沈洪流

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

0 引言

分布式能源系統(tǒng)是指安裝在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)。天然氣分布式能源系統(tǒng)是以天然氣作為能源，將制冷、供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電一體化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）機(jī)房設(shè)備的用電量和發(fā)熱量都很高，需要常年不間斷運(yùn)行，具有電、冷負(fù)荷需求大而且波動(dòng)相對(duì)較小的特點(diǎn)；同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)通常采用電制冷機(jī)組，其用電量占整個(gè)機(jī)房用電量的比例高達(dá)40%以上，能源效率低。而且，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心僅采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源來(lái)保障供電的可靠性，柴油發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)供電穩(wěn)定的情況下長(zhǎng)期處于停機(jī)狀態(tài)，未給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)任何經(jīng)濟(jì)效益，反而增加了工程造價(jià)和運(yùn)維成本，造成了不小的資源浪費(fèi)。

目前在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心由于能耗問(wèn)題已很難通過(guò)當(dāng)?shù)卣墓?jié)能評(píng)估審核。因此引入天然氣分布式能源系統(tǒng)就地向數(shù)據(jù)中心提供電力和制冷量，不僅有利于提高數(shù)據(jù)中心的可靠性，更關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用和電力就地消納，有效地降低能源消耗，對(duì)提高區(qū)域能源綜合利用率具有積極作用。

由于數(shù)據(jù)中心對(duì)供電可靠性的要求很高，本文以建設(shè)中的浙江某互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源示范項(xiàng)目為例，從設(shè)計(jì)角度對(duì)其供電方案進(jìn)行研究和分析。

1 數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

應(yīng)用天然氣分布式能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常分為能源站、IDC樓、變電站三大部分，其中能源站由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、煙氣-熱水型溴化鋰制冷機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“溴機(jī)”）、離心式電制冷冷水機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電制冷”）、柴油發(fā)電機(jī)組以及相關(guān)輔助設(shè)備組成。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組以天然氣為燃料，在發(fā)電的同時(shí)提供熱能（高溫?zé)煔夂椭袦馗滋桌鋮s水）作為溴機(jī)的制冷熱源，制取冷凍水供應(yīng)給數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心的冷量需求。

能源站的正常運(yùn)行方式采用“以冷定電”，即燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組與市電并網(wǎng)運(yùn)行，其出力根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷量需求的變比進(jìn)行調(diào)節(jié)，所發(fā)電量扣除能源站自用電后通過(guò)變電站10 kV母線送至IDC樓，基本可以滿足IDC樓約80%尖峰電力負(fù)荷的需求，IDC樓電力缺額部分由市電補(bǔ)充。當(dāng)市電失去時(shí)，由能源站內(nèi)的燃機(jī)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源。具體電力、冷能供應(yīng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源系統(tǒng)框圖

通過(guò)對(duì)天然氣一次能源的梯級(jí)利用，整套系統(tǒng)的能源綜合利用率可達(dá)到85%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的效率。

表1 各級(jí)數(shù)據(jù)中心總體要求

2 數(shù)據(jù)中心可靠性要求

依據(jù)ANSI/TIA-942《數(shù)據(jù)中心通信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》[1]及Uptime Institute《數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：拓?fù)洹穂2]，數(shù)據(jù)中心按其基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)運(yùn)行能力分為4個(gè)級(jí)別，相關(guān)要求見(jiàn)表1。

由于T1及T2等級(jí)的可靠性較低，T4等級(jí)的建設(shè)成本又太高，近期已投運(yùn)或在建的公共數(shù)據(jù)中心絕大多數(shù)為T(mén)3等級(jí)或可靠性介于T3與T4之間的T3+等級(jí)。本文案例中的某數(shù)據(jù)中心即為T(mén)3+等級(jí)，項(xiàng)目業(yè)主在建設(shè)前期階段就提出該數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)可用率須達(dá)到“五個(gè)九”（即99.999%）的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 機(jī)組配置方案

數(shù)據(jù)中心能源站的機(jī)組配置及運(yùn)行方式，要求能在任何可能的工況條件下，均須滿足數(shù)據(jù)中心的電力及冷量供應(yīng)需求。以某數(shù)據(jù)中心為例，其IDC樓的冷負(fù)荷需求見(jiàn)表2。

表2 某IDC樓冷負(fù)荷需求匯總

按照“以冷定電”原則，能源站根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷確定的裝機(jī)方案為：9臺(tái)4 275 kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+9臺(tái)4 505 kW溴機(jī)，同時(shí)配備9臺(tái)4 571 kW電制冷作為溴機(jī)的備用（即制冷主機(jī)采用“2N”冗余配置）。

