初探冷热电三联供系统在A级数据中心中的应用
初探冷热电三联供系统在A级数据中心中的应用
中石油（北京）科技开发有限公司宋泓明
中建（北京）国际设计顾问有限公司李炳华、王明友、杨智勇、邹政达
摘要：冷热电三联供(CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上,将供热(采暖和供热水)、制冷及发电过程有机结合在一起的总能系统。本文按照数据中心的用能特点，探讨了三联供系统在数据中心中应用可行性。
关键词：冷热电三联供 CCHP 数据中心 供配电系统 可靠性
冷热电三联供(CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上,将供热(采暖和供热水)、制冷及发电过程有机结合在一起的总能系统。三联供属于分布式能源的主要形式之一。由于分布式能源可将能源效率提高80%以上，对环境负面影响小，有利于局部电网安全，对天然气和电网有削峰填谷的作用，因此很多发达国家将其作为国家能源体系的重要组成部分。从经济性考虑，燃气三联供系统更适合于冷热电负荷相对稳定、常年需要供冷或者供热的项目，而数据中心用电、和用冷负荷波动小，常年需要供冷，符合三联供系统的功能特点，本文以某数据中心为例，针对三联供系统在A级数据中心的应用中的相关问题进行探讨。
1 冷热电三联供（CCHP）应用概况
分布式能源(Distributed Energy System)是相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量（几千瓦至50MW）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统，具有靠近用户、梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各国政府、企业界的广泛关注和青睐。其中燃气冷热电三联供因其技术成熟、建设简单、投资相对较低和经济上有竞争力，已经在国际上得到了迅速地推广。
燃气冷热电三联供，即CCHP（Combined Cooling, Heating andPower），是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机或内燃机等燃气发电设备而产生电力以满足用户的电力需求；系统排出的废热通过余热回收利用设备（如余热锅炉或余热直燃机等）向用户冬季供暖；夏季通过驱动吸收式制冷机供冷；同时还可提供生活热水，充分利用了排气的热量。经过能源的梯级利用使一次能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右，大量节省了一次能源。
由于天然气分布式能源可以达到很高的能量利用效率，所以在国外发展非常迅速。从上个世纪70 年代末期开始发展，到现在美国已经有6000多座分布式能源站，仅大学校园就有200多个。英国只有5000多万人口，但是分布式能源站就有1000多座。英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10 号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。目前丹麦没有一个火电厂不供热，也没有一个供热锅炉房不发电，将冷、热、电分别生产变为高科技的冷、热、电联产，使科学技术变成生产力。20多年来，丹麦国民生产总值翻了一番，但能源消耗却未增加，环境污染也未加剧。日本由于资源比较缺乏，所以对三联供研究十分重视。目前，日本三联供系统是仅次于燃气、电力的第三大公用事业，到2000年底已建冷热电三联供系统1413个，平均容量477kW，广泛应用于医院、办公楼、宾馆及其它一些综合设施中，进行区域冷热电供应（1）
小型燃气冷热电三联供的应用在我国尚处于起步阶段，而且主要集中在上海、北京、广州等地。北京燃气集团指挥监控中心、北京清华科技园A-02 （文津国际公寓）三联供能源站、北京会议中心9#楼、北京火车南站三联供能源供应站、蟹岛生态园区冷热电三联供能源中心、上海浦东机场、上海舒雅健康休闲中心、广东铝业集团、成都深兰绿色能源站、广州大学城等多项冷热电三联供工程已建成投产。其中广州大学城能源站为我国目前最大的三联供项目，是广州大学城配套建设项目，为广州大学城一期18万平方公里区域内的10所大学提供冷、热、电能三联供，是目前全国最大的分布式能源站，规划容量为4×78兆瓦。现在已向广州大学城内的10所大学及周围用户20万人提供全部生活热水、空调冷冻水和部分电力（2）。目前，我国分布式能源装机容量达到500万千瓦。能源局规划到2011年我国拟建设1000个天然气分布式能源项目；到2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机容量达到5000万千瓦，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。分布式能源发电容量占中国总电力装机容量比例将从目前的不到1%增加到3%,年均增速23%(3)。
2 数据中心概况
拟建数据中心为符合我国标准的A级数据中心，总建筑面积为49000m2，设置4500台机柜，机柜发热量按照3.6kW/台设计，机房面积为20250m2，辅助区面积为20250m2，公摊区面积8500m2。
