張曉紅，熊建文，胡 斐

（中機(jī)國能電力工程有限公司，上海 200061）

0 引言

數(shù)據(jù)中心提供以數(shù)據(jù)中心為核心的IT外包業(yè)務(wù)，可以作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心、測試數(shù)據(jù)中心、災(zāi)難備份中心，為大型商業(yè)服務(wù)，或者國家級數(shù)據(jù)保護(hù)存儲中心和國家級信息災(zāi)備基地。在當(dāng)前的信息化時代，數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的安全和可靠性非常重要，一旦出現(xiàn)故障，可能對于社會生活和經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來巨大損失，因此能源供應(yīng)的可靠性非常重要。特別是數(shù)據(jù)中心有大量的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備不間斷運(yùn)行產(chǎn)生大量熱量，必須及時排熱才能保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對空調(diào)制冷的可靠性、穩(wěn)定性也有極高的要求。

現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心大多采用標(biāo)準(zhǔn)化配置，電力供應(yīng)以市電為主，嚴(yán)重依賴電網(wǎng)，但是大電網(wǎng)有脆弱的一面，國內(nèi)外大面積的故障斷電時有發(fā)生，數(shù)據(jù)中心的用能安全性可靠性受到電網(wǎng)的制約。因此為了確保數(shù)據(jù)中心冷、電負(fù)荷的安全、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)中心必須配備不間斷電源UPS及備用柴油發(fā)電機(jī)組。分布式能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以天然氣為主要燃料，在用戶側(cè)安裝發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并通過余熱回收設(shè)備回收發(fā)電所產(chǎn)生的煙氣，獲得熱水或者作為制冷設(shè)備的熱源向用戶供熱、供冷，不僅清潔高效，而且作為一種獨(dú)立式電源可以擺脫對電網(wǎng)的依賴，提高用能的可靠性。目前，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把分布式能源作為提高用電安全性的重要手段之一大力推行。分布式能源燃?xì)馊?lián)供非常適合作為數(shù)據(jù)中心的能源。本文將以上海某數(shù)據(jù)中心為例，探討數(shù)據(jù)中心采用分布式能源的可行性。

1 分布式能源配置方案

數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷、冷負(fù)荷需求大，并具有分布均勻、穩(wěn)定，波動范圍值小的特點(diǎn)。上海某數(shù)據(jù)中心額定負(fù)荷為16 MVA，最大負(fù)荷為20 MVA；數(shù)據(jù)中心已有設(shè)備的總制冷功率為13 363 k W；考慮到功率因數(shù)（0.85）電負(fù)荷與冷負(fù)荷的比例近似為1。目前，數(shù)據(jù)中心由電網(wǎng)供電，兩路市電接入數(shù)據(jù)中心后，各設(shè)置變壓器，互為備用。數(shù)據(jù)中心底層布置有10臺離心式制冷機(jī)，其中8臺運(yùn)行，2臺備用，并設(shè)置有10臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。

為了采用分布式能源電站替代數(shù)據(jù)中心原來的供能體系，方案采用10臺3 400 k W燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和10臺溴化鋰機(jī)組（煙氣、熱水兩用）來為數(shù)據(jù)中心提供電能和冷負(fù)荷。為了保證用能的可靠性，原來的電網(wǎng)供電設(shè)施和原有的10臺離心式冷水機(jī)組作為備用，一旦系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障，則采用市政用電為原來的離心式冷水機(jī)組供電，用離心機(jī)為數(shù)據(jù)中心提供冷源。分布式能源站的主要設(shè)施分成10臺機(jī)組，每套機(jī)組包括1臺發(fā)電機(jī)1臺溴化鋰機(jī)組和1臺備用的離心式冷水機(jī)組，平時8套機(jī)組運(yùn)行，兩套備用。

數(shù)據(jù)中心的分布式能源系統(tǒng)能流示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心的分布式能源系統(tǒng)能流圖

由圖1可以看出數(shù)據(jù)中心的總用電量主要發(fā)生在IT設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)上，空調(diào)設(shè)備用電可以通過分布式能源系統(tǒng)的燃機(jī)排氣的余熱發(fā)電來實(shí)現(xiàn)，因此降低了總的用電量。

2 分布式能源系統(tǒng)的組成

應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心燃?xì)饫錈犭娙?lián)供包括燃料系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、高溫水系統(tǒng)、低溫水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，見圖2。

圖2 三聯(lián)供系統(tǒng)的組成

1）燃料系統(tǒng) 三聯(lián)供項(xiàng)目的燃料天然氣由城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)供應(yīng)，來自管網(wǎng)的天然氣通過燃?xì)鉁p壓裝置，將燃?xì)鈮毫φ{(diào)至機(jī)組需要的壓力范圍，再經(jīng)過天然氣計(jì)量裝置進(jìn)入天然氣緩沖罐。天然氣在緩沖罐中穩(wěn)壓后，經(jīng)快關(guān)閥、過濾器、阻火器使燃?xì)膺_(dá)到能滿足內(nèi)燃機(jī)要求的天然氣品質(zhì)和壓力溫度，然后再經(jīng)過關(guān)斷閥、快關(guān)閥后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)。天然氣緩沖罐、調(diào)壓裝置均設(shè)置有安全裝置，安全裝置應(yīng)保證在任何情況下都不允許天然氣的壓力超過限定值。

