燃氣冷熱電三聯供系統在數據中心的應用

郭 豐

(中國電子學會，北京 100036)

0 引 言

燃氣冷熱電三聯供系統，是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機或內燃機等燃氣發電設備而產生電力以滿足用戶的電力需求，系統排出的廢熱通過驅動吸收式制冷機供冷，同時還可提供生活熱水，充分利用了排氣的熱量。經過能源的梯級利用使一次能源利用效率從常規發電系統的40%左右提高到80%左右。在過去的數年中，我國數據中心產業實現了蓬勃發展，新基建提速，更是為數據中心產業實現新一輪騰飛注入強勁動力。而數據中心用電和用冷負荷波動小，常年需要供冷，符合三聯供系統的功能特點。文中針對三聯供系統在數據中心的應用進行了探討。

1 數據中心的用能特點

數據中心是由計算機場地(機房)、其他基礎設施、信息系統軟硬件、信息資源(數據)和人員以及相應的管理制度組成的實體。是為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機區、輔助區、支持區和行政管理區等。其核心功能是保證服務器、存儲設備、網絡設備等各類信息設備穩定可靠工作，實現數據的存儲與管理，完成對信息資源的處理，為數字經濟的業務運營提供支撐。中國數字經濟總量2017年為27.2萬億元人民幣[1],2018年即達到31.3萬億元人民幣[2]。預計到2025年，中國被創建、采集或是復制的數據總量將增長到48.6ZB，在全球數據總量中占比達到 27.8%[3]。作為海量數據的主要儲存與運算處理實體，中國數據中心行業近年來一直處于高速發展的階段。據相關統計，截至2017年底，在用數據中心的機架總規模已達166萬架[4]，至2018年底，服務器在線裝機量已居世界第二位[5],中國IDC業務市場總規模達1 228億元，同比增長29.8%[6]。預計到 2020 年，具備一定規模的數據中心保有量將超過 8 萬個[7]。中國數據中心行業規模的快速擴大，也引起了電力消耗量的快速增長。據相關報告估算，中國數據中心的耗電量約為1 200億千瓦時[7],這一數據約占中國全國全社會用電量的2%[8]。尋找一個能連續可靠運行、能源利用率高、污染小、經濟性比較好的能源系統，滿足數據中心對電能的需要，成為數據中心發展進程中面臨的問題。

數字經濟的特點是全天24小時無時無刻不在運轉，所以數據中心內的各類信息設備需要常年每天24小時持續穩定運行，需要為此提供穩定的供電。由于信息設備運行的特點，用電需求波動也較小。信息設備運行時散發出大量的熱量，為了保證信息設備穩定工作，也需要保證數據中心內的溫度濕度保持相對恒定，為此數據中心的機房需要每天24小時持續不斷地冷源。此外，數據中心為確保用電的可靠性，數據中心要求高質量和高穩定的不間斷電源，一般需要設置UPS系統和大功率柴油發電機作為應急后備電源。

燃氣冷熱電三聯供系統建立在能量梯級利用概念基礎上，將供熱(采暖和供熱水)、制冷及發電過程有機結合在一起，三聯供系統的一些特性與數據中心負荷波動較小、用電和用冷量大、常年需要供冷的用能特點較匹配，所發的電能，可以全部就地為數據中心機房使用，不像醫院、商場、賓館等，白天啟用，晚間不用問題。燃氣冷熱電三聯供系統所產生的冷、熱、電三者中的冷，同樣可以全部用于機房的冷量需要，它也不像醫院、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，三聯供設備在數據中心的運用可以得到高效使用，減少數據中心對于空調系統的需求，降低數據中心運行的成本。燃氣冷熱電三聯供系統作為分布式能源的一種，可以就進設置，并且相對靈活，有了燃氣冷熱電三聯供系統后，也可作為數據中心的應急后備電源的使用。尤其是在各項電源輸出特性參數比較上，燃氣冷熱電三聯供系統采用的燃氣輪機相比柴油發電機組更加穩定可靠。數據中心可以相應減少UPS系統所需電池數量，減少投資成本。所以燃氣冷熱電三聯供系統成為解決數據中心能源需求的一個重要選擇，在數據中心中具有較高的應用可行性。