采用eQuest软件对数据中心进行负荷模拟计算和分析，得出数据中心的冷热电负荷，作为空调和发电机的选型依据。
2.1 用电负荷
数据中心用电逐时负荷和全年耗电量如图1、表1所示。
图1 拟建数据中心逐时用电负荷
表 1 数据中心用电量
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年耗电量组成 |
|
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项目 |
年耗电量（MkWh） |
|
空调附属设备耗电 |
0.84 |
|
冷却塔耗电 |
4.48 |
|
风机耗电 |
45.12 |
|
水泵及水泵辅助设备耗电 |
9.06 |
|
主机房机柜等设备耗电 |
144.59 |
|
建筑照明等常规设备耗电 |
3.19 |
|
合计 |
207.28 |
最大用电负荷出现在夏季的7月份，最大负荷24808.9kW；全年耗电量为207.28MkWh。
2.2 数据中心冷热负荷
数据中心逐时冷热负荷如图2、图3所示。
图2拟建数据中心的逐时负荷
图3拟建数据中心的逐时热负荷
从图2、图3可以看出:最大用冷出现在夏季的6月份，最大负荷17617kW；最大用热出现在2月份，最大负荷244.82kW。数据中心全年总需冷量147862385.3kWh,数据中心全年总需热量219480.05kWh。
3 用电要求和系统设计
3.1 数据中心的供电和空调要求
我国2008年颁布执行的《电子信息系统机房设计规范》GB 50174对A级电子信息系统机房做严格的技术要求，如表2所示。
表2A级电子信息系统机房技术要求
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项目 |
技术要求 |
备注 |
|
A级 |
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环境要求 |
||
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主机房温度（开机时） |
23℃±1℃ |
不得结露 |
|
主机房相对湿度（开机时） |
40%~55% |
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主机房温度（停机时） |
5℃~35℃ |
|
|
主机房相对湿度（停机时） |
40%~70% |
|
|
主机房与辅助区温度变化率（开、停机时） |
＜5℃/h |
|
|
辅助区温度、相对湿度（开机时） |
18~28℃、35%~75% |
|
|
辅助区温度、相对湿度（停机时） |
5~35℃、20%~80% |
|
|
不间断电源系统电池温度 |
15~25℃ |
|
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空气调节 |
||
|
主机房和辅助区设置空气调节系统 |
应 |
—— |
|
不间断电源系统电池室设置空调降温系统 |
宜 |
—— |
|
主机房保持正压 |
应 |
—— |
|
冷冻机组、冷冻和冷却水泵 |
N+X冗余（X=1~N） |
—— |
|
机房专用空调 |
N+X冗余（X=1~N）主机房中每个区域冗余X台 |
—— |
|
主机房设置采暖散热器 |
不应 |
—— |
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电气技术 |
||
|
供电电源 |
两个电源供电。两个电源不应同时受到损坏 |
—— |
|
变压器 |
M（1+1）冗余（M=1、2、3……） |
用电量较大时设置专用变压器供电 |
|
后备柴油发电机系统 |
N或N+X冗余（X=1~N） |
—— |
|
后备柴油发电机的基本容量 |
应包括不间断电源系统的基本容量、空调和制冷设备的基本容量、应急照明和消防等涉及生命安全的负荷容量 |
—— |
|
柴油发电机的燃料存储量 |
72小时 |
—— |
|
不间断电源系统配置 |
2N或M（N+1）冗余（M=2、3、4……） |
—— |
|
不间断电源系统电池备用时间 |
15min柴油发电机作为后备电源时 |
—— |
|
空调系统配电 |
双路电源（其中至少一路为应急电源），末端切换。采用放射式配电系统 |
—— |
|
电子信息设备供电电源质量要求 |
||
|
稳态电压偏移范围（%） |
±3 |
—— |
|
稳态频率偏移范围（Hz） |
±0.5 |
电池逆变工作方式 |
|
输出电压波形失真度（%） |
≤5 |
电子信息设备正常工作时 |
|
允许断电持续时间（ms） |
0~4 |
—— |
|
不间断电源系统输入端THDI含量（%） |
＜15 |
3~39次谐波 |
3.2 供配电设计
A级数据中心供电要求有很高的可靠性，目前在我国还没有采用燃气发电机作为主用电源的相关案例，为满足数据中心的供电可靠性需要做周密细致的配电设计。目前国家没有相关的并网发电政策，协调并网发电难以实现，因此，数据中心的三联供系统只能以独立运行方式，即发电机以孤岛运行模式工作。
