天然氣分布式能源系統在數據中心的應用

李　曉（長沙有色金屬設計研究院，湖南 長沙 410000）

?

天然氣分布式能源系統在數據中心的應用

李曉（長沙有色金屬設計研究院，湖南 長沙 410000）

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供（CCHP）等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式。

1　數據中心的發展現狀及存在問題

隨著互聯網、云計算和大數據產業的加速發展，我國數據中心產業進入了大規模規劃建設階段，并呈現出向規模化、集中化、綠色節能化、布局合理化發展的趨勢。

為滿足社會信息化水平不斷提高的要求，促進我國數據中心，特別是大型數據中心的合理布局和健康發展，國家工業和信息化部2013年發布了《關于數據中心建設布局的指導意見》，《指導意見》明確提出“采用綠色節能等先進技術合理規劃建設數據中心”。

隨著對數據中心的需求進一步提升，人們更多地關心數據存儲與應用的安全、數據挖掘以及與內部信息系統的融合，所以新一代數據中心不僅要有一個足夠強壯的供電系統、制冷系統以及動態分配系統，還要能滿足高可用性、高連續性、高靈活性、高節能性要求。虛擬化、云計算、節能環保、穩定和安全成為新一代數據中心的基本屬性。

2011年全國大小數據中心達53萬個，2011～2013年上半年，全國共規劃建設數據中心255個，其中超大型數據中心（規模在1萬個標準機架以上）有23個，大型數據中心（規模在3000到1萬個標準機架之間）有42個，中小型數據中心（規模在3000個標準機架以下）有190個。255個數據中心中近90%的設計PUE（能源效率指標）低于2.0，平均PUE為 1.73。超大型、大型數據中心設計PUE平均為1.48，中小型數據中心設計PUE平均為1.80。另外，一些老舊數據中心通過采用先進的制冷節能技術改造，PUE也降到2.0以下。由上數據統計可知，仍有一半以上的數據中心設計PUE沒有達到1.5的規劃要求，特別是中小型數據中心在綠色節能方面差距較大，同時數量龐大的老舊數據中心改造任務也頗為艱巨。

十年來，數據中心服務器功耗增加了約15倍，機架的供電密度也提高了近10倍。過去一個機架功耗為2～3kW，現在卻可高達10kW以上。導致機房內的設備耗電和內部發熱量急劇增加，給解決高密度數據中心供電和散熱問題也帶來了嚴峻的挑戰。

2　天然氣分布式能源的大力發展

國內外逐步推行電力市場化，環境保護問題日益突出，具有較高能源利用效率的分布式系統在歐美、韓、日等發達國家得到了快速發展。據統計到2010年，歐盟洲分布式能源占總裝機容量的18%；美國分布式能源占總裝機容量的14%；日本分布式能源占總裝機容量13.4%；我國分布式能源占總裝機容量不到1%。在全球資源競爭比較激烈的情況下，分布式用能方式優越性明顯，利用天然氣清潔能源，采用能源梯級利用的工藝布置方式，實現余熱利用最大化，提高綜合能源利用效率，節能減排。

我國分布式能源發展目前剛剛起步，提升空間巨大。2011 年10月，國家發改委、財政部、住建部和國家能源局聯合下發了《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》，“十二五”期間建設1000個左右天然氣分布式能源項目，并擬建設10個左右各類典型特征的分布式能源示范區域，意見專門提出電網方面要加強對天然氣分布式能源并網的配合，并提出今后將在財政、標準等多方面，進一步加強對天然氣分布式能源的支持。2014年10月，國家發改委、能源局、住建部聯合發布《關于印發天然氣分布式能源示范項目實施細則的通知》（發改能源［2014］2382號），就天然氣分布式能源示范項目的申報、評選、實施、驗收、后評估，以及激勵政策等做了一系列比較全面的規定，旨在完善天然氣分布式能源示范項目審核、申報等管理程序，推動天然氣分布式能源快速、健康、有序發展。

上海、長沙、北京相繼出臺了補貼激勵政策；國家各級政府制定的天然氣分布式能源鼓勵政策，促進了各耗能單位和能源公司投資建設天然氣分布式能源項目，推進合理用能。天然氣分布式能源社會效益、經濟效益明顯，可以優化城市能源結構，發揮對電網和天然氣管網的雙重削峰填谷作用，增加能源供應安全性。目前，我國天然氣供應日趨增加，智能電網建設步伐加快，能源服務公司擁有專業管理團隊和技術力量，有利于推動天然氣分布式能源在我國合理利用。

3　天然氣分布式能源系統在數據中心應用的重要意義

數據中心作為能耗大戶，能源消耗日益受到人們的關注。2011年，全美國的數據中心使用掉的電量占據了整個國家全年用電量的2.5%，在美國這么龐大規模的電網中，這是一個巨大的能源耗量。在全球范圍內，數據中心幾乎占到了全球發電量1.1～1.5%。據調查，截止2009年，我國數據中心總耗電量月364億kWh，約占當年全國電力消費總量的1%。按目前發展趨勢和能耗水平，到2016年，全國數據中心足以耗費三峽電站的全部發電量。從能源成本來說，一個數據中心的運營成本，接近75%來自于能源消耗。在典型的數據中心中，采用電供應能源，主計算機和UPS在運行時有大量散熱（電荷多少散熱多少），所以需要大量制冷負荷。常規采用電制冷的數據中心，其中制冷電耗占數據中心電耗的30～40%。因此如何降低數據中心的用能成本，采用清潔能源以減少數據中心能耗對環境的影響；如何采用合理的制冷供冷方案，提高供冷效率，顯得越來越重要。

