郭 豐

(中國電子學(xué)會(huì)，北京 100036)

0 引 言

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，是指以天然氣為主要燃料帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)等燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備而產(chǎn)生電力以滿足用戶的電力需求，系統(tǒng)排出的廢熱通過驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)供冷，同時(shí)還可提供生活熱水，充分利用了排氣的熱量。經(jīng)過能源的梯級利用使一次能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右。在過去的數(shù)年中，我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了蓬勃發(fā)展，新基建提速，更是為數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)新一輪騰飛注入強(qiáng)勁動(dòng)力。而數(shù)據(jù)中心用電和用冷負(fù)荷波動(dòng)小，常年需要供冷，符合三聯(lián)供系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。文中針對三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 數(shù)據(jù)中心的用能特點(diǎn)

數(shù)據(jù)中心是由計(jì)算機(jī)場地(機(jī)房)、其他基礎(chǔ)設(shè)施、信息系統(tǒng)軟硬件、信息資源(數(shù)據(jù))和人員以及相應(yīng)的管理制度組成的實(shí)體。是為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機(jī)區(qū)、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等。其核心功能是保證服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等各類信息設(shè)備穩(wěn)定可靠工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，完成對信息資源的處理，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的業(yè)務(wù)運(yùn)營提供支撐。中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)總量2017年為27.2萬億元人民幣[1],2018年即達(dá)到31.3萬億元人民幣[2]。預(yù)計(jì)到2025年，中國被創(chuàng)建、采集或是復(fù)制的數(shù)據(jù)總量將增長到48.6ZB，在全球數(shù)據(jù)總量中占比達(dá)到 27.8%[3]。作為海量數(shù)據(jù)的主要儲(chǔ)存與運(yùn)算處理實(shí)體，中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)近年來一直處于高速發(fā)展的階段。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，在用數(shù)據(jù)中心的機(jī)架總規(guī)模已達(dá)166萬架[4]，至2018年底，服務(wù)器在線裝機(jī)量已居世界第二位[5],中國IDC業(yè)務(wù)市場總規(guī)模達(dá)1 228億元，同比增長29.8%[6]。預(yù)計(jì)到 2020 年，具備一定規(guī)模的數(shù)據(jù)中心保有量將超過 8 萬個(gè)[7]。中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)大，也引起了電力消耗量的快速增長。據(jù)相關(guān)報(bào)告估算，中國數(shù)據(jù)中心的耗電量約為1 200億千瓦時(shí)[7],這一數(shù)據(jù)約占中國全國全社會(huì)用電量的2%[8]。尋找一個(gè)能連續(xù)可靠運(yùn)行、能源利用率高、污染小、經(jīng)濟(jì)性比較好的能源系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心對電能的需要，成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展進(jìn)程中面臨的問題。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)是全天24小時(shí)無時(shí)無刻不在運(yùn)轉(zhuǎn)，所以數(shù)據(jù)中心內(nèi)的各類信息設(shè)備需要常年每天24小時(shí)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需要為此提供穩(wěn)定的供電。由于信息設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，用電需求波動(dòng)也較小。信息設(shè)備運(yùn)行時(shí)散發(fā)出大量的熱量，為了保證信息設(shè)備穩(wěn)定工作，也需要保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)的溫度濕度保持相對恒定，為此數(shù)據(jù)中心的機(jī)房需要每天24小時(shí)持續(xù)不斷地冷源。此外，數(shù)據(jù)中心為確保用電的可靠性，數(shù)據(jù)中心要求高質(zhì)量和高穩(wěn)定的不間斷電源，一般需要設(shè)置UPS系統(tǒng)和大功率柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急后備電源。