3.2.1 燃气三联供作为主电源可靠性分析
对可靠性要求很高的A级数据机房来说，市电网络与三联供电站可靠性分析如表3。
表3市网与三联供系统可靠性比较
|
项目 |
市电 |
CCHP |
|
一次能源 |
多样、丰富 煤炭、油、天然气、水电、太阳能、风能等都可以作为市网的一次能源。这个环节其可靠性高 |
较单一 原则上天然气、油、煤炭均可，但考虑到环保及效率等因素，目前天然气是首选。该环节可靠性不如市网 |
|
输配电网络 |
复杂 发电厂要经过升压再进行输送，到目的地城市后要经过数级降压才给用户使用。这个过程电能损耗约10%。 |
简单 发出的电直接给用户使用，系统非常简单。 该环节可靠性比市网高很多。 |
|
综合可靠性 |
相对较低 由于系统复杂，发电、供配电系统级数多，任何环节、任何设备出现问题都会影响到系统的可靠性 |
相对较高 系统简单、层次少，只要有稳定的一次能源，可靠性得以保证 |
3.2.2 燃气三联供的使用条件
根据本工程的特点，供电可靠性、安全性位于首位，只有这样才能应用三联供技术。从上面分析可以得出三联供在本工程的使用条件。
a 一次能源要稳定、充足，价格要适中。很幸运，建设单位是天然气的生产、供应单位，有两路、甚至三路天然气供应，气源产地不同，天然气管路也分开，天然气可以保证稳定和充足，天然气的价格也较合理。
b 关键设备CCHP要可靠、高效。此问题在设备招标时要严加把控。目前国际上有些高质量的CCHP发电机组能满足这项要求。
c 要有高水平的运行、维护人员。系统运行和维护的水平关系到平均无故障时间这一参数，其直接影响到可靠性指标。
近三十年的奥运会和世界杯足球赛的经验表明，满足上述三个条件，重大国际比赛能采用独立的发电机组作为赛事重要用电负荷的主电源，市电作为备用。因此，本工程具备使用独立的发电系统条件，即采用冷热电三联供系统。
3.2.3 供配电系统
综上所述，本数据中心的供配电系统框图如图4所示。
图4 能源站三联供供配电系统框图
由于数据中心用电量大于制冷量，发电机选用发电效率较高的燃气内燃机作为发电机组，CCHP为10kV机组；为保证数据中心的用电可靠性，发电机组分为两组，每组6台4300kW，设置在不同地理位置作为物理分割，两路市电作为备用。每组发电机组可以做到4+2冗余，即一组内的一台发电机组如果在检修或保养时，另一台故障，剩余的同组内其它四台可以带同组内的全负荷；如果整组发电机出现故障，另一组发电机可以带起100%用电负荷，从而满足A级机房的两路同时供电的用电要求，保证数据中心机房用电的可靠性。
3.3空调设计
3.3.1数据中心空调流程
空调系统设计如图5。
图5 空调设计流程图
本数据中心按照机房空调要求，空调系统采用采用2N配置，主用为烟气溴冷机，电制冷作为备用，末端采用全空气系统，机房内保持10Pa正压，机房内新风量保证每小时换气一次。其他监控室、辅助区和公摊区的业务管理及后勤用房、变配电室、电梯机房等房间可采用集中供冷供热方式，冷热源全部由三联供能源站集中供冷系统包括电制冷机和吸收式冷温水机组提供，冷热源通过冷热水管道输送。
3.3.2 空调系统主要设备操作方式
a 烟气热水型直燃机组
当发电机运行时，首先利用发电机排出的余热作为烟气热水型吸收式机组的热源，提供全年供冷所需冷冻水。烟道上装设三通调节阀，可根据末端冷负荷变化情况，调节进入直燃机的烟气量，当冷负荷较小时，部分烟气通过烟道直接排放到大气。另外从发电机出来的高温缸套水进入吸收式冷温水机组的低发，经换热从空调机组出来后如温度仍不能降低至发电机所要求的温度，可以进一步通过散热器对其进行冷却。为保证在发电机组不工作或不能达到满负荷工作，即没有烟气余热可利用或烟气供应不足时，余热吸收式机组仍可以提供冷负荷的供应，本项目余热机组选用带有燃烧机的全补燃型机组，以保证冷负荷的供应。另外在采暖季当烟气冷凝换热器检修时，直燃机组还可以作为热源用于采暖供热。
b 电制冷机组
当市政管网燃气被切断时，电制冷机组作为备用投入运行，满足数据中心空调要求。
c 冷却塔
一台烟气溴冷机和一台电制冷机共用一台冷却塔，若烟气溴冷机工作，则冷却塔与烟气溴冷机连接，若电制冷机工作，则冷却塔与电制冷机连接，冬季则利用冷却塔免费制冷，而烟气余热用于周围相邻地块供热，以提高CCHP的经济效益。
4 结论
（1）燃气三联供（CCHP）是冷、热、电三联供系统建立在能量的梯级利用概念基础上， 以天然气为一次能源，产生冷、热、电的联产联供系统。提高了天然气能源利用率，大量节省了一次能源。数据中心是负荷波动较小，用电和用冷量大，常年需要供冷，符合CCHP的运行特点，能够提高CCHP的经济性。
（2）数据中心采用三联供应以用电负荷的容量作为设计的依据。通过合理的设计，CCHP系统可以满足A级数据机房的供电和供冷需要，保证数据中心用电和用冷的可靠性。
参考文献:
[1] 王小春，寇建玉，史艳辉，冷、热、电三联供系统技术及应用[J]，勘测设计，2010（1）：42-45；
[2] 李峰, 周孝清, 对广州大学城区域能源站系统若干问题的探讨，制冷，2003，22（04）：14-18；
[3] 《关于对〈发展天然气分布式能源的指导意见〉征求意见的函》，2010-4；
[4]《电子信息系统机房设计规范》,GB 50174-2008。