摘要：針對天然氣管網(wǎng)壓力能未被充分利用且應(yīng)用場景適應(yīng)性不足等問題，在數(shù)據(jù)中心高能耗、碳污染問題日益突出的背景下，提出一種含天然氣壓力能綜合利用的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法。首先，設(shè)計了考慮天然氣壓力能發(fā)電制冷綜合利用的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)架構(gòu)。然后，基于?分析理論建立了天然氣壓力能發(fā)電、制冷出力特性模型，考慮數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備能耗以及散熱特性，建立了數(shù)據(jù)中心電功率需求模型和冷功率需求模型。其次，綜合考慮配電網(wǎng)供能約束、燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)功率約束和電池充放電功率約束，以日運(yùn)行費用最低為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型。最后，根據(jù)西南地區(qū)某天然氣調(diào)壓站、某A 級數(shù)據(jù)中心能耗需求數(shù)據(jù)設(shè)置算例進(jìn)行仿真，驗證了所提系統(tǒng)方案及優(yōu)化方法的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：天然氣壓力能；?分析；微電網(wǎng)；需求響應(yīng)；數(shù)據(jù)中心；優(yōu)化運(yùn)行

引言

天然氣作為一種清潔能源，在西南地區(qū)儲量豐富，在能源市場上占有很大份額。隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，天然氣管網(wǎng)的建設(shè)也迅速展開，形成了以“西氣東輸”和“川氣東送”為基礎(chǔ)的全國天然氣輸送管網(wǎng)。西南地區(qū)作為天然氣重要生產(chǎn)地，在天然氣的開采、輸送及配用等全過程中蘊(yùn)含巨大的壓力能[1 2]。目前，天然氣壓力能主要用于發(fā)電和制冷，但是由于調(diào)壓站點通常處于遠(yuǎn)郊地帶，所產(chǎn)生的電能、冷能存在消納困難的問題，制約了天然氣壓力能利用技術(shù)的推廣應(yīng)用。同時，隨著“東數(shù)西算”工程全面啟動，未來將會有更多的數(shù)據(jù)中心在西部鋪開，并且數(shù)據(jù)中心通常情況下坐落于遠(yuǎn)離城市地區(qū)，因此，數(shù)據(jù)中心與天然氣調(diào)壓站具有空間分布一致性的特點，所以將天然氣壓力能引入數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)在空間分布上是合理的。中國數(shù)據(jù)中心在過去很長一段時間內(nèi)依賴化石能源，對清潔能源的利用率很低。在“雙碳”目標(biāo)下，為引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心向綠色低碳發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，國家和地方陸續(xù)出臺了一系列政策推動數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展。2019 年，國家發(fā)展和改革委員會、中華人民共和國財政部和國家能源局三部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》，明確要求加強(qiáng)清潔能源在數(shù)據(jù)中心的占比[3]，改善數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展路線，挖掘數(shù)據(jù)中心的低碳運(yùn)行潛力。本文為解決天然氣壓力能消納困難以及提高數(shù)據(jù)中心綠色能源占比問題，提出了一種含天然氣壓力能綜合利用的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)。

目前，已有學(xué)者針對天然氣管網(wǎng)壓力能利用技術(shù)進(jìn)行了有利探索[4 5]。李新園[6] 采用?分析方法，計算了天然氣管網(wǎng)壓力能理論上能回收的最大壓力能，并通過實際案例分析了天然氣管網(wǎng)壓力能的實際利用率。張安安等[7] 利用電動汽車集中充電站消納天然氣壓力能所發(fā)不確定性電能，為天然氣調(diào)壓站壓力能消納提供了新思路。文獻(xiàn)[4 8]將膨脹機(jī)應(yīng)用于城市天然氣調(diào)壓站，并且驗證了使用膨脹機(jī)回收余壓資源的可行性。符仁義[9] 為了完善天然氣壓力能的應(yīng)用場景，設(shè)計開發(fā)了一套集天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電、加壓及壓縮制干冰為一體的工藝流程技術(shù)[10]。上述天然氣管網(wǎng)壓力能回收利用研究中，主要聚焦于天然氣壓力能發(fā)電這一單一利用模式的研究，對天然氣壓力能產(chǎn)生的電能冷能綜合利用的研究相對較少。并且由于天然氣管網(wǎng)布局分散，周邊環(huán)境復(fù)雜，因此，如何有效地消納壓力能所產(chǎn)生的電能和冷能，提高能源利用率，改善管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，具有重要的研究意義。

與此同時，利用數(shù)據(jù)中心的時空分布特性消納清潔新能源已有部分研究[11 15]。劉新萌等[16] 綜合分析了儲能電站、充換電站和數(shù)據(jù)中心站在大型城市電網(wǎng)中的需求，并給出了基于變電站資源建設(shè)儲能站、充換電站和數(shù)據(jù)中心站多功能優(yōu)化配置方法。劉成運(yùn)等[17] 考慮數(shù)據(jù)中心的供能可用度，設(shè)計了一種分布式能源系統(tǒng)，經(jīng)算例證明，優(yōu)化后的分布式能源系統(tǒng)能夠保證數(shù)據(jù)中心的供能可用度。文獻(xiàn)[18]提出了一種考慮數(shù)據(jù)中心用能時空可調(diào)的電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)分布式光伏最大準(zhǔn)入容量計算方法，促進(jìn)了分布式清潔能源的消納。文獻(xiàn)[19 20]分析了數(shù)據(jù)中心分別在并網(wǎng)模式和孤島模式下對微網(wǎng)分布式光伏的消納能力。文獻(xiàn)[21 22]通過在數(shù)據(jù)中心微網(wǎng)系統(tǒng)中增加儲熱環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)中心對清潔能源的消納水平。以上研究都未考慮以天然氣壓力能這一清潔能源為數(shù)據(jù)中心提供能源供給。若將數(shù)據(jù)中心作為天然氣壓力能發(fā)電制冷的消納場所，可有效解決天然氣壓力能消納難題，且可提高數(shù)據(jù)中心的能效，降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本，使數(shù)據(jù)中心以更加低碳環(huán)保的方式運(yùn)行。

針對上述問題，本文提出采用數(shù)據(jù)中心消納布局分散的管網(wǎng)天然氣壓力能方法，設(shè)計了一種含天然氣壓力能發(fā)電制冷綜合利用的數(shù)據(jù)中心供能架構(gòu)，首先，基于?分析方法建立天然氣壓力能發(fā)電和制冷模型，進(jìn)行壓力能發(fā)電和制冷潛力評估。其次，建立數(shù)據(jù)中心能耗模型，提出帶儲能設(shè)備的含天然氣壓力能綜合利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供能優(yōu)化調(diào)度模型，最后，以西南地區(qū)某天然氣調(diào)壓站、某A 級數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)為算例，分析天然氣壓力能綜合利用系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心供能方案的影響，驗證采用數(shù)據(jù)中心消納管網(wǎng)天然氣壓力能的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

1 含天然氣壓力能綜合利用的數(shù)據(jù)中心供能架構(gòu)

針對數(shù)據(jù)中心耗能特點，提出含天然氣壓力能綜合利用的數(shù)據(jù)中心供能架構(gòu)，如圖1 所示。供能系統(tǒng)包括：天然氣壓力能綜合利用系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)、蓄電池和配電網(wǎng)。