姜曉君，陳邦穩(wěn)，陸 源（.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通浙江分公司，浙江 杭州 3005）

0 前言

天然氣分布式能源系統(tǒng)是分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，它以天然氣為燃料發(fā)電，利用發(fā)電所產(chǎn)生的廢熱制冷、制熱，實(shí)現(xiàn)電熱冷聯(lián)產(chǎn)。2017年6月23 日，國家能源局印發(fā)《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》（發(fā)改能源［2017］1217 號(hào)），要求“完善氣電價(jià)格聯(lián)動(dòng)機(jī)制，有條件的地方可積極采取財(cái)政補(bǔ)貼等措施疏導(dǎo)天然氣發(fā)電價(jià)格矛盾”。2018 年9 月5 日，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》（國發(fā)［2018］31 號(hào)），明確了加快天然氣開發(fā)利用，并且指出將中央財(cái)政對(duì)非常規(guī)天然氣補(bǔ)貼政策延續(xù)到“十四五”時(shí)期。由此可見，國家是積極鼓勵(lì)天然氣有序開發(fā)利用的。

近年來，由于節(jié)能環(huán)保的要求，非居民用天然氣價(jià)格的下降及多城市對(duì)數(shù)據(jù)中心用電量加以限制，國內(nèi)在建或已經(jīng)建成了多個(gè)天然氣分布式能源與數(shù)據(jù)中心相結(jié)合的工程，如南京鳳凰數(shù)據(jù)中心、上海青浦云數(shù)據(jù)中心、廣州超算數(shù)據(jù)中心等，但是各數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式各不相同。

1 數(shù)據(jù)中心和天然氣分布式能源用能特點(diǎn)

數(shù)據(jù)中心設(shè)置的電子信息設(shè)備具有全年不間斷運(yùn)行，電力負(fù)荷、冷負(fù)荷基本穩(wěn)定，用電量和用冷量巨大的特點(diǎn)。供電系統(tǒng)末端毫秒級(jí)的停電都可能會(huì)引起服務(wù)器的宕機(jī)，進(jìn)而帶來不良的社會(huì)影響或巨額的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器幾乎是以同等電力輸入當(dāng)量向機(jī)房散熱，所以數(shù)據(jù)中心需全年供冷，供暖需求和生活熱水需求較小。

天然氣分布式能源系統(tǒng)以天然氣為燃料，燃燒后驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂蜔崴鳛闊嵩打?qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組制冷，制冷后的余熱再作為供暖的能源系統(tǒng)。天然氣分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，具有能源靠近負(fù)荷側(cè)、能源綜合利用效率高、傳輸損耗低、環(huán)保性能好等特點(diǎn)。由于溴化鋰機(jī)組使用的是發(fā)電所產(chǎn)生的廢熱制冷，制電制冷同步，符合數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行場景，所以如果天然氣價(jià)格在一個(gè)合理范圍內(nèi)，采用天然氣分布式能源的數(shù)據(jù)中心就會(huì)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)實(shí)例

某園區(qū)包含1 棟110 kV 變電站、1 棟天然氣分布式能源站、3 棟DC 樓及配套設(shè)施，DC 樓規(guī)劃機(jī)架數(shù)5 000 架，單機(jī)架功率6～12 kW。分布式能源站和數(shù)據(jù)中心工程分開建設(shè)，能源站以數(shù)據(jù)中心的供電和供冷參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行控制，其供電架構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.1 110 kV變電站供電架構(gòu)

110 kV 變電站的主變壓器容量為2×63 MVA，采用三相雙繞組自冷式有載調(diào)壓變壓器，額定電壓110×(1±0.0125)/10.5 kV，阻抗電壓17%，接線組別YN，d11。110 kV 進(jìn)線2 回（來自市電），采用內(nèi)橋接線方式；10 kV 進(jìn)線2回（來自能源站），采用單母線分段接線方式；10 kV 出線14 回（至數(shù)據(jù)中心）。110 kV 側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)隔離開關(guān)接地，10 kV側(cè)經(jīng)小電阻接地。

2.2 分布式能源站供電架構(gòu)

