數據中心應用天然氣分布式能源的發展

郭豐

摘 要：天然氣分布式能源與數據中心用能、用冷特性高度匹配。數據中心應用天然氣分布式能源的方式也不斷發展。本文對最新發展的燃氣分布式能源集成化成套裝置的原理、應用方式及應用效果進行了簡要的介紹。

關鍵詞：數據中心;天然氣分布式能源;節能

0 引言

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[1]。2020年4月，中央明確“新基建”范圍，包括5G建設、大數據中心、人工智能等七大領域，據相關統計，在用數據中心的機架總規模已達166萬架[2]。《“十三五”國家信息化規劃》中提到：到2018年，新建大型云計算數據中心電能使用效率（PUE）值≤1.5;2020年，新建大型云計算數據中心PUE值≤1.4。目前，新建數據中心PUE目標值≤1.36。數據中心的電力負荷具有負荷密度大，電力保障要求高的特點，并且要求全年不間斷供冷，能耗高，占數據中心總能耗40～50%，要求空氣品質保持溫度23±1℃，相對濕度40～55%，直徑≥0.5μm粉塵小于18，000個/dm3。燃氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在85%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。傳統離散型燃氣分布式能源系統，存在占地面積大、工程投資大、安裝質量無法保障、現場管理混亂、運行故障多、效率低、能效無法實時直觀顯示等弊端。燃氣分布式能源集成化成套裝置（簡稱BCHP成套裝置）開發的目的是為克服傳統燃氣分布式能源系統的上述不足，而提供一種結構緊湊，模塊化集成度高，占地面積小，安裝施工便捷，能源利用率高的燃氣冷分布式能源成套產品。具有系統余熱充分利用效率高、安裝和運行成本低、穩定運行無質量風險、實時監控系統運行能耗、集中管控設備廠家等優點。

1 數據中心用燃氣分布式能源集成化成套裝置的技術原理

數據中心用燃氣分布式能源集成化成套裝置是由燃氣發電機組將燃氣和空氣混合，在氣缸內燃燒產生高溫高壓的燃氣，膨脹推動活塞做功，帶動曲軸轉動，通過發電機輸出電能。內燃機排放的高溫煙氣加熱溴化鋰機組高溫發生器內的溴化鋰溶液，產生水蒸汽，夏季被冷卻水冷凝成冷劑水用于制冷，冬季直接加熱換熱管用于制熱。發電機組做功后產生的高溫缸套水，夏季通過溴化鋰機組低溫發生器參與制冷，冬季通過缸套水板式換熱器參與制熱。非電空調機組煙氣出口集成煙氣板交，通過換熱制取熱水，夏季進入溴化鋰機組低溫發生器參與制冷，冬季直接參與制熱。燃氣分布式能源集成化成套裝置通過上述原理，同時為用戶解決建筑冷、熱、電三種能源需要。系統流程圖如圖1所示。

應用在數據中心能源站時，燃氣分布式能源集成化成套裝置可與電空調、非電空調、熱泵、太陽能、電網等各種能源形成綜合能源利用模式，具有能效高、清潔環保、安全經濟、削峰填谷等優點。

2 數據中心對燃氣分布式能源集成化成套裝置的應用方式

數據中心應用燃氣分布式能源集成化成套裝置一般分為項目規范、方案設計、機房建設三個階段。但三個階段相互銜接，為不可分割的整體。具體如圖2所示。

此種應用方式具有如下優點。

2.1 標準化設計

設計階段，收集成套裝置主要設備尺寸圖紙，通過CAD、UG、BIM 等設計軟件，精確繪制成套裝置標準二維布置圖和三維裝配圖。采用模塊化結構，將成套裝置設計為發電機組、溴化鋰機組、溴化鋰機組一體化輸配、發電機組一體化輸配、管道元器件和能控系統六大模塊。其中溴化鋰機組排氣口集成有煙氣板交，與溴化鋰主機集成一體。溴化鋰機組輸配裝置為模塊化撬裝體結構，撬裝體上集成有空調冷卻水泵、空調冷（溫）水泵、過濾集箱、止回集箱、加藥罐和軟水箱等輸配設備。發電機組一體化輸配裝置為模塊化撬裝體結構，撬裝體上集成有發電機組冷卻系統所含缸套水泵、中冷水泵、過濾集箱、止回集箱、電動三通閥、缸套水板式換熱器等輸配設備。

2.2 集中式采購

傳統的燃氣分布式能源各設備相對分散，供貨廠家較多，用戶需要多次采購，多次發標，存在較大采購風險、質量控制風險和供貨商管理風險，增加用戶采購、安裝協調工作量和維護管理成本。成套裝置由成套廠家統一供貨，通過集中式采購，可為客戶節省采購成本、降低設備采購風險、提高采購效率、控制供貨周期。

2.3 工廠化制造

成套裝置采用工廠化制造，利用廠內設備優勢，預制成套裝置各模塊及各模塊之間的連接管道。通過工廠化制造，實現用戶現場模塊化拼裝，消除系統分散安裝的各大弊端。

2.4 流程化安裝

成套裝置采用模塊化設計，簡化了用戶現場分散安裝的繁雜流程。通過工廠內成套產品定型過程，制定用戶現場標準安裝流程。最終通過流程化安裝模式，實現用戶現場各大模塊快速拼裝。

3 數據中心用燃氣分布式能源集成化成套裝置的效果

數據中心應用燃氣分布式能源集成化成套裝置，能源綜合利用率大于80%，節能率大于20%，優于GB/T 36160.1-2018《分布式冷熱電能源系統技術條件第1部分：制冷和供熱單元》節能要求。降低能耗水平，有效降低PUE，節省運行成本。多一種供電方式，提升供電可靠性。天然氣清潔能源、環保節能、減少污染物排放。

上海某數據中心項目，占地100畝，項目擬建設4棟獨立數據中心及1棟辦公樓，總計超過4000個機架，容納約10萬臺服務器。采用燃氣分布式能源系統2.5MW發電機X4臺+BZHE300-LNX4臺（已投運2臺套），節省運行能耗955t油當量，年減排CO2 3008t，相當于種樹：16.4萬棵/年。

重慶某項目占地11.4km2，整體建成后將形成81.5萬臺服務器規模。制冷功率25586kW，發電功率934680kW，年節能7100t油當量，年減排CO2 21500t，相當于種樹1175000棵。

廣東某項目，安裝機型4.4MW發電機X4臺+BHE400-dX4臺（已投運2臺套），節省運行能耗5300t油當量，年減排CO2 16000t，相當于種樹86.4萬棵/年。

4 結束語

雖然數據中心應用天然氣分布式能源存在部分地區市場天然氣價格過高、并網手續比較難辦理、國內燃氣分布式能源系統詳細標準和技術鑒定要求還有待完善等問題。基于天然氣分布式能源的優點以及其與數據中心用能特性的高度匹配，相信隨著技術的發展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，數據中心應用天然氣分布式能源的規模會不斷擴大。

參考文獻：

[1] GB/T 32910.1-2017.數據中心資源利用 第1部分：術語[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，2017.

[2]工業和信息化部信息通信發展司.全國數據中心應用發展指引（2018）[R].工業和信息化部信息通信發展司，2019.