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燃料电池技术在地下工程中的应用探讨蔡浩摘要分析了地下工程对能源系统的特殊需求和现存问题,指出燃料电池技术在地下工程中的应用优势和发展前景。简要介绍了燃料电池的原理、种类和特点以及燃料电池建筑冷热电联产系统的原理和组成,对燃料电池冷热电联产系统在地下工程中的应用配置方案进行了探讨。关键词燃料电池建筑冷热电联产地下工程DiscussionofapplyingfuelcellsinundergroundengineeringAbstractPointsouttheapplicationadvantagesandfuturedevelopmentofthefuelcelltechnologyinundergroundengineering,byanalyzingthespecialneedsandpresentproblemsoftheenergysysteminit.Brieflyintroducestheworkingprinciples,classificationandcharacteristicsofthefuelcell,andtheprinciplesandbuildupofBCHP(BuildingCoolingHeatingandPower)basedonit.DiscusseshowtoapplythefuelcellandBCHPtechnologytoenergysystemreconstructionandconformityinundergroundengineering.Keywordsfuelcell,BCHP(BuildingCoolingHeating&Power),undergroundengineering0引言对于我国各类有防护要求的地下工程(下文简称地下工程),如指挥所、通讯工程、地下医院和人防重点工程等等,往往采用内部柴油电站的方式来解决工程在战时的能源需求。但目前柴油电站在安全适用性上仍然有许多问题尚未解决,如:高温烟气排放很容易暴露目标;发电废热回收困难,同时需要特殊的冷却通风技术来保障发电系统正常运行;在冲击波作用下可能会使发电机电压瞬时下降,甚至造成柴油机熄火;等等[5]。燃料电池技术因为其清洁、高效的显著特点被称之为21世纪最有吸引力的发电方法之一。将燃料电池技术应用于建筑工程领域,不仅可以为建筑提供所需电力,而且还可以结合建筑冷热电联产,通过余热锅炉、制冷机、除湿机等装置对燃料电池的发电废热进行回收利用,为建筑供冷、供热,并控制湿度[4]。燃料电池冷热电联产系统通过能源的梯级利用将综合效率提高到80~90%,同时大大降低了污染物和温室气体的排放,技术优势十分明显。但目前因为燃料电池价格昂贵、技术尚未成熟等原因,使其在我国普通的民用建筑中暂时还难以应用推广。本文将从地下工程对能源系统的特殊需求和技术发展的角度,来探讨燃料电池技术在地下工程中的应用问题。1地下工程内部能源系统在高技术战争条件下对能源系统的打击已成为战争的最重要手段之一。科索沃战争就是一个典型的例子。北约78天的空袭严重的破坏了南联盟能源电力系统,造成了南联盟人民生活陷入了极大困境,这对结束战争起到非常巨大的作用。在未来战争条件下,地下工程作为防御敌人侵略,保卫祖国安全的重要战略设施,其内部能源系统的战时安全性显得尤其重要。1.1地下工程对内部能源系统的需求在战争情况下,地下工程对能源系统的需求主要包括:1)安全稳定性,包括燃料的获得、储运和能源转换系统的安全稳定性两个方面。2)低噪声、低排放、伪装性能优良。为了防止暴露工程目标和反空中侦察,需要能源系统降低噪声和减少废热、污染物排放。3)能够满足工程对电力、供热、制冷、除湿等多种需求。不仅需要为工程内的各种设备提供稳定的电力,而且也需要考虑内部环境控制对供热、制冷和除湿的综合需求。4)很强的运行调节能力。工程内部设备的功能及运行状况随战场条件不断变化,能源系统应当具备很强的运行调节能力,以协调热、电、冷、湿负荷的动态变化。另外,作为战备也应当适当考虑平时运行维护的经济性等问题。1.2能源系统现存的主要问题目前,在地下工程中通常采用柴油电站作为备用电力。