分布式能源站設(shè)置2段10 kV發(fā)電機(jī)母線，采用單母線分段方式，能源站的發(fā)電序列配置為9 臺(tái)4 300 kW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)和11 臺(tái)1 800 kW 柴油發(fā)電機(jī)，分別接至能源站的2 段10 kV 發(fā)電機(jī)母線，每段10 kV 發(fā)電機(jī)母線分別通過1 回聯(lián)絡(luò)線接入110 kV 變電站的10 kV 母線與系統(tǒng)并網(wǎng)。當(dāng)2 路110 kV 線路正常供電或只有1 路110 kV 線路正常供電的情況下，所有柴油發(fā)電機(jī)組均閉鎖不運(yùn)行，當(dāng)且僅當(dāng)2 路110 kV 線路全部失電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組才投入運(yùn)行。

圖1 采用分布式能源的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)示意

制冷序列配置為9 臺(tái)4 650 kW 煙氣-熱水溴化鋰制冷機(jī)和10臺(tái)4 570 kW 電制冷冷水機(jī)，分別可以滿足數(shù)據(jù)中心100%的制冷，即燃?xì)庵袛鄷r(shí)，63 MVA 主變?nèi)萘勘ＷC數(shù)據(jù)中心和能源站的全部電力容量要求，電制冷冷水機(jī)組可以滿足數(shù)據(jù)中心的全部冷量要求；雙路市電中斷時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)聯(lián)合供電，溴化鋰機(jī)組制冷，也可以滿足數(shù)據(jù)中心的電和冷的負(fù)荷要求；網(wǎng)電和發(fā)電機(jī)聯(lián)合供電時(shí)，以冷定電，不足部分由市電補(bǔ)充。

2.3 數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)

3 棟數(shù)據(jù)中心規(guī)模相同，每棟數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃總有功功率為15 300 kW，引入4 路10 kV/10 000 kVA 容量市電，每兩路市電之間互為備用。設(shè)置2 套中壓配電系統(tǒng)，采用單母線分段方式，設(shè)置8 套2 500 kVA×2的低配系統(tǒng)，設(shè)置低壓母聯(lián)，每臺(tái)變壓器平時(shí)運(yùn)行負(fù)載率為48%，變壓器總安裝容量為40 MVA，滿足數(shù)據(jù)中心終期用電需求。

3 供電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制

根據(jù)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司的協(xié)商，分布式能源站發(fā)電系統(tǒng)采用“以冷定電、并網(wǎng)上網(wǎng)”的運(yùn)行方式，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)全天24 h運(yùn)行，柴油發(fā)電機(jī)組備用，發(fā)電量由電網(wǎng)公司全額收購。全天24 h利用發(fā)電煙氣和余熱驅(qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中心供冷。雙路市電全部故障時(shí)，由能源站系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)中心所需的全部電能和冷能。

能源站采用三層控制系統(tǒng)，頂層為集散控制系統(tǒng)（雙機(jī)熱備模式），設(shè)置在中央監(jiān)控中心，監(jiān)控人員24 h值班；第二層包括燃機(jī)主控制柜、燃機(jī)分控柜及溴化鋰機(jī)組等主設(shè)備的控制系統(tǒng)；底層為各就地控制設(shè)備和儀表等。

3.1 2路市電正常情況

2 路市電正常的情況下，數(shù)據(jù)中心的電源由電網(wǎng)獲得。能源站2 段10 kV 發(fā)電機(jī)母線各通過1 回聯(lián)絡(luò)線接入110 kV 變電站的10 kV 母線。變電站10 kV 母線和能源站10 kV 發(fā)電機(jī)母線的母聯(lián)開關(guān)均處于斷開位置。

