天然气分布式能源系统在数据中心领域的应用

1 引言

随着我国天然气分布式能源技术不断发展，尤其是在2011年10月，国家发改委、财政部、住建部和国家能源局联合下发了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》以后，由天然气分布式能源系统在医院、商场、大型公建项目、工业开发区和数据中心领域得到广泛应用。本文重点讨论天然气分布式能源技术在数据中心领域的应用和由此带来的思考。

2 天然气分布式能源

数据中心是一整套复杂的设备，它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备，还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。从数据中心的能耗来讲，数据中心能耗主要来源于IT设备、照明系统、空调系统、供配电系统等，其中，由服务器、存储和网络通信设备等所构成的IT设备系统所产生的能耗约占数据中心总能耗的45%。由空调系统产生的能耗约占数据中心总能耗的40%左右，由输入变压器和切换开关所组成以及由UPS(不间断电源)供电系统组成的电源系统占数据中心总能耗的10%左右，数据中心照明系统约占数据中心机房总能耗的5%左右。

目前数据中心能源主要集中在IT设备系统、空调系统等方面，而天然气分布式能源系统恰恰满足了数据中心在能耗方面的分配特点。

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。一般来讲，天然气分布式能源系统发电在效率在40%左右，发电后系统余热供冷或供热效率可以达到40%左右，而数据中心IT设备系统所产生的电能耗和用于IT设备系统制冷的能耗接近，如图1所示。这完全满足冷分布式能源发电和供冷的比例。所以，天然气分布式能源非常适用于数据中心领域的应用。

图1 天然气分布式能源供电供冷示意图

3 应用数据中心案例

本文采取了分别在北京和广州的两个数据中心应用案例，通过南北不同案例，能够给我们在应用天然气分布式能源带来很多启示。

3.1北京某数据中心

该数据中心项目包含综合办公区和数据中心区两个区域，数据中心分布式能源站(见表1)为数据中心供电、项目全年供冷和冬季供热等能源服务。项目电负荷为14323kW，冷负荷为10100kW，全年用电量为10014.65×104kW˙h，全年制冷量为31.43×104GJ。

燃气发电机组出线电压为10kV，所发电力除能源站自用部分外输送至数据中心，全年的电价峰段和平段运行发电机，冷负荷由烟气热水型机组提供，夏季晚间利用电制冷系统供应冷负荷，发电机停运，采用市电供电。冬季全天利用自然冷却系统供应冷负荷，发电机运行供电，余热为周边办公区域供热。

3.2广州某数据中心

该数据中心项目是专业数据计算机房，数据中心分布式能源(见表2)站为数据中心部分供电、项目部分供冷等能源服务。项目电负荷为28800kW，冷负荷45000kW，分布式能源站计划设计总供应能力为超算中心最大设计冷负荷35%，即分布式能源站供冷能力为15750kW。则有分布式能源站发电量13673×104kW˙h，供冷量达到12202×104kW˙h

燃气发电机组出线电压为10kV，所发电力除能源站自用部分外输送至数据中心，发电机每天运行24h，在春秋过渡季可轮流检修和保养各个主机。燃气内燃发电机组与余热直燃机对接，350~450℃的烟气进入余热溴化锂机组，作为余热机的高发热源直接供冷，供冷后的排烟温度约150℃;95℃左右缸套水可作为余热机的低发热源进行供冷。当余热量不够时，利用自发电带动运行离心冷水机组补充供冷。因为数据中心由多个冷源为其供冷，优先利用发电机余热供冷，根据冷负荷波动自动调整其它冷源供冷量。

以上两个天然气分布式能源项目在发电系统、余热制冷系统和调峰系统的技术路线是非常相似的。但在系统配置的容量上是有区别的，北京项目发电机的装机完全满足数据中心系统的电力需求且单独备用1套系统，并取消了备用电源柴油发动机系统。广州项目则是发电机装机满足部分电负荷需求，项目不能完全取消备用电源柴油发动机系统。在运行上，北京项目结合自然冷却技术、市政供电峰谷平价格的不同，运行更灵活，每天启停发电机，运行模式较为复杂。而广州项目全天运行，运行模式更为简单。