能源的梯級利用高溫段1000℃以上電能中溫段300～500℃驅動熱泵;驅動吸收式制冷機低溫段200℃以下除濕;供熱;生活熱

2 燃氣冷熱電三聯供系統在數據中心的應用方式

數據中心用電量遠大于制冷量。如某數據中心，經核算，最大用電負荷出現在7月份，最大負荷248 089 kW;全年耗電量為207.28 MkWh。最大用冷出現在6月份，最大負荷1767 kW;最大用熱出現在2月份，最大負荷244.82 kW。數據中心全年總需凈量147 862 385.3 kWh，數據中心全年總需熱量219 480.05 kWh。

表1 數據中心年耗電量組成

為此，數據中心應用燃氣冷熱電三聯供系統，通常是選用發電效率較高的燃氣內燃機作為發電機組，燃氣內燃機所發電量供應數據中心，不足部分由電網提供。同時適當配置部分柴油發電機組。為保證數據中心的用電可靠性，發電機組一般分為兩組，設置在不同的地理位置作為物理分割，互為冗余。即一組內的發電機組在檢修或保養時，一組發電機可以帶起100%用電負荷。如果有兩路市電作為備用，也可以不設置冗余，從而有效節約初期設備投資和建設成本。但仍需要設置柴油發電機組和UPS,與燃氣內燃機和市電共同組成供電系統，保證數據中心供電的高可靠性要求。在設計上應充分考慮數據中心用電負荷情況，從而搭建合理的供電架構。

在燃氣內燃機后，通常連接吸收式制冷機。一般選擇溴化鋰吸收式制冷機，溴化鋰吸收式制冷機有多種類型，如兩級發生的溴化鋰吸收式制冷機，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，它可有效地利用低溫位熱能。當內燃機發電運行時，利用內燃機排出的煙氣熱水所攜帶的余熱作為吸收式制冷機的熱源。為保證在發電機組不工作或不能達到滿負荷工作，即沒有煙氣余熱可利用或煙氣供應不足時.余熱吸收式機組仍可以提供凈負荷的供應，也可以考慮選用帶有燃燒機的直燃型機組。在取暖季當煙氣冷凝換熱器檢修時，直燃機組還可以作為熱源用于采暖供熱。

為避免受到燃氣供應波動的影響，通常數據中心在配備吸收式制冷機同時也配備電制冷機組和冷卻塔。當市政管網燃氣披切斷時，電制冷機組作為備用投入運行，滿足數據中心空調要求。吸收式制冷機和電制冷機共用一臺冷卻塔.若吸收式制冷機組工作，則冷卻塔與吸收式制冷機組機連接;若電制冷機組工作，則冷卻塔與電制冷機組連接。冬季則可以利用冷卻塔實現自由冷卻，從而降低數據中心運行成本。而煙氣余熱用于周圍相鄰地塊供熱，以提高燃氣冷熱電三聯供系統的經濟效益。

3 應用實例

鳳凰數據中心天然氣分布式供能項目,于2014年6月經江蘇省發改委、能源局審批立項，2014年底建成試生產。項目包括3臺輸出電功率為2 000 kW的燃氣發電機組，3臺制冷量為2 300 kW的煙氣熱水型溴化鋰冷機，并配套相應的冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔、水處理等循環系統。按照機房空調要求，空調系統采用2N配置。主用為煙氣熱水型溴化鋰冷機，電制冷作為備用，末端采用全空氣系統。機房內保持10 Pa正壓，機房內新風量保證每小時換氣一次。其他監控宰、輔助眨和公攤區的業務管理及后勤用房變配電事，電梯機房等房間可采甩集中供冷供熱方式，冷熱源全部由三聯供能源站集中提供.供冷系統包括電制冷機和吸收式冷溫水機組.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三通調節閥.可根據末端冷負荷變化情況，調節進入直燃機的煙氣量，當冷負荷較小時，部分煙氣通過煙道直接排放到大氣。另外從發電機出來的熱水進入煙氣熱水型溴化鋰冷機，經換熱后如溫度仍不能降低至發電機所要求的溫度.可以進一步通過散熱器對其進行冷卻。為保證在發電機組不工作或不能達到滿負荷工作，即沒有煙氣余熱可利用或煙氣供應不足時.余熱吸收式機組仍可以提供凈負荷的供應，本項目余熱機組選用帶有燃燒機的全補燃型機組。