3.2 1路市電故障情況

1 路市電故障的情況下，備用電源自投裝置動(dòng)作，數(shù)據(jù)中心側(cè)的供電系統(tǒng)不動(dòng)作。

3.3 2路市電故障情況

2路市電故障的情況下，即2路110 kV 線路或2臺(tái)主變壓器同時(shí)失電時(shí)，需要切除變電所2段10 kV母線主變低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)和數(shù)據(jù)中心在該段上的部分負(fù)荷。此時(shí)，接于能源站同一段10 kV 母線上的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組各為一個(gè)小的孤網(wǎng)系統(tǒng)，需由能源站的燃機(jī)主控制柜經(jīng)同期后合閘能源站側(cè)10 kV 母線分段開關(guān)，將所有燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組統(tǒng)一在大孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，以利于負(fù)荷分配，提高系統(tǒng)安全性，并緊急啟動(dòng)各柴油發(fā)電機(jī)組補(bǔ)充電力缺口，然后再投入該段上的原已切除的數(shù)據(jù)中心負(fù)荷，能源站的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組共同保證數(shù)據(jù)中心和能源站的供電。

切除負(fù)荷時(shí)需要注意：該負(fù)荷容量要大于網(wǎng)電補(bǔ)充電量，但不能大于發(fā)電機(jī)的負(fù)荷突變量，以避免燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組突然甩負(fù)荷跳閘，可由數(shù)據(jù)中心安裝的低頻減載設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷的切除。如果數(shù)據(jù)中心低頻減載設(shè)備切除負(fù)荷不成功，能源站內(nèi)每段10 kV 母線上的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組將會(huì)因負(fù)荷突變而引起跳機(jī)，導(dǎo)致整個(gè)能源站失電。此時(shí)，需要緊急啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，啟動(dòng)邏輯和啟動(dòng)時(shí)間如下：

a）啟動(dòng)第1 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，由于母線上沒有電壓，該柴油發(fā)電機(jī)組不需要同步，啟動(dòng)后直接接入10 kV母線，然后投入負(fù)載，耗時(shí)約為30 s。

b）能源站控制系統(tǒng)給其他10 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)發(fā)出啟動(dòng)指令，啟動(dòng)后自動(dòng)同步并網(wǎng)，逐臺(tái)投入，由于各機(jī)組并網(wǎng)性能有差異，以總時(shí)間60 s來計(jì)。

c）當(dāng)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組因負(fù)荷突變而引起跳機(jī)后，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組需要重新啟動(dòng)，燃機(jī)加載指標(biāo)為每10 s 加10%～15%容量，可以在100 s 的時(shí)間內(nèi)全部加滿載。此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組已全部完成并網(wǎng)，主控制柜給9 臺(tái)內(nèi)燃機(jī)組發(fā)出同步并網(wǎng)指令，總并機(jī)時(shí)間按90 s 計(jì)，然后投入負(fù)載，全部加載完成需要約150 s，全過程總時(shí)間約（100+90+150）=340 s。

綜上，當(dāng)市電突然斷電且低頻減載設(shè)備切除負(fù)荷不成功，致使內(nèi)燃機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行而全部跳閘時(shí)，7～8 min可恢復(fù)整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電。

4 供電架構(gòu)的問題探討

4.1 運(yùn)行方式的對(duì)比

本方案采用的是不間斷運(yùn)行方式，目前天然氣分布式能源站常用的一種方式是峰谷運(yùn)行方式，即峰電期（當(dāng)日8：00-22：00）：燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電量送至110 kV 變電站的10 kV 母線供數(shù)據(jù)中心使用，缺額部分由電網(wǎng)補(bǔ)充；利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的余熱和煙氣驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)為數(shù)據(jù)中心供冷。谷電期（當(dāng)日22：00-次日8：00）：燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)停發(fā)轉(zhuǎn)為備用，數(shù)據(jù)中心和能源站用電全部由電網(wǎng)提供，利用電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電制冷機(jī)組為數(shù)據(jù)中心供冷。

不間斷運(yùn)行方式下，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)全天運(yùn)行，溴化鋰制冷系統(tǒng)與電制冷系統(tǒng)也不需要每天兩次的切換投運(yùn)，對(duì)發(fā)電和制冷系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定運(yùn)行有利；同時(shí)，電制冷機(jī)組平時(shí)不再運(yùn)行，可為溴化鋰機(jī)組故障停運(yùn)提供全冷源備份，制冷系統(tǒng)冗余度提高。

