天然氣分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用

1 引言

隨著我國天然氣分布式能源技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是在2011年10月，國家發(fā)改委、財(cái)政部、住建部和國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》以后，由天然氣分布式能源系統(tǒng)在醫(yī)院、商場、大型公建項(xiàng)目、工業(yè)開發(fā)區(qū)和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論天然氣分布式能源技術(shù)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用和由此帶來的思考。

2 天然氣分布式能源

數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)備，它不僅僅包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備，還包含冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及各種安全裝置。從數(shù)據(jù)中心的能耗來講，數(shù)據(jù)中心能耗主要來源于IT設(shè)備、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等，其中，由服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等所構(gòu)成的IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的45%。由空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右，由輸入變壓器和切換開關(guān)所組成以及由UPS(不間斷電源)供電系統(tǒng)組成的電源系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總能耗的10%左右，數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)約占數(shù)據(jù)中心機(jī)房總能耗的5%左右。

目前數(shù)據(jù)中心能源主要集中在IT設(shè)備系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等方面，而天然氣分布式能源系統(tǒng)恰恰滿足了數(shù)據(jù)中心在能耗方面的分配特點(diǎn)。

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式。一般來講，天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)電在效率在40%左右，發(fā)電后系統(tǒng)余熱供冷或供熱效率可以達(dá)到40%左右，而數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能耗和用于IT設(shè)備系統(tǒng)制冷的能耗接近，如圖1所示。這完全滿足冷分布式能源發(fā)電和供冷的比例。所以，天然氣分布式能源非常適用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 天然氣分布式能源供電供冷示意圖

3 應(yīng)用數(shù)據(jù)中心案例

本文采取了分別在北京和廣州的兩個(gè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用案例，通過南北不同案例，能夠給我們在應(yīng)用天然氣分布式能源帶來很多啟示。

3.1北京某數(shù)據(jù)中心

該數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目包含綜合辦公區(qū)和數(shù)據(jù)中心區(qū)兩個(gè)區(qū)域，數(shù)據(jù)中心分布式能源站(見表1)為數(shù)據(jù)中心供電、項(xiàng)目全年供冷和冬季供熱等能源服務(wù)。項(xiàng)目電負(fù)荷為14323kW，冷負(fù)荷為10100kW，全年用電量為10014.65×104kW˙h，全年制冷量為31.43×104GJ。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出線電壓為10kV，所發(fā)電力除能源站自用部分外輸送至數(shù)據(jù)中心，全年的電價(jià)峰段和平段運(yùn)行發(fā)電機(jī)，冷負(fù)荷由煙氣熱水型機(jī)組提供，夏季晚間利用電制冷系統(tǒng)供應(yīng)冷負(fù)荷，發(fā)電機(jī)停運(yùn)，采用市電供電。冬季全天利用自然冷卻系統(tǒng)供應(yīng)冷負(fù)荷，發(fā)電機(jī)運(yùn)行供電，余熱為周邊辦公區(qū)域供熱。

3.2廣州某數(shù)據(jù)中心

該數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目是專業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)房，數(shù)據(jù)中心分布式能源(見表2)站為數(shù)據(jù)中心部分供電、項(xiàng)目部分供冷等能源服務(wù)。項(xiàng)目電負(fù)荷為28800kW，冷負(fù)荷45000kW，分布式能源站計(jì)劃設(shè)計(jì)總供應(yīng)能力為超算中心最大設(shè)計(jì)冷負(fù)荷35%，即分布式能源站供冷能力為15750kW。則有分布式能源站發(fā)電量13673×104kW˙h，供冷量達(dá)到12202×104kW˙h

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出線電壓為10kV，所發(fā)電力除能源站自用部分外輸送至數(shù)據(jù)中心，發(fā)電機(jī)每天運(yùn)行24h，在春秋過渡季可輪流檢修和保養(yǎng)各個(gè)主機(jī)。燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組與余熱直燃機(jī)對接，350~450℃的煙氣進(jìn)入余熱溴化鋰機(jī)組，作為余熱機(jī)的高發(fā)熱源直接供冷，供冷后的排煙溫度約150℃;95℃左右缸套水可作為余熱機(jī)的低發(fā)熱源進(jìn)行供冷。當(dāng)余熱量不夠時(shí)，利用自發(fā)電帶動運(yùn)行離心冷水機(jī)組補(bǔ)充供冷。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心由多個(gè)冷源為其供冷，優(yōu)先利用發(fā)電機(jī)余熱供冷，根據(jù)冷負(fù)荷波動自動調(diào)整其它冷源供冷量。

以上兩個(gè)天然氣分布式能源項(xiàng)目在發(fā)電系統(tǒng)、余熱制冷系統(tǒng)和調(diào)峰系統(tǒng)的技術(shù)路線是非常相似的。但在系統(tǒng)配置的容量上是有區(qū)別的，北京項(xiàng)目發(fā)電機(jī)的裝機(jī)完全滿足數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的電力需求且單獨(dú)備用1套系統(tǒng)，并取消了備用電源柴油發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。廣州項(xiàng)目則是發(fā)電機(jī)裝機(jī)滿足部分電負(fù)荷需求，項(xiàng)目不能完全取消備用電源柴油發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。在運(yùn)行上，北京項(xiàng)目結(jié)合自然冷卻技術(shù)、市政供電峰谷平價(jià)格的不同，運(yùn)行更靈活，每天啟停發(fā)電機(jī)，運(yùn)行模式較為復(fù)雜。而廣州項(xiàng)目全天運(yùn)行，運(yùn)行模式更為簡單。

