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

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2017-12-08 16:35:56

摘自:分布式能源行業(yè)資訊

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。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。

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,它不僅僅包括計算機系統(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。

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(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(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(yīng)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(yīng)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(wù)。項目電負荷為28800kW,冷負荷45000kW,分布式能源站計劃設(shè)計總供應(yīng)能力為超算中心最大設(shè)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(diào)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(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(jié)合自然冷卻技術(shù)、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(fù)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(shè)計要點

結(jié)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(yīng)用,提出以下設(shè)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(diào)及UPS線損、照明,而IT機房冷負荷主要包括:機房主要工藝設(shè)備散熱量形成的冷負荷、圍護結(jié)構(gòu)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?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(yīng)按燃氣發(fā)電機對接余溴化鋰熱制冷設(shè)備,同時選擇常規(guī)制冷設(shè)備作為調(diào)峰。發(fā)電機的裝機容量也要結(jié)合用電負荷、冷負荷、是否有熱負荷、電力接入形式、電價結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(yīng)用于公建、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)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(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。所以燃氣內(nèi)燃機更適用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)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(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(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(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(jié)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(yīng)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(jié)

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(lǐng)域應(yīng)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(shè)。從分布式能源技術(shù)應(yīng)用角度看,各個項目的技術(shù)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。

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