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上，將供熱(采暖和供熱水)、制冷及發(fā)電過程有機(jī)結(jié)合在一起，三聯(lián)供系統(tǒng)的一些特性與數(shù)據(jù)中心負(fù)荷波動(dòng)較小、用電和用冷量大、常年需要供冷的用能特點(diǎn)較匹配，所發(fā)的電能，可以全部就地為數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用，不像醫(yī)院、商場、賓館等，白天啟用，晚間不用問題。燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷、熱、電三者中的冷，同樣可以全部用于機(jī)房的冷量需要，它也不像醫(yī)院、商場、賓館等民用建筑，夏季需要冷，冬季需要熱，白天需要，晚間不需要，春秋季不需要等問題，三聯(lián)供設(shè)備在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)用可以得到高效使用，減少數(shù)據(jù)中心對于空調(diào)系統(tǒng)的需求，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的成本。燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)作為分布式能源的一種，可以就進(jìn)設(shè)置，并且相對靈活，有了燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)后，也可作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急后備電源的使用。尤其是在各項(xiàng)電源輸出特性參數(shù)比較上，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)采用的燃?xì)廨啓C(jī)相比柴油發(fā)電機(jī)組更加穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)中心可以相應(yīng)減少UPS系統(tǒng)所需電池?cái)?shù)量，減少投資成本。所以燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)成為解決數(shù)據(jù)中心能源需求的一個(gè)重要選擇，在數(shù)據(jù)中心中具有較高的應(yīng)用可行性。

能源的梯級利用高溫段1000℃以上電能中溫段300～500℃驅(qū)動(dòng)熱泵;驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)低溫段200℃以下除濕;供熱;生活熱

2 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用方式

數(shù)據(jù)中心用電量遠(yuǎn)大于制冷量。如某數(shù)據(jù)中心，經(jīng)核算，最大用電負(fù)荷出現(xiàn)在7月份，最大負(fù)荷248 089 kW;全年耗電量為207.28 MkWh。最大用冷出現(xiàn)在6月份，最大負(fù)荷1767 kW;最大用熱出現(xiàn)在2月份，最大負(fù)荷244.82 kW。數(shù)據(jù)中心全年總需凈量147 862 385.3 kWh，數(shù)據(jù)中心全年總需熱量219 480.05 kWh。

表1 數(shù)據(jù)中心年耗電量組成

為此，數(shù)據(jù)中心應(yīng)用燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，通常是選用發(fā)電效率較高的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)所發(fā)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)中心，不足部分由電網(wǎng)提供。同時(shí)適當(dāng)配置部分柴油發(fā)電機(jī)組。為保證數(shù)據(jù)中心的用電可靠性，發(fā)電機(jī)組一般分為兩組，設(shè)置在不同的地理位置作為物理分割，互為冗余。即一組內(nèi)的發(fā)電機(jī)組在檢修或保養(yǎng)時(shí)，一組發(fā)電機(jī)可以帶起100%用電負(fù)荷。如果有兩路市電作為備用，也可以不設(shè)置冗余，從而有效節(jié)約初期設(shè)備投資和建設(shè)成本。但仍需要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組和UPS,與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和市電共同組成供電系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)中心供電的高可靠性要求。在設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷情況，從而搭建合理的供電架構(gòu)。

在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)后，通常連接吸收式制冷機(jī)。一般選擇溴化鋰吸收式制冷機(jī)，溴化鋰吸收式制冷機(jī)有多種類型，如兩級發(fā)生的溴化鋰吸收式制冷機(jī)，它可有效地利用高壓加熱蒸汽；兩級吸收的溴化鋰吸收式制冷機(jī)，它可有效地利用低溫位熱能。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，利用內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣熱水所攜帶的余熱作為吸收式制冷機(jī)的熱源。為保證在發(fā)電機(jī)組不工作或不能達(dá)到滿負(fù)荷工作，即沒有煙氣余熱可利用或煙氣供應(yīng)不足時(shí).余熱吸收式機(jī)組仍可以提供凈負(fù)荷的供應(yīng)，也可以考慮選用帶有燃燒機(jī)的直燃型機(jī)組。在取暖季當(dāng)煙氣冷凝換熱器檢修時(shí)，直燃機(jī)組還可以作為熱源用于采暖供熱。

為避免受到燃?xì)夤?yīng)波動(dòng)的影響，通常數(shù)據(jù)中心在配備吸收式制冷機(jī)同時(shí)也配備電制冷機(jī)組和冷卻塔。當(dāng)市政管網(wǎng)燃?xì)馀袛鄷r(shí)，電制冷機(jī)組作為備用投入運(yùn)行，滿足數(shù)據(jù)中心空調(diào)要求。吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)共用一臺冷卻塔.若吸收式制冷機(jī)組工作，則冷卻塔與吸收式制冷機(jī)組機(jī)連接;若電制冷機(jī)組工作，則冷卻塔與電制冷機(jī)組連接。冬季則可以利用冷卻塔實(shí)現(xiàn)自由冷卻，從而降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本。而煙氣余熱用于周圍相鄰地塊供熱，以提高燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 應(yīng)用實(shí)例