整個(gè)數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷需求見(jiàn)表3，其應(yīng)急電源的配置有以下兩個(gè)方案：

（1）全部采用柴油發(fā)電機(jī)組方案。若全部采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，此時(shí)溴機(jī)由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組不啟動(dòng)而全部停運(yùn)，數(shù)據(jù)中心的冷能供應(yīng)保障需要全部依靠電制冷。根據(jù)表3中的用電負(fù)荷需求，按照每12臺(tái)必須備用1臺(tái)的原則，需要配置36臺(tái)1 820 kW柴油發(fā)電機(jī)組，具體匹配詳見(jiàn)表4。

表3 某數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷需求匯總

（2）采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組+柴油發(fā)電機(jī)組方案。由于能源站內(nèi)已配備的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組同樣具備作為應(yīng)急電源的功能，只是啟動(dòng)時(shí)間及帶載特性不如柴油發(fā)電機(jī)組，在采取了統(tǒng)一并機(jī)控制系統(tǒng)、同型號(hào)自動(dòng)負(fù)載分荷控制器以及選擇合適的黑啟動(dòng)控制邏輯等措施后，完全可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組在孤網(wǎng)狀態(tài)下同時(shí)啟動(dòng)、依次并網(wǎng)、并機(jī)運(yùn)行和自動(dòng)分配負(fù)載的功能，在市電失去情況下共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源。因此，在能源站已有9臺(tái)4 275 kW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的情況下，需要再配置11臺(tái)1 820 kW柴油發(fā)電機(jī)組，具體匹配詳見(jiàn)表4。

表4 某數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電能力匹配

由以上分析可見(jiàn)，對(duì)于應(yīng)用天然氣分布式能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源的方案，可減少柴油發(fā)電機(jī)組配置25臺(tái)，不僅節(jié)約工程造價(jià)約6 900萬(wàn)元，且降低了運(yùn)維費(fèi)用。

4 電氣系統(tǒng)接線方案

為滿足T3或T3+等級(jí)數(shù)據(jù)中心的可靠性要求，數(shù)據(jù)中心整個(gè)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至少應(yīng)避免單點(diǎn)故障或某一設(shè)備維護(hù)時(shí)影響對(duì)IDC樓內(nèi)設(shè)備負(fù)載的供電或制冷系統(tǒng)的運(yùn)行?；谶@一原則，考慮數(shù)據(jù)中心內(nèi)各區(qū)域的電氣系統(tǒng)接線方案如下，其中市電、主變壓器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主變”）、配電變壓器、各級(jí)電壓母線以及各重要供電線路均按100%冗余設(shè)計(jì)，相應(yīng)電氣系統(tǒng)接線見(jiàn)圖2。

4.1 110 kV變電站

數(shù)據(jù)中心變電站采用雙路110 kV市電電源，分別通過(guò)獨(dú)立線路引自附近2個(gè)220 kV變電站的110 kV母線，以保證市電電源的可靠性。站內(nèi)配置2臺(tái)容量100%冗余的110/10 kV主變，110 kV部分采用內(nèi)橋接線，10 kV部分采用單母線分段接線，每段10 kV母線均設(shè)1回至能源站的聯(lián)絡(luò)線以及6回至1~3號(hào)IDC樓的饋線。正常2臺(tái)主變分列運(yùn)行，110 kV橋開(kāi)關(guān)及10 kV分段開(kāi)關(guān)均設(shè)有備自投裝置。

4.2 IDC樓

IDC樓內(nèi)電氣交流負(fù)荷均為低壓。每幢IDC樓設(shè)2套中壓配電系統(tǒng)，每套中配由兩段10 kV母線組成，單母線接線，不設(shè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。每段10 kV母線各設(shè)1路單電源進(jìn)線，分別引自110 kV變電站內(nèi)不同10 kV母線段，正常兩路電源同時(shí)工作。

每套中壓配電系統(tǒng)下設(shè)4對(duì)互為備用的低壓工作變壓器及相應(yīng)4套低壓配電系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“低配系統(tǒng)”）。低配系統(tǒng)采用單母線分段接線。每對(duì)低壓工作變分接于中配不同10 kV母線段上，正常分列運(yùn)行，當(dāng)其中1臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)，低壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)自動(dòng)/手動(dòng)閉合，由另一臺(tái)承擔(dān)所有低壓負(fù)荷供電。

4.3 能源站

能源站設(shè)置兩段10 kV發(fā)電機(jī)母線，采用單母線分段接線，9臺(tái)4 300 kW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)和11臺(tái)1 800 kW應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)分別接至兩段10 kV發(fā)電機(jī)母線。能源站每段10 kV發(fā)電機(jī)母線各通過(guò)1回聯(lián)絡(luò)線分別接入數(shù)據(jù)中心變電站的兩段10 kV母線，聯(lián)絡(luò)線采用共箱封閉母線。正常兩段發(fā)電機(jī)母線分列運(yùn)行，10 kV分段開(kāi)關(guān)設(shè)備自投。