4 分布式能源設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)合南北方分布式能源項(xiàng)目的實(shí)例，如何把天然氣分布式能源在數(shù)據(jù)中心更好應(yīng)用，提出以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

4.1系統(tǒng)配置

使用天然氣分布式能源的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目首先要適用水系統(tǒng)制冷。目前，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目規(guī)用電負(fù)荷和冷負(fù)荷越來越大，其中，在IT機(jī)房里電負(fù)荷包括：IT、精密空調(diào)及UPS線損、照明，而IT機(jī)房冷負(fù)荷主要包括：機(jī)房主要工藝設(shè)備散熱量形成的冷負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷、新風(fēng)引起的冷負(fù)荷、照明散熱和人體散熱形成的冷負(fù)荷?；跀?shù)據(jù)中心的電負(fù)荷和冷負(fù)荷的負(fù)荷特點(diǎn)，天然氣分布式能源的系統(tǒng)配置應(yīng)按燃?xì)獍l(fā)電機(jī)對接余溴化鋰熱制冷設(shè)備，同時(shí)選擇常規(guī)制冷設(shè)備作為調(diào)峰。發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量也要結(jié)合用電負(fù)荷、冷負(fù)荷、是否有熱負(fù)荷、電力接入形式、電價(jià)結(jié)構(gòu)、柴油發(fā)電機(jī)的配置等因素來確定，所有同樣規(guī)模的數(shù)據(jù)中心的分布式能源系統(tǒng)配置差距很大。

4.2發(fā)電機(jī)組適宜采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組

目前，用于天然氣分布式能源的發(fā)電機(jī)組主要有小型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組及燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組多應(yīng)用于工業(yè)供能或區(qū)域供能項(xiàng)目，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組可廣泛應(yīng)用于公建、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。

首先，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組與燃?xì)廨啓C(jī)相比，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的機(jī)組的供電和余熱供冷比更接近于1:1，而燃?xì)廨啓C(jī)的供電和余熱比接近于1:2。上文已經(jīng)提到，數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能耗和用于IT設(shè)備系統(tǒng)制冷的能耗接近。所以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)更適用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。

其次，數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷全年變化幅度較小，而燃?xì)廨啓C(jī)出力隨外界溫度變化較大，其發(fā)電量的變化幅度達(dá)到20%，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的出力隨外界溫度變化很小，因此，考慮采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組更為合適。

再次，從用氣壓力考慮，燃?xì)廨啓C(jī)需要的壓力在1.4～1.8MPa，需要從周圍2.5MPa和4.0MPa管線上接氣，調(diào)壓箱占地較大，與周圍建筑物的安全距離較大。而如采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，用氣壓力0.012～0.02MPa,可以從中壓管網(wǎng)接氣，調(diào)壓箱占地較小，與周圍建筑物的安全距離較小。因此，數(shù)據(jù)中心適合采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。

4.3自然冷卻供冷需考慮分布式能源供熱

自然冷卻供冷運(yùn)行方式作為既節(jié)能又降低成本的一種方式在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，以北京地區(qū)為例，干球溫度小于或等于5℃的時(shí)間為2600h，干球溫度大于5℃且小于15℃的時(shí)間為2160h，所有北京的項(xiàng)目必須考慮結(jié)合冬季供熱。

而廣州地區(qū)干球溫度小于等于5℃的時(shí)間為5h，干球溫度大于5℃且小于15℃的時(shí)間為1587h，不具備自然冷卻條件。在分布式能源應(yīng)用數(shù)據(jù)中心時(shí)，要考慮自然冷卻供冷時(shí)，數(shù)據(jù)中心周邊是否有熱負(fù)荷。如果在北方供熱季較長，在干球溫度在5℃以下時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全天自然冷卻。天然氣分布式能源投資較大，只有在發(fā)電機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)且余熱被充分利用，才能保障項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。在自然冷卻情況下，如果沒有供熱負(fù)荷，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)運(yùn)行且余熱浪費(fèi)，則發(fā)電機(jī)組僅供電是不能具有經(jīng)濟(jì)性的。

5 總結(jié)

天然氣分布式能源在國家政策的鼓勵(lì)下，近些年在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域應(yīng)用快速發(fā)展，目前在北京、濟(jì)南、上海、杭州、廣州和深圳都有項(xiàng)目在運(yùn)行或建設(shè)。從分布式能源技術(shù)應(yīng)用角度看，各個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)路線趨同，但項(xiàng)目裝機(jī)和系統(tǒng)配置各有特點(diǎn)，這正符合天然氣分布式能源多樣性、靈活性的特點(diǎn)。期望在未來有越來越多的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目采用天然氣分布式能源系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。