重點討論天然氣分布式能源技術在數(shù)據(jù)中心領域的應用和由此帶來的思考

1引言

隨著我國天然氣分布式能源技術不斷發(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《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》以后，由天然氣分布式能源系統(tǒng)在醫(yī)院、商場、大型公建項目、工業(yè)開發(fā)區(qū)和數(shù)據(jù)中心領域得到廣泛應用。本文重點討論天然氣分布式能源技術在數(shù)據(jù)中心領域的應用和由此帶來的思考。

2天然氣分布式能源

數(shù)據(jù)中心是一整套復雜的設備，它不僅僅包括計算機系統(tǒng)和其它與之配套的設備，還包含冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設備、監(jiān)控設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設備、照明系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等，其中，由服務器、存儲和網(wǎng)絡通信設備等所構成的IT設備系統(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設備系統(tǒng)、空調系統(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。

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)供等方式實現(xiàn)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現(xiàn)能源供應的現(xiàn)代能源供應方式，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)電的效率在40%左右，發(fā)電后系統(tǒng)余熱供冷或供熱效率可以達到40%左右，而數(shù)據(jù)中心IT設備系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能耗和用于IT設備系統(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(shù)據(jù)中心案例

本文采取了分別在北京和廣州的兩個數(shù)據(jù)中心應用案例，通過南北不同案例，能夠給我們在應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)中心項目包含綜合辦公區(qū)和數(shù)據(jù)中心區(qū)兩個區(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、項目全年供冷和冬季供熱等能源服務。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(tǒng)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(tǒng)供應冷負荷，發(fā)電機運行供電，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)中心項目是專業(yè)數(shù)據(jù)計算機房，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、項目部分供冷等能源服務。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)電機每天運行24h，在春秋過渡季可輪流檢修和保養(yǎng)各個主機。燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組與余熱直燃機對接，350~450℃的煙氣進入余熱溴化鋰機組，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)熱源進行供冷。當余熱量不夠時，利用自發(fā)電帶動運行離心冷水機組補充供冷。因為數(shù)據(jù)中心由多個冷源為其供冷，優(yōu)先利用發(fā)電機余熱供冷，根據(jù)冷負荷波動自動調整其它冷源供冷量。

以上兩個天然氣分布式能源項目在發(fā)電系統(tǒng)、余熱制冷系統(tǒng)和調峰系統(tǒng)的技術路線是非常相似的。但在系統(tǒng)配置的容量上是有區(qū)別的，北京項目發(fā)電機的裝機完全滿足數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的電力需求且單獨備用1套系統(tǒng)，并取消了備用電源柴油發(fā)動機系統(tǒng)。廣州項目則是發(fā)電機裝機滿足部分電負荷需求，項目不能完全取消備用電源柴油發(fā)動機系統(tǒng)。在運行上，北京項目結合自然冷卻技術、市政供電峰谷平價格的不同，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，運行模式更為簡單。

4分布式能源設計要點

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

4.1系統(tǒng)配置

使用天然氣分布式能源的數(shù)據(jù)中心項目首先要適用水系統(tǒng)制冷。目前，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心項目規(guī)用電負荷和冷負荷越來越大，其中，在IT機房里電負荷包括：IT、精密空調及UPS線損、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、新風引起的冷負荷、照明散熱和人體散熱形成的冷負荷?；跀?shù)據(jù)中心的電負荷和冷負荷的負荷特點，天然氣分布式能源的系統(tǒng)配置應按燃氣發(fā)電機對接余溴化鋰熱制冷設備，同時選擇常規(guī)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、電價結構、柴油發(fā)電機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)電機組適宜采用燃氣內(nèi)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(nèi)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(qū)域供能項目，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組可廣泛應用于公建、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心領域。

首先，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組與燃氣輪機相比，燃氣內(nèi)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(shù)據(jù)中心IT設備系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能耗和用于IT設備系統(tǒng)制冷的能耗接近。所以燃氣內(nèi)燃機更適用于數(shù)據(jù)中心領域。

其次，數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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，需要從周圍2.5MPa和4.0MPa管線上接氣，調壓箱占地較大，與周圍建筑物的安全距離較大。而如采用燃氣內(nèi)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，與周圍建筑物的安全距離較小。因此，數(shù)據(jù)中心適合采用燃氣內(nèi)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(jié)能又降低成本的一種方式在數(shù)據(jù)中心領域廣泛應用，以北京地區(qū)為例，干球溫度小于或等于5℃的時間為2600h，干球溫度大于5℃且小于15℃的時間為2160h，所有北京的項目必須考慮結合冬季供熱。

而廣州地區(qū)干球溫度小于等于5℃的時間為5h，干球溫度大于5℃且小于15℃的時間為1587h，不具備自然冷卻條件。在分布式能源應用數(shù)據(jù)中心時，要考慮自然冷卻供冷時，數(shù)據(jù)中心周邊是否有熱負荷。如果在北方供熱季較長，在干球溫度在5℃以下時，可以實現(xiàn)全天自然冷卻。天然氣分布式能源投資較大，只有在發(fā)電機年運行小時數(shù)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(shù)據(jù)中心領域應用快速發(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。從分布式能源技術應用角度看，各個項目的技術路線趨同，但項目裝機和系統(tǒng)配置各有特點，這正符合天然氣分布式能源多樣性、靈活性的特點。期望在未來有越來越多的數(shù)據(jù)中心項目采用天然氣分布式能源系統(tǒng)，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保、安全和經(jīng)濟的目標。