項目總投資額6 500萬元，包含配套設施、輔助設施及環保項目的降噪設施和脫硝設施等。三聯供項目所供的全部電能和冷量全部為鳳凰數據中心使用，不足部分由電網提供。

項目2014年底建成試生產，2015年4月已投入正式運行。正式投產后三聯供年耗天然氣1 022.6萬Nm3，年發電量3 888萬kWh，年供電量3 729萬kWh，年制冷量160 963 GJ。年節約標煤量：6 582.38 t。年節水量為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標準煤

三聯供年供電量3 729.12萬kWh，年供冷160 963.2 GJ

按燃煤電廠供電、供熱煤耗計算：

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

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

則：總能耗為：12 045.05+6 348.53=18 393.58 t標準煤

三聯供年節約標煤量：18 393.58-11 811.2 t=6 582.38 t

根據1噸標煤排放2.68 t CO2計算：減少二氧化碳排放1.76萬t。

節水量及計算過程；

與常規火力電廠相比，三聯供項目節水量主要為沒有常規火電的鍋爐、汽輪機及水處理等設備，節省了鍋爐、汽輪機及水處理等設備的排污汽水損失量。按照火電企業清潔生產標準，空冷機組耗水量為0.8 kg/kWh，按本項目年發電量3 888萬kWh計算，年節水量為3.1萬t。

4 燃氣冷熱電三聯供系統在數據中心的應用需要關注的事項

目前全國已建設部分天然氣三聯供數據中心，未來隨著分布式能源的不斷推廣，規模將進一步擴大。但是數據中心應用燃氣冷熱電三聯供系統仍有需要關注的幾個事項。

(1)因為對于數據中心來講，供電可靠性、安全性位于首位，所以天然氣的供應一定要穩定、充足。否則需要配置足夠的電制冷能力，大大增加數據中心初期建設成本。

(2)天然氣價格和電價是影響燃氣冷熱電三聯供系統運行經濟性的關鍵。據測算，燃氣價格與發電單價對照如下表。不同地區的氣價、峰谷電價差別很大，必須根據當地條件進行精確的測算。另外，部分污染嚴重或嚴重缺電地區會為安裝燃氣冷熱電三聯供系統提供政策性補貼，也是燃氣冷熱電三聯供系統運行保持經濟性的重要影響因素。部分項目為保證經濟性，采取峰電價時開啟系統，谷電價時停止運行的方式，也是可以參考的方式，見表2。

表2 燃氣價格與電力單價的對照表

《大型、超大型數據中心選用燃氣二聯供的若干問題》

(3)目前在我國還沒有采用燃氣發電機作為主用電源的相關案例，為滿足數據中心的供電可靠性需要做周密細致的配電設計。在與市電配合方面，需要與電網企業進行充分地協調。

(4)我國頒布執行的國家標準《數據中心設計規范》(GB50174-2017)對數據中心環境做了嚴格的技術要求，在進行相關冷量計算時需要嚴格遵循該標準的要求。

(5)要有高水平的運行、維護人員。由于燃氣冷熱電三聯供系統相比常規市電系統龐大復雜得多，運行的安全可靠性成為重點。尤其是冷源系統，由于冷卻工質狀態的切換需要時間，達到所設置參數有一定的時延，吸收式制冷機組和電制冷機組之間的調整需要較高的技巧。此外，燃氣冷熱電三聯供系統對于負載與自身出力能力的匹配調節也有較高要求，對于機組的保養也需要較高的技術要求。

5 結束語

雖然國內近年已有若干數據中心采用了燃氣冷熱電三聯供系統，但是目前仍然是處于規模應用的前期。對燃氣冷熱電三聯供系統缺乏經濟性、可用性不佳的顧慮仍然廣泛存在。但基于燃氣冷熱電三聯供系統自身的優點以及與數據中心用能特性的高度匹配，相信隨著燃氣冷熱電三聯供系統建設和運行經驗的不斷積累，燃氣冷熱電三聯供系統應用方案不斷完善，燃氣冷熱電三聯供系統一定會成為數據中心用能的重要解決方案。