但是，不間斷運(yùn)行方式對(duì)于分布式能源站而言失去了峰谷電價(jià)的優(yōu)勢，運(yùn)行成本高。對(duì)于電網(wǎng)而言，終端用戶未充分發(fā)揮調(diào)峰填谷能力，經(jīng)濟(jì)型及電力審批方面會(huì)有難度。并且通過以上分析，整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯比較復(fù)雜。

4.2 分布式能源站與數(shù)據(jù)中心的評(píng)級(jí)

數(shù)據(jù)中心的評(píng)級(jí)內(nèi)容涉及各個(gè)專業(yè)，天然氣分布式能源站作為數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)，主要是影響到其供電系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)。本文僅對(duì)與供電系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

常規(guī)數(shù)據(jù)中心的供能幾乎全部依靠電力，典型的供電系統(tǒng)是由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及自備發(fā)電機(jī)組等設(shè)備組成。不間斷電源主要保證市電中斷、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前的重要負(fù)載的持續(xù)供電。自備發(fā)電機(jī)組主要在市電中斷后，保證為負(fù)載提供持續(xù)、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。A 級(jí)數(shù)據(jù)中心和分布式能源站技術(shù)要求對(duì)比如表1所示。

4.3 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)

能源站配置燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)單機(jī)容量大，相對(duì)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間長，響應(yīng)速度較慢，功率突加能力弱，啟動(dòng)條件較高，本項(xiàng)目所配燃機(jī)分步加載至滿載的時(shí)間約100 s。柴油發(fā)電機(jī)單機(jī)容量較小，適合較小負(fù)荷的場合，但其啟動(dòng)時(shí)間短，單臺(tái)油機(jī)系統(tǒng)通常在20 s內(nèi)即可完成啟動(dòng)和加載，響應(yīng)速度很快，在額定功率范圍內(nèi)，能承受較大的功率突加，啟動(dòng)條件相對(duì)較低。內(nèi)燃機(jī)和柴油機(jī)本質(zhì)上只是將不同燃料轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，發(fā)電機(jī)部分本質(zhì)上是一致的，從并機(jī)的控制和切入時(shí)間來說無區(qū)別，第一臺(tái)油機(jī)啟動(dòng)直接并至母線，其他柴油發(fā)電機(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)實(shí)時(shí)檢測母線的電壓、頻率、相角等，在滿足并機(jī)條件時(shí)并入系統(tǒng)。

本項(xiàng)目對(duì)DC 樓內(nèi)的變壓器設(shè)置了自動(dòng)投切系統(tǒng)，可按單變壓器容量步長及燃機(jī)和油機(jī)混合的帶載特性設(shè)置每步的投切延遲時(shí)間。從目前DC3 樓的市電中斷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果看，整個(gè)基地從市電中斷到DC3樓（每棟DC 樓設(shè)置8 對(duì)變壓器）全部加載完成的時(shí)間不超過116 s。

4.4 備用機(jī)組的燃料供應(yīng)

本項(xiàng)目配置的煙氣-熱水溴化鋰機(jī)組和電制冷冷水機(jī)組可以分別滿足數(shù)據(jù)中心100%的用冷；不管是雙路市電中斷，還是燃?xì)庵袛?，均能保證數(shù)據(jù)中心的用冷。本項(xiàng)目的天然氣為省天然氣骨干網(wǎng)專線引入的高壓氣體，經(jīng)能源站內(nèi)自設(shè)的調(diào)壓站，由雙母管引至天然氣發(fā)電機(jī)組。其氣體壓力的穩(wěn)定性較城市管網(wǎng)高，面對(duì)“氣荒”其氣源的保障性也較城市管網(wǎng)強(qiáng)。

如果采用CNG儲(chǔ)罐：建設(shè)滿足12 h用量的CNG儲(chǔ)罐，大約需要的場地面積為66 667 m2，如果采用移動(dòng)LNG 儲(chǔ)罐，必須考慮與相鄰工廠邊界的安全防火間距，滿足12 h儲(chǔ)氣量的要求，可實(shí)施難度非常大。并且雙路市電中斷時(shí)，不應(yīng)再同時(shí)考慮燃?xì)庵袛嗟墓r，所以筆者認(rèn)為，本工程符合A級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)容錯(cuò)的要求，從安全和經(jīng)濟(jì)角度不必設(shè)置12 h的儲(chǔ)氣量。

