天然氣分布式能源系統在數據中心領(lǐng)域的應用

1 引言

隨著(zhù)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意見(jiàn)》以后，由天然氣分布式能源系統在醫院、商場(chǎng)、大型公建項目、工業(yè)開(kāi)發(fā)區和數據中心領(lǐng)域得到廣泛應用。本文重點(diǎn)討論天然氣分布式能源技術(shù)在數據中心領(lǐng)域的應用和由此帶來(lái)的思考。

2 天然氣分布式能源

數據中心是一整套復雜的設備，它不僅僅包括計算機系統和其它與之配套的設備，還包含冗余的數據通信連接、環(huán)境控制設備、監控設備以及各種安全裝置。從數據中心的能耗來(lái)講，數據中心能耗主要來(lái)源于IT設備、照明系統、空調系統、供配電系統等，其中，由服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò )通信設備等所構成的IT設備系統所產(chǎn)生的能耗約占數據中心總能耗的45%。由空調系統產(chǎn)生的能耗約占數據中心總能耗的40%左右，由輸入變壓器和切換開(kāi)關(guān)所組成以及由UPS(不間斷電源)供電系統組成的電源系統占數據中心總能耗的10%左右，數據中心照明系統約占數據中心機房總能耗的5%左右。

目前數據中心能源主要集中在IT設備系統、空調系統等方面，而天然氣分布式能源系統恰恰滿(mǎn)足了數據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(guò)冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心就近實(shí)現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式。一般來(lái)講，天然氣分布式能源系統發(fā)電在效率在40%左右，發(fā)電后系統余熱供冷或供熱效率可以達到40%左右，而數據中心IT設備系統所產(chǎn)生的電能耗和用于IT設備系統制冷的能耗接近，如圖1所示。這完全滿(mǎn)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據中心領(lǐng)域的應用。

圖1 天然氣分布式能源供電供冷示意圖

3 應用數據中心案例

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

3.1北京某數據中心

該數據中心項目包含綜合辦公區和數據中心區兩個(gè)區域，數據中心分布式能源站(見(jiàn)表1)為數據中心供電、項目全年供冷和冬季供熱等能源服務(wù)。項目電負荷為14323kW，冷負荷為10100kW，全年用電量為10014.65×104kW˙h，全年制冷量為31.43×104GJ。

燃氣發(fā)電機組出線(xiàn)電壓為10kV，所發(fā)電力除能源站自用部分外輸送至數據中心，全年的電價(jià)峰段和平段運行發(fā)電機，冷負荷由煙氣熱水型機組提供，夏季晚間利用電制冷系統供應冷負荷，發(fā)電機停運，采用市電供電。冬季全天利用自然冷卻系統供應冷負荷，發(fā)電機運行供電，余熱為周邊辦公區域供熱。

3.2廣州某數據中心

該數據中心項目是專(zhuān)業(yè)數據計算機房，數據中心分布式能源(見(jiàn)表2)站為數據中心部分供電、項目部分供冷等能源服務(wù)。項目電負荷為28800kW，冷負荷45000kW，分布式能源站計劃設計總供應能力為超算中心最大設計冷負荷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，供冷量達到12202×104kW˙h

燃氣發(fā)電機組出線(xiàn)電壓為10kV，所發(fā)電力除能源站自用部分外輸送至數據中心，發(fā)電機每天運行24h，在春秋過(guò)渡季可輪流檢修和保養各個(gè)主機。燃氣內燃發(fā)電機組與余熱直燃機對接，350~450℃的煙氣進(jìn)入余熱溴化鋰機組，作為余熱機的高發(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的低發(fā)熱源進(jìn)行供冷。當余熱量不夠時(shí)，利用自發(fā)電帶動(dòng)運行離心冷水機組補充供冷。因為數據中心由多個(gè)冷源為其供冷，優(yōu)先利用發(fā)電機余熱供冷，根據冷負荷波動(dòng)自動(dòng)調整其它冷源供冷量。

以上兩個(gè)天然氣分布式能源項目在發(fā)電系統、余熱制冷系統和調峰系統的技術(shù)路線(xiàn)是非常相似的。但在系統配置的容量上是有區別的，北京項目發(fā)電機的裝機完全滿(mǎn)足數據中心系統的電力需求且單獨備用1套系統，并取消了備用電源柴油發(fā)動(dòng)機系統。廣州項目則是發(fā)電機裝機滿(mǎn)足部分電負荷需求，項目不能完全取消備用電源柴油發(fā)動(dòng)機系統。在運行上，北京項目結合自然冷卻技術(shù)、市政供電峰谷平價(jià)格的不同，運行更靈活，每天啟停發(fā)電機，運行模式較為復雜。而廣州項目全天運行，運行模式更為簡(jiǎn)單。