4 分布式能源设计要点

结合南北方分布式能源项目的实例，如何把天然气分布式能源在数据中心更好应用，提出以下设计要点。

4.1系统配置

使用天然气分布式能源的数据中心项目首先要适用水系统制冷。目前，国内数据中心项目规用电负荷和冷负荷越来越大，其中，在IT机房里电负荷包括：IT、精密空调及UPS线损、照明，而IT机房冷负荷主要包括：机房主要工艺设备散热量形成的冷负荷、围护结构传热形成的冷负荷、新风引起的冷负荷、照明散热和人体散热形成的冷负荷。基于数据中心的电负荷和冷负荷的负荷特点，天然气分布式能源的系统配置应按燃气发电机对接余溴化锂热制冷设备，同时选择常规制冷设备作为调峰。发电机的装机容量也要结合用电负荷、冷负荷、是否有热负荷、电力接入形式、电价结构、柴油发电机的配置等因素来确定，所有同样规模的数据中心的分布式能源系统配置差距很大。

4.2发电机组适宜采用燃气内燃机组

目前，用于天然气分布式能源的发电机组主要有小型燃气轮发电机组及燃气内燃发电机组。燃气轮发电机组多应用于工业供能或区域供能项目，燃气内燃发电机组可广泛应用于公建、医院和数据中心领域。

首先，燃气内燃发电机组与燃气轮机相比，燃气内燃机的机组的供电和余热供冷比更接近于1:1，而燃气轮机的供电和余热比接近于1:2。上文已经提到，数据中心IT设备系统所产生的电能耗和用于IT设备系统制冷的能耗接近。所以燃气内燃机更适用于数据中心领域。

其次，数据中心的负荷全年变化幅度较小，而燃气轮机出力随外界温度变化较大，其发电量的变化幅度达到20%，燃气内燃发电机组的出力随外界温度变化很小，因此，考虑采用燃气内燃发电机组更为合适。

再次，从用气压力考虑，燃气轮机需要的压力在1.4～1.8MPa，需要从周围2.5MPa和4.0MPa管线上接气，调压箱占地较大，与周围建筑物的安全距离较大。而如采用燃气内燃发电机组，用气压力0.012～0.02MPa,可以从中压管网接气，调压箱占地较小，与周围建筑物的安全距离较小。因此，数据中心适合采用燃气内燃发电机组。

4.3自然冷却供冷需考虑分布式能源供热

自然冷却供冷运行方式作为既节能又降低成本的一种方式在数据中心领域广泛应用，以北京地区为例，干球温度小于或等于5℃的时间为2600h，干球温度大于5℃且小于15℃的时间为2160h，所有北京的项目必须考虑结合冬季供热。

而广州地区干球温度小于等于5℃的时间为5h，干球温度大于5℃且小于15℃的时间为1587h，不具备自然冷却条件。在分布式能源应用数据中心时，要考虑自然冷却供冷时，数据中心周边是否有热负荷。如果在北方供热季较长，在干球温度在5℃以下时，可以实现全天自然冷却。天然气分布式能源投资较大，只有在发电机年运行小时数且余热被充分利用，才能保障项目经济性。在自然冷却情况下，如果没有供热负荷，燃气发电机运行且余热浪费，则发电机组仅供电是不能具有经济性的。

5 总结

天然气分布式能源在国家政策的鼓励下，近些年在数据中心领域应用快速发展，目前在北京、济南、上海、杭州、广州和深圳都有项目在运行或建设。从分布式能源技术应用角度看，各个项目的技术路线趋同，但项目装机和系统配置各有特点，这正符合天然气分布式能源多样性、灵活性的特点。期望在未来有越来越多的数据中心项目采用天然气分布式能源系统，真正实现数据中心节能环保、安全和经济的目标。