鳳凰數(shù)據(jù)中心天然氣分布式供能項(xiàng)目,于2014年6月經(jīng)江蘇省發(fā)改委、能源局審批立項(xiàng)，2014年底建成試生產(chǎn)。項(xiàng)目包括3臺輸出電功率為2 000 kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，3臺制冷量為2 300 kW的煙氣熱水型溴化鋰?yán)錂C(jī)，并配套相應(yīng)的冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔、水處理等循環(huán)系統(tǒng)。按照機(jī)房空調(diào)要求，空調(diào)系統(tǒng)采用2N配置。主用為煙氣熱水型溴化鋰?yán)錂C(jī)，電制冷作為備用，末端采用全空氣系統(tǒng)。機(jī)房內(nèi)保持10 Pa正壓，機(jī)房內(nèi)新風(fēng)量保證每小時(shí)換氣一次。其他監(jiān)控宰、輔助眨和公攤區(qū)的業(yè)務(wù)管理及后勤用房變配電事，電梯機(jī)房等房間可采甩集中供冷供熱方式，冷熱源全部由三聯(lián)供能源站集中提供.供冷系統(tǒng)包括電制冷機(jī)和吸收式冷溫水機(jī)組.冷熱源通過冷熱水管道輸送。提供常年供冷所需冷凍水管煙道上裝設(shè)三通調(diào)節(jié)閥.可根據(jù)末端冷負(fù)荷變化情況，調(diào)節(jié)進(jìn)入直燃機(jī)的煙氣量，當(dāng)冷負(fù)荷較小時(shí)，部分煙氣通過煙道直接排放到大氣。另外從發(fā)電機(jī)出來的熱水進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰?yán)錂C(jī)，經(jīng)換熱后如溫度仍不能降低至發(fā)電機(jī)所要求的溫度.可以進(jìn)一步通過散熱器對其進(jìn)行冷卻。為保證在發(fā)電機(jī)組不工作或不能達(dá)到滿負(fù)荷工作，即沒有煙氣余熱可利用或煙氣供應(yīng)不足時(shí).余熱吸收式機(jī)組仍可以提供凈負(fù)荷的供應(yīng)，本項(xiàng)目余熱機(jī)組選用帶有燃燒機(jī)的全補(bǔ)燃型機(jī)組。

項(xiàng)目總投資額6 500萬元，包含配套設(shè)施、輔助設(shè)施及環(huán)保項(xiàng)目的降噪設(shè)施和脫硝設(shè)施等。三聯(lián)供項(xiàng)目所供的全部電能和冷量全部為鳳凰數(shù)據(jù)中心使用，不足部分由電網(wǎng)提供。

項(xiàng)目2014年底建成試生產(chǎn)，2015年4月已投入正式運(yùn)行。正式投產(chǎn)后三聯(lián)供年耗天然氣1 022.6萬Nm3，年發(fā)電量3 888萬kWh，年供電量3 729萬kWh，年制冷量160 963 GJ。年節(jié)約標(biāo)煤量：6 582.38 t。年節(jié)水量為3.1萬t。減少二氧化碳排放1.76萬t。每年可減少二氧化碳排放1.76萬t。

附計(jì)算過程：

天然氣熱值為33.812 MJ/Nm3

總能耗為：1 022.6×33.812=34 576.15萬MJ =11 811.2 t標(biāo)準(zhǔn)煤

三聯(lián)供年供電量3 729.12萬kWh，年供冷160 963.2 GJ

按燃煤電廠供電、供熱煤耗計(jì)算：

供電耗標(biāo)煤：3 729.12×323=12 045.05 t(323 g/kWh為供電標(biāo)煤耗)

供冷標(biāo)煤耗：160 963.2×0.04=6 348.53 t(0.04 kg/MJ為供熱標(biāo)煤耗)