4 分布式能源設計要點(diǎn)

結合南北方分布式能源項目的實(shí)例，如何把天然氣分布式能源在數據中心更好應用，提出以下設計要點(diǎn)。

4.1系統配置

使用天然氣分布式能源的數據中心項目首先要適用水系統制冷。目前，國內數據中心項目規用電負荷和冷負荷越來(lái)越大，其中，在IT機房里電負荷包括：IT、精密空調及UPS線(xiàn)損、照明，而IT機房冷負荷主要包括：機房主要工藝設備散熱量形成的冷負荷、圍護結構傳熱形成的冷負荷、新風(fēng)引起的冷負荷、照明散熱和人體散熱形成的冷負荷?；跀祿行牡碾娯摵珊屠湄摵傻呢摵商攸c(diǎn)，天然氣分布式能源的系統配置應按燃氣發(fā)電機對接余溴化鋰熱制冷設備，同時(shí)選擇常規制冷設備作為調峰。發(fā)電機的裝機容量也要結合用電負荷、冷負荷、是否有熱負荷、電力接入形式、電價(jià)結構、柴油發(fā)電機的配置等因素來(lái)確定，所有同樣規模的數據中心的分布式能源系統配置差距很大。

4.2發(fā)電機組適宜采用燃氣內燃機組

目前，用于天然氣分布式能源的發(fā)電機組主要有小型燃氣輪發(fā)電機組及燃氣內燃發(fā)電機組。燃氣輪發(fā)電機組多應用于工業(yè)供能或區域供能項目，燃氣內燃發(fā)電機組可廣泛應用于公建、醫院和數據中心領(lǐng)域。

首先，燃氣內燃發(fā)電機組與燃氣輪機相比，燃氣內燃機的機組的供電和余熱供冷比更接近于1:1，而燃氣輪機的供電和余熱比接近于1:2。上文已經(jīng)提到，數據中心IT設備系統所產(chǎn)生的電能耗和用于IT設備系統制冷的能耗接近。所以燃氣內燃機更適用于數據中心領(lǐng)域。

其次，數據中心的負荷全年變化幅度較小，而燃氣輪機出力隨外界溫度變化較大，其發(fā)電量的變化幅度達到20%，燃氣內燃發(fā)電機組的出力隨外界溫度變化很小，因此，考慮采用燃氣內燃發(fā)電機組更為合適。

再次，從用氣壓力考慮，燃氣輪機需要的壓力在1.4～1.8MPa，需要從周?chē)?.5MPa和4.0MPa管線(xiàn)上接氣，調壓箱占地較大，與周?chē)ㄖ锏陌踩嚯x較大。而如采用燃氣內燃發(fā)電機組，用氣壓力0.012～0.02MPa,可以從中壓管網(wǎng)接氣，調壓箱占地較小，與周?chē)ㄖ锏陌踩嚯x較小。因此，數據中心適合采用燃氣內燃發(fā)電機組。

4.3自然冷卻供冷需考慮分布式能源供熱

自然冷卻供冷運行方式作為既節能又降低成本的一種方式在數據中心領(lǐng)域廣泛應用，以北京地區為例，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，所有北京的項目必須考慮結合冬季供熱。

而廣州地區干球溫度小于等于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。在分布式能源應用數據中心時(shí)，要考慮自然冷卻供冷時(shí)，數據中心周邊是否有熱負荷。如果在北方供熱季較長(cháng)，在干球溫度在5℃以下時(shí)，可以實(shí)現全天自然冷卻。天然氣分布式能源投資較大，只有在發(fā)電機年運行小時(shí)數且余熱被充分利用，才能保障項目經(jīng)濟性。在自然冷卻情況下，如果沒(méi)有供熱負荷，燃氣發(fā)電機運行且余熱浪費，則發(fā)電機組僅供電是不能具有經(jīng)濟性的。

5 總結

天然氣分布式能源在國家政策的鼓勵下，近些年在數據中心領(lǐng)域應用快速發(fā)展，目前在北京、濟南、上海、杭州、廣州和深圳都有項目在運行或建設。從分布式能源技術(shù)應用角度看，各個(gè)項目的技術(shù)路線(xiàn)趨同，但項目裝機和系統配置各有特點(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(lái)有越來(lái)越多的數據中心項目采用天然氣分布式能源系統，真正實(shí)現數據中心節能環(huán)保、安全和經(jīng)濟的目標。