柴油机的优点在于其技术成熟,工艺稳定,而且可选择的机组容量范围大等。但是,考虑到高技术战争条件下地下工程对能源系统的需求,其缺点也是十分明显的:1)高温烟气的排放(排气温度通常在160℃左右),很容易暴露工程目标。2)发电所产生的废热回收过程复杂,且需要需要特殊的冷却和通风方式,以确保机组的运行效率。目前可回收利用的废热主要是柴油机缸套中冷却水中低品位的热量(一般不超过90℃)。对于烟气中的大量废热,为防止烟气冷凝,只能回收其中的一小部分。3)以供电力为主,难以协调工程对热、电、冷、湿四种动态负荷的不同需求。4)以柴油为燃料,形式单一,战时燃料的获得和储运安全值得考虑。此外,作为平时维护管理,柴油电站还存在运行维护成本高,大修费用高等不足。2燃料电池与建筑冷热电联产2.1燃料电池的原理和特点燃料电池是一个电化学系统,它能将化学能直接转换为电能和热能。与传统的发电方式相比,因为省去了将燃料中的化学能先转变成热能再转变为电能的中间环节,小容量电气出力的燃料电池的发电效率就可达到40%~60%。其工作原理与一般的电池相似,基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子,在阳极(燃料电池的负极又称燃料极)进行氧化反应,在阴极(燃料电池的正极又称空气极)进行还原反应,燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。当外部不断地输送燃料和氧化剂时,燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能[3]。与传统的热电发生装置相比燃料电池系统具有以下特点:1)发电效率高,发展潜力大。装置无论大小实际发电效率可达到40%~60%,结合冷热电联产综合能源效率可达80%。2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比,C02排出量可减少40%~60%。Nox(<2ppm)和SOx(<1ppm)排放量很少,环境相容性优。3)低噪音。在距发电设备3英尺(1.044米)处噪音小于60dB(A)。4)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。5)变负荷率高。变负荷率可达到(8%~lO%)/min,负荷变化的范围大(20%~120%)。6)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。7)模块化结构,扩容和增容容易,建厂时间短。8)占地面积小,占地面积小于lm2/KW。9)自动化程度高,可实现无人操作。总之,燃料电池是一种高效、洁净的发电方式,是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是:高价格和寿命问题。2.2燃料电池的种类燃料电池可以按照不同方法进行分类。以工作温度来划分,有低温和高温燃料电池。按电解质划分,可分为燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、融熔碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。其中除AFC的适用面很窄,基本上只应用于航天工业以外,另外四种类型的燃料电池的应用范围较广,并且都可以应用于热电联产,它们主要特性及适用范围如表1所示[4][9]。表1燃料电池主要特性及适用范围低温燃料电池高温燃料电池类型PEMFCPAFCMCFCSOFC电解质质子可渗透膜磷酸锂和碳酸钾固体陶瓷适用燃料氢天然气天然气氢天然气煤气沼气天然气煤气沼气氧化剂空气空气空气空气工作温度85oC190oC650oC1000oC燃气轮机××○○汽轮机××○○供冷××○○蒸汽×○○○排热利用热水○○○○发电效率35~45%35~45%40~50%40~50%燃气轮机、汽轮机等大规模热电联产××○○中等规模热电联产○○○○适用范围小规模建筑热电联产,汽车○××○总价格(美元/千瓦)$1400$2100$2600$30002.3燃料电池建筑冷热电联产燃料电池建筑冷热电联产是实现能源梯级利用和能源系统整合的重要技术手段,有着极其广阔的应用前景。