膨脹水箱、風扇等構造，主要的目的是為DCDC和空壓機提供散熱；主散熱系統及自來水換熱系統，燃料電池的熱量通過外循環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，通過電控三通閥調節，主散熱器帶走燃料電池系統產生的熱量，排入大氣環境中。

4.2 系統電器

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

此電池管理系統主要由燃料電池、儲能設備、升壓DC/DC、AC/DC 整流器、DC/AC 逆變器等組成。

當電網正常時，由市電正常給用電設備供電，當電網出現異常時，由儲能設備經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備進行電能的補給。供電架構中，采用燃料電池與儲能設備并聯供電的方式，可做到能量的互補。

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

4.3 氫氣供應系統

為保證熱電聯供系統可持續的運行，氫氣供給優先使用長管拖車，可方便隨時更換和使用。

氫氣供應系統按照工作原理可分為兩個子系統，第一子系統為氫氣控制系統，此部分集成于燃料電池發動機上，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，氫噴射器與壓力傳感器用于調節進入電堆內部的氫氣流量，分水器與排水閥聯動用于排放電堆內生成的水。

第二子系統為氫氣存儲系統，此部分獨立于燃料電池發動機外，主要功能是為燃料電池發動機提供氫氣源；按照燃料電池額定功率100 kW 進行計算，每天發電量2 400 kW·h。按照每公斤氫氣發電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 熱電聯供系統設備施工安裝

5.1 熱電聯供系統設備的主要安裝流程(如圖2 )

5.2 施工工藝、方法

5.2.1 施工工藝技術要求

嚴格按照生活區布置圖與設備深化圖紙施工，做好安裝前的技術與安全交底，嚴格控制各環節工藝標準，確保設備與管道安裝質量。

5.2.2 設備定位

（1）設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）氫能熱電聯供系統成套設備應布置在獨立空間，應具備良好的通風條件，同時機組四周應具備不少于0.6 m的燃料加注與檢修空間。

（3）設備房內與四周不得有易燃易爆物品，設備房5 m 內不得設置過道且不得有人居住。

（4）氫氣管束車停放場地距構筑物應滿足25 m 的安全距離，管束車停放區域應設防砸、防撞、防盜保護設施，設專人24 h 看護。

5.2.3 設備基礎制作

（1）施工流程(如圖3 )。

（2）設備基礎承載力按照機組本身凈重設計。

（3）基礎內預留機組設備接地扁鋼。

（4）基礎表面應設置冷凝水導槽，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 熱電聯供系統設備安裝流程

圖 3 熱電聯供系統設備基礎施工流程

圖4 熱電聯供系統機組安裝流程

（1）施工要點如下。

第一，機組安裝前應進行一下檢查：機組設備外觀完好，不應有損傷現象；重要部件如反應模塊、供熱模塊、供電模塊應完整、無損；機組附件、配件齊全無損傷。

第二，對基礎強度、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、進出水管處設置門式支撐架，并合理設定支撐點間距。

第五，機組的所有進出管路均應獨立支撐并應準確對中，機組與管路緊密連接后不應受到任何管路的應力和變形，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，應注意檢查管路內徑是否匹配，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。各類管道應在試驗壓力下觀測10 min，壓力降不應大于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、防結露與減少熱損。保溫材料使用難燃型發泡橡塑，導熱系數須小于0.037 W/（M·K）。寒冷地帶需對冷熱水管加設電伴熱。

5.2.6 調試與試運行

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、數據是否符合生產廠商的要求，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試。手動啟動機組，機組運轉中無異常震動和聲響，管道緊固連接部位不松動，冷熱水循環正常，熱水系統升溫穩定、可控，供電系統電壓、電流均在額定值，運行2 h 無故障即為測試合格。隨后將機組設為自動控制，測試結束。

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

6 結語

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