則：總能耗為：12 045.05+6 348.53=18 393.58 t標(biāo)準(zhǔn)煤

三聯(lián)供年節(jié)約標(biāo)煤量：18 393.58-11 811.2 t=6 582.38 t

根據(jù)1噸標(biāo)煤排放2.68 t CO2計(jì)算：減少二氧化碳排放1.76萬t。

節(jié)水量及計(jì)算過程；

與常規(guī)火力電廠相比，三聯(lián)供項(xiàng)目節(jié)水量主要為沒有常規(guī)火電的鍋爐、汽輪機(jī)及水處理等設(shè)備，節(jié)省了鍋爐、汽輪機(jī)及水處理等設(shè)備的排污汽水損失量。按照火電企業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，空冷機(jī)組耗水量為0.8 kg/kWh，按本項(xiàng)目年發(fā)電量3 888萬kWh計(jì)算，年節(jié)水量為3.1萬t。

4 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需要關(guān)注的事項(xiàng)

目前全國已建設(shè)部分天然氣三聯(lián)供數(shù)據(jù)中心，未來隨著分布式能源的不斷推廣，規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。但是數(shù)據(jù)中心應(yīng)用燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)仍有需要關(guān)注的幾個(gè)事項(xiàng)。

(1)因?yàn)閷τ跀?shù)據(jù)中心來講，供電可靠性、安全性位于首位，所以天然氣的供應(yīng)一定要穩(wěn)定、充足。否則需要配置足夠的電制冷能力，大大增加數(shù)據(jù)中心初期建設(shè)成本。

(2)天然氣價(jià)格和電價(jià)是影響燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。據(jù)測算，燃?xì)鈨r(jià)格與發(fā)電單價(jià)對照如下表。不同地區(qū)的氣價(jià)、峰谷電價(jià)差別很大，必須根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行精確的測算。另外，部分污染嚴(yán)重或嚴(yán)重缺電地區(qū)會(huì)為安裝燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)提供政策性補(bǔ)貼，也是燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)運(yùn)行保持經(jīng)濟(jì)性的重要影響因素。部分項(xiàng)目為保證經(jīng)濟(jì)性，采取峰電價(jià)時(shí)開啟系統(tǒng)，谷電價(jià)時(shí)停止運(yùn)行的方式，也是可以參考的方式，見表2。

表2 燃?xì)鈨r(jià)格與電力單價(jià)的對照表

《大型、超大型數(shù)據(jù)中心選用燃?xì)舛?lián)供的若干問題》

(3)目前在我國還沒有采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)作為主用電源的相關(guān)案例，為滿足數(shù)據(jù)中心的供電可靠性需要做周密細(xì)致的配電設(shè)計(jì)。在與市電配合方面，需要與電網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行充分地協(xié)調(diào)。

(4)我國頒布執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174-2017)對數(shù)據(jù)中心環(huán)境做了嚴(yán)格的技術(shù)要求，在進(jìn)行相關(guān)冷量計(jì)算時(shí)需要嚴(yán)格遵循該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(5)要有高水平的運(yùn)行、維護(hù)人員。由于燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)相比常規(guī)市電系統(tǒng)龐大復(fù)雜得多，運(yùn)行的安全可靠性成為重點(diǎn)。尤其是冷源系統(tǒng)，由于冷卻工質(zhì)狀態(tài)的切換需要時(shí)間，達(dá)到所設(shè)置參數(shù)有一定的時(shí)延，吸收式制冷機(jī)組和電制冷機(jī)組之間的調(diào)整需要較高的技巧。此外，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)對于負(fù)載與自身出力能力的匹配調(diào)節(jié)也有較高要求，對于機(jī)組的保養(yǎng)也需要較高的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

雖然國內(nèi)近年已有若干數(shù)據(jù)中心采用了燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，但是目前仍然是處于規(guī)模應(yīng)用的前期。對燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)缺乏經(jīng)濟(jì)性、可用性不佳的顧慮仍然廣泛存在。但基于燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)自身的優(yōu)點(diǎn)以及與數(shù)據(jù)中心用能特性的高度匹配，相信隨著燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)應(yīng)用方案不斷完善，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)一定會(huì)成為數(shù)據(jù)中心用能的重要解決方案。