如图1所示[10],燃料通过燃料电池装置发电后,变为低品味的热能用于采暖、生活供热等用途的供热,这一热量也可驱动吸收式制冷机,用于空调制冷,从而实现建筑冷热电联产。为了协调冷、热、电三种动态负荷,实现最佳的整体系统经济性,系统往往需要设置压缩式制冷机和锅炉,甚至蓄能装置等。低温燃料电池(PAFC和PEMFC),由于工作温度低,通常利用低品位的废热来实现建筑物的热电联产。应用于地下工程,在伪装性能上有一定优势。对于高温燃料电池(MCFC和SOFC),工作温度在600oC以上(见表1),废热的品质很高,可以用来驱吸收式制冷机,或者用于除湿装置的再生,此外,对于用电需求较大的场合还可以采用与蒸汽轮机或燃气轮机相结合的联合循环方式式将系统的发电效率提高到60%左右[13]。3燃料电池在地下工程中的应用燃料电池技术在发达国家已经被广泛应用于军事工程领域,早在1994年美国就先后投入3,675万美圆用于美国国防部的PAFC燃料电池示范性工程项目,并以此来确定该技术在美国国防部长远的能源战略中所起的作用。到1997年,PAFC燃料电池技术已在美军的30个实际工程得到了应用,并积累了大量的实际运行数据[6]。燃料电池技术的飞速发展与日趋成熟,为其在我国地下工程中应用和推广创造了有利的条件。表2燃料电池与柴油电机的技术比较系统类型燃料电池柴油电站发电效率40~60%,与燃气轮机联合发电效率可达65%;发展潜力大;受容量、环境温度影响小32~40%;发展潜力小;受容量,环境温度影响大综合效率低温燃料电池可结合热电联产,高温燃料电池可结合冷热电联产,综合利用效率可达到80~90%废热回收困难,可回收余热品质低,机组笨大,热电联产难以布置伪装性能低温燃料电池工作温度低,无烟气排放;高温燃料电池结合冷热电联产,可实现零排放;运行低噪声高温烟气排放、高污染、高噪声运行调节能力变负荷率高,智能化程度高,通过冷热电联产系统的合理配置可很好的适应工程内各种负荷的迅速变化变负荷能力相对较弱,智能化程度普遍不高,难以适应工程内各种负荷的迅速变化燃料系统可采用氢气、天然气、轻油、柴油等多种燃料,采用特殊的储运技术如金属氢化物储氢可抗子弹贯穿、炸药捆绑爆炸和高速冲击震动[14]。以柴油为燃料,很少采用特殊的储运方法。运行维护运行经济,但需专门的维护,存在使用寿命的问题运行维护成本高,大修费用高3.1燃料电池与柴油电机的技术比较从上述地下工程能源系统的实际需求、现有能源系统存在的问题以及燃料电池建筑冷热电联产系统的特点这三个方面,我们可以看出。燃料电池技术在地下工程中的应用与柴油电站比较,在技术上有着明显的优势,如表2所示。因此,很有必要探讨在重点地下工程中如何率先应用燃料电池技术作为示范,并以此来带动该技术在我国建筑工程领域的应用和发展。3.2燃料电池技术在地下工程中的应用形式在地下工程中应用燃料电池并结合建筑冷热电联产,为工程内部的供冷、供热、供电和控制湿度提供了一个综合的解决方案。地下工程因为其所处地域、工程类型和使用功能的不同,对冷热电供应和工程除湿的要求也各不相同。因此需要结合不同工程的实际负荷特点,对其内部能源系统进行合理的配置和有效的运行管理来实现最佳的整体效能。篇幅所限,只列举几种较为典型的燃料电池冷热电联产系统的应用方案,如表3所示。表3燃料电池在地下工程中的应用形式系统形式适用范围低温燃料电池+废热再生除湿装置+余热采暖+生活热水工程热负荷较小,以“升温除湿”为主的工程高温燃料电池+余热锅炉+废热再生除湿装置+余热采暖+生活热水工程热负荷较大,以“升温除湿”为主的工程高温燃料电池+废气直热吸收式冷水机组+废热再生除湿装置+生活热水工程电力负荷和冷负荷较大,以“降温除湿”为主的工程。高温温燃料电池+电制冷冷水机组+废热再生除湿装置+生活热水工程电力负荷较小,冷负荷较大,以“降温除湿”为主的工程高温温燃料电池+余热锅炉+蒸汽吸收式冷水机组+废热再生除湿装置+余热采暖+生活热水需综合考
本文标题:燃料电池技术在地下工程中的应用探讨
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