國家工業和信息化部2013年發布了《關于數據中心建設布局的指導意見》中明確提出：“采用綠色節能等先進技術合理規劃建設數據中心”“在電力設施建設、電力供應及服務等方面給予重點支持；支持其參加大用戶直供電試點”。

天然氣分布式能源技術是近年來在國內興起的一種先進清潔能源綠色高效率用技術。該技術集小型燃機輪機、內燃機、吸收式冷熱水機、能源綜合控制等高新技術和設備為一體的先進環保節能系統，在發達國家得到了廣泛應用，近年來得到我國政府的積極倡導。

天然氣分布式能源具有以下特點：

（1）梯級利用：根據能源參數品質、高能高用低能低用、溫度對口的原則，高品位能源發電、低品位余熱轉換后供冷供熱，實現梯級利用，提高能源利用效率。

（2）清潔環保：無SO2、粉塵、固體廢棄物排放，CO2只有煤電的60%，提高清潔能源消費比重、改善能源消費結構、保護環境。

（3）節能減排：能源梯級利用、就近負荷中心建設，綜合利用效率70%以上，比“熱電冷分供”節能35%，比“熱電聯供”（約60～70%）高出20個百分點，節能即減排，碳排放減少50%，二氧化硫接近0排放。

（4）雙重削峰填谷：有利于彌補大規模集中供電系統的缺陷，并能發揮對電網和天然氣管網的雙重削峰填谷作用，促進城市能源多元化建設和增加“安全供能”保障。

（5）備用電源：冷熱電聯供系統具有備用電源的功能，在意外災害、市電故障、電力檢修等情況下，可為用戶提供安全可靠地電力供應。

采用天然氣分布式能源系統，為數據中心提供可靠穩定的能源供應，保障數據中心用能安全和降低能源費用、減少污染排放，對建設綠色數據中心都具有重要的意義。

4　天然氣分布式能源系統在數據中心應用實例

（1）某南方數據中心為高性能計算、海量數據處理、信息管理服務于一體的世界一流的超算中心，計算能力達到每秒10億億次以上，電需求50MW，冷需求36MW。建設一座天然氣分布式能源站，設置4臺4300kW的燃氣內燃機，配備四套制冷量為3516kW的煙氣熱水型溴化鋰制冷機，投資約2億元。項目建成后，超算中心供電由雙路市電加分布式能源站供電，供電可靠性高達99.999998%，超算中心每年節約運行成本1000～1500萬；分布式能源站年發電1.4億kWh，年供冷1.15億kWh；能源站投資回收期8.4年，財務內部收益率12.4%，年利潤2600萬；能源站年節標煤1.3萬t，減排二氧化碳3.5萬t，減排二氧化硫1200t，減排粉塵9800t，氮氧化物560t。

（2）某南方數據中心計算能力每秒1000萬億次，建筑面積3萬m2，建成后實際電負荷6100kW，冷負荷5500kW。原市電供電可靠性不高，急需增加一路供電電源；原采用的空調供應方案為全部由電制冷空調、空氣源熱泵滿足冷、熱負荷需求。項目擬改建規模為2×1.0MW燃氣內燃發電機組，配2× 1163kW煙氣熱水型溴化鋰制冷機組，改建投資約2500萬元。項目建成后，將增加供電可靠性到99.999%；分布式能源站年發電1000萬kWh，年供冷1163萬kWh，供熱87萬kWh；能源站投資回收期8.6年，年利潤300萬；能源站年節標煤1100t，減排二氧化碳2800t，減排二氧化硫80t，減排粉塵700t，氮氧化物40t。

5　天然氣分布式能源系統在數據中心應用需要注意的幾個問題

（1）數據中心冷電負荷大且連續，是非常好的分布式能源系統供能用戶。但配套分布式能源站一定要認真詳細分析、復核冷電負荷，防止發電機組規模過大、增加初期投入、影響能源站運行效益；

（2）數據中心IDC（Internet Data Center互聯網數據中心）一般會根據用戶需要分期逐步投入；計算機實際耗電也和用戶需要的計算量有關，初期可能只有30～50%額定耗電；由此數據中心的冷電負荷也有一個發展過程，分布式能源站主機要根據數據中心負荷發展分期靈活配置，防止一期投入單機裝機容量過大，增加初投入，影響機組運行效率；

（3）采用天然氣分布式能源系統必須充分考慮安全泄爆、煙氣排放和噪聲防制；

（4）天然氣分布式能源系統在國家扶持項目范疇，項目前期獲得政府部門的大力支持，爭取優惠的天然氣價格和相關能源環保補貼，以確保項目順利實施。

李 曉（1970-），女，高級工程師，主要從事有色金屬能源方面的工作。

TP308

A

2095-2066（2016）17-0072-02

2016-3-16