4.5 制冷系統(tǒng)的末端ATS

表1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心和分布式能源站技術(shù)要求對(duì)比

關(guān)于制冷系統(tǒng)的配電，在通信局房設(shè)計(jì)早期，由于當(dāng)時(shí)功率密度低，是采用單路供電或者房間級(jí)ATS 供電，隨著單機(jī)柜功率密度的提高，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的配電等級(jí)也在不斷提高，A 級(jí)數(shù)據(jù)中心要求采用雙路電源末端切換的供電方式，其目的在于任何一臺(tái)ATS故障，不會(huì)影響整個(gè)機(jī)房或者系統(tǒng)的供冷。

而對(duì)于分布式能源站，供冷架構(gòu)同常規(guī)的數(shù)據(jù)中心冷凍站不同，能源站配置了2套100%冗余配置的制冷系統(tǒng)，即溴化鋰制冷機(jī)組和電制冷機(jī)組，每套制冷系統(tǒng)均按N+1機(jī)組配置，且分別采用不同的母線段供電，因此，單臺(tái)溴化鋰機(jī)組或電制冷機(jī)組不設(shè)置末端ATS供電，也能滿足電氣系統(tǒng)任何單一故障或設(shè)備維修仍能保證制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求。

5 小結(jié)

天然氣分布式能源作為一種新的為數(shù)據(jù)中心供能的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，可同時(shí)滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)電力和制冷的需求，符合國家倡導(dǎo)的高效環(huán)保、節(jié)能減排的要求。本項(xiàng)目案例為天然氣分布式能源在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用提供了參考。

a）項(xiàng)目初期投資高，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，天然氣分布式能源項(xiàng)目是利用較低的運(yùn)行費(fèi)用來換取初期的高投資，因而適用于機(jī)房布局快、機(jī)架上架率高的客戶，并且燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組單機(jī)容量大，適合有較高的初裝率的場景。

b）由于分布式能源其架構(gòu)不同于常規(guī)數(shù)據(jù)中心的雙路電源+油機(jī)+冷凍站模式，對(duì)于部分新客戶或定制化要求高的客戶，存在接受度低的問題，對(duì)于出租性數(shù)據(jù)中心，這一點(diǎn)是值得建設(shè)部門和市場部門注意的問題，工程建成后，再進(jìn)行改造的難度和投資都將非常大。

c）對(duì)于采用分布式能源的數(shù)據(jù)中心的級(jí)別評(píng)定問題，建議參考Uptime 的認(rèn)證思路，從容錯(cuò)、冗余或者是否存在單點(diǎn)故障等使用功能來區(qū)分，可以有多重的形式選擇，不宜嚴(yán)苛地按照某單一物理架構(gòu)或硬件配置來區(qū)分，避免不必要的投資浪費(fèi)。

d）目前國家關(guān)于天然氣的發(fā)展利用文件中，不管是《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（發(fā)改能源［2016］2743號(hào)），《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》（發(fā)改能源［2017］1217 號(hào)），還是《關(guān)于促進(jìn)天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》（國發(fā)［2018］31 號(hào)）均鼓勵(lì)分布式能源站的削峰填谷應(yīng)用，此種運(yùn)行模式對(duì)經(jīng)濟(jì)性是有利的，但是對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，由于溴化鋰機(jī)組的熱惰性與電制冷機(jī)組輸出差異較大，造成轉(zhuǎn)換平衡時(shí)間長，機(jī)組每天的2次投切對(duì)系統(tǒng)的安全性和運(yùn)維的熟練要求非常高，對(duì)于高可靠等級(jí)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時(shí)宜謹(jǐn)慎論證。

隨著國家電力體制改革的深入，電力供應(yīng)市場也將逐步放開，分布式能源站的建設(shè)也為數(shù)據(jù)中心以后靈活選擇電力供應(yīng)商，獲得更優(yōu)惠的電費(fèi)價(jià)格提供了方便。隨著工業(yè)用天然氣價(jià)格的下降，可以預(yù)見天然氣分布式能源站在數(shù)據(jù)中心工程中有著良好的應(yīng)用前景。