能源站另設(shè)置兩段10 kV站用母線，均采用單母線接線，供能源站站內(nèi)用電負(fù)荷。每段10 kV站用母線設(shè)2回進(jìn)線電源（1主1備且自動(dòng)切換），分別引自能源站內(nèi)兩段10 kV發(fā)電機(jī)母線。雖然接于10 kV站用母線的10 kV電制冷為單電源供電，但是由于能源站內(nèi)制冷主機(jī)（溴機(jī)+電制冷）為“2N”冗余配置，且溴機(jī)電源由低配供給，因此當(dāng)一段10 kV站用母線停運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)仍能保障至少一半電制冷及全部溴機(jī)的供電。

能源站設(shè)2對(duì)互為備用的低壓廠變及2套低壓配電系統(tǒng)。低配系統(tǒng)采用暗備用動(dòng)力中心和電動(dòng)機(jī)控制中心的供電方式[4]，PC（動(dòng)力中心）為單母線分段接線，MCC（電動(dòng)機(jī)控制中心）設(shè)雙路電源進(jìn)線（1用1備），分接于不同PC段上。每臺(tái)電制冷配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相關(guān)輔機(jī)采用獨(dú)立MCC供電，該MCC采用雙回路供電并設(shè)ATS（自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器）。

能源站內(nèi)控制系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、關(guān)鍵閥門(mén)等重要負(fù)荷采用UPS（不間斷電源）或直流供電，UPS及直流系統(tǒng)均為“2N”冗余配置。保障連續(xù)供冷的二次泵采用獨(dú)立UPS供電，所配套的蓄電池組能保證二次泵滿負(fù)荷運(yùn)行15 min。

5 供電可靠性分析

5.1 可靠性數(shù)據(jù)及其來(lái)源

由于缺乏110 kV電氣設(shè)備及輸電線路的可用率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文暫根據(jù)2008—2017年某省10 kV城市用戶供電可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)[5]，分析得出數(shù)據(jù)中心變電站每路10 kV市電電源的年平均可用率為99.958 8%，年平均停電時(shí)間為3.605 h。10 kV及380 V系統(tǒng)主要變配電設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)及其來(lái)源見(jiàn)表5。

5.2 發(fā)電機(jī)組可用率估算

圖2 某數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)接線

表5 主要設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)及其來(lái)源

取單臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組可用率為97.5%。根據(jù)IEEE 493-2007相關(guān)數(shù)據(jù)，取單臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組可用率為99.826 5%[3]。取發(fā)電機(jī)組群加載并網(wǎng)控制系統(tǒng)可用率為99%。在燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組為8+1臺(tái)冗余、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組為10+1臺(tái)冗余情況下，計(jì)算可得整套應(yīng)急電源可用率為 96.903 74%。

5.3 估算結(jié)果

依據(jù)以上系統(tǒng)及設(shè)備可用率數(shù)據(jù)以及整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)接線，對(duì)各級(jí)母線的供電可用率進(jìn)行初步估算[6-9]，估算結(jié)果見(jiàn)表6，其中向電氣負(fù)荷供電的380 V配電母線可用率均達(dá)到T3+等級(jí)數(shù)據(jù)中心“五個(gè)九”的要求。

表6 各級(jí)母線供電可用性估算結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算應(yīng)用的快速發(fā)展，大規(guī)模、高等級(jí)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求日益增長(zhǎng)，然而由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心高耗能的缺點(diǎn)，項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的落地已十分困難，天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用為解決這一難題提供了一種新的途徑[9-15]。在此類(lèi)項(xiàng)目中，對(duì)于如何將數(shù)據(jù)中心高可靠性要求與天然氣分布式能源電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念兩者有機(jī)結(jié)合，本文給出了一種較為完善的供電系統(tǒng)解決方案，主要可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源。

（2）市電、主變壓器、配電變壓器、各級(jí)電壓母線以及各重要供電線路均按100%冗余設(shè)計(jì)。

（3）每臺(tái)電制冷配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相關(guān)輔機(jī)采用獨(dú)立MCC供電，該MCC采用雙回路供電并設(shè)ATS。

（4）能源站內(nèi)UPS及直流系統(tǒng)采用“2N”冗余配置。

（5）保障連續(xù)供冷的水泵采用獨(dú)立UPS供電，所配套的蓄電池組能保證水泵滿負(fù)荷運(yùn)行15 min。