2）煙氣系統(tǒng) 天然氣在內(nèi)燃機(jī)中燃燒后產(chǎn)生煙氣，煙氣溫度約為406℃，正常運(yùn)行時，高溫?zé)煔馀懦龊笾苯舆M(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰制冷機(jī)組，加熱溴化鋰溶液，與溴化鋰溶液充分換熱后直接至煙囪排出。系統(tǒng)還設(shè)有高溫?zé)煔鈴膬?nèi)燃機(jī)出來直接排到煙囪的旁路煙道，在必要時可以將高溫?zé)煔庵苯优懦觥?/p>

3）高溫水系統(tǒng) 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)包括高溫冷卻水系統(tǒng)和低溫冷卻水系統(tǒng)。其中高溫冷卻水用于冷卻燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套等設(shè)備，冷卻水溫度較高，從燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)出來后進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰制冷機(jī)組，作為制冷機(jī)熱源。高溫冷卻水采用循環(huán)利用形式，冷卻水與溴化鋰溶液充分換熱降溫后返回燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。系統(tǒng)還設(shè)置了緊急空氣冷卻器，當(dāng)溴化鋰機(jī)組發(fā)生故障或者因故緊急停用時，可以采用緊急空氣冷卻器對高溫冷卻水進(jìn)行冷卻，保證燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)運(yùn)行的安全。

4）低溫水系統(tǒng) 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)中低溫冷卻水用來冷卻潤滑油等，低溫冷卻水溫度較低，只能用于生產(chǎn)及生活熱水等。低溫冷卻水也采用循環(huán)利用形式，經(jīng)過熱交換降溫后回到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，如果不需要生產(chǎn)生活熱水，也可直接進(jìn)入空氣冷卻器散熱后返回燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

5）制冷機(jī)組冷卻系統(tǒng) 煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)與原有的離心制冷機(jī)組冷卻水一致，溴化鋰機(jī)組的冷卻水接入離心制冷機(jī)組冷卻水系統(tǒng)，共用冷卻水泵。

6）冷凍水系統(tǒng) 分布式能源系統(tǒng)工程中，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組冷凍水與離心制冷機(jī)組冷凍水系統(tǒng)一致，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組冷凍水接入離心制冷機(jī)組冷凍水系統(tǒng)，共用冷凍水泵。

3 經(jīng)濟(jì)分析

經(jīng)計(jì)算，項(xiàng)目的靜態(tài)（按2010年價格水平）總投資23 269萬元，其中建筑工程費(fèi)1 010萬元（含價差），設(shè)備購置費(fèi)17 918萬元，安裝工程費(fèi)2 209萬元（含價差），其他費(fèi)用2 132萬元（含基本預(yù)備費(fèi)1 108萬元）。工程動態(tài)總投資23 852萬元，其中建設(shè)期貸款利息583萬元。工程資金來源由兩部分構(gòu)成：第一部分資金擬采用項(xiàng)目法人注冊30%項(xiàng)目資本金；第二部分資金擬采用銀行貸款。項(xiàng)目的財(cái)務(wù)分析見表1至表3。

表1 資本類原始數(shù)據(jù)

表2 收入及損益類數(shù)據(jù)

表3 成本類數(shù)據(jù)

項(xiàng)目為自備電源，在財(cái)務(wù)分析中將節(jié)約下來的購電費(fèi)作為項(xiàng)目收益，因此在計(jì)算過程中不考慮增值稅。經(jīng)濟(jì)效益分析的財(cái)務(wù)評價指標(biāo)見表4。

表4 財(cái)務(wù)評價指標(biāo)

我國很多城市實(shí)施分時電價，上海的谷時電價僅為0.299元／k Wh，遠(yuǎn)低于分布式能源發(fā)電成本，所以推薦在用電峰時和平時采用分布式能源系統(tǒng)供電供冷，每天運(yùn)行16 h；谷時切換為市電，制冷也由電驅(qū)動離心機(jī)提供。數(shù)據(jù)中心目前的購電價是分時電價，峰時和平時段的電價分別為0.999元／k Wh和0.668元／k Wh，其加權(quán)平均電價為0.792元／k Wh。項(xiàng)目建成后，發(fā)電單位成本是0.689元／k Wh，低于加權(quán)平均的購電價，數(shù)據(jù)中心的能源支出可以大大減少。

通過上述分析，該項(xiàng)目運(yùn)行后可降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本，項(xiàng)目投資9年即可收回，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)符合國家政策要求，財(cái)務(wù)評價結(jié)果是可行的。

4 結(jié)語

分布式能源系統(tǒng)是一種清潔高效的供能系統(tǒng)，特別是作為大電網(wǎng)供電的補(bǔ)充，可以提高用戶用能的可靠性，中央及各級地方政府都把分布式能源納入發(fā)展規(guī)劃，并制定了相關(guān)的優(yōu)惠政策，包括對分布式能源站和燃?xì)饪照{(diào)項(xiàng)目單位給予一定的設(shè)備投資補(bǔ)貼和優(yōu)惠的氣價，推廣分布式能源技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有用能方式是以市電為主，輔以UPS及備用發(fā)電機(jī)組供電，備用柴油發(fā)電機(jī)長時間擱置，不僅需要大量維護(hù)費(fèi)用，而且急需時往往很難啟動。采用分布式能源系統(tǒng)則以內(nèi)燃發(fā)電機(jī)供電為主、市電為備用，可以避免數(shù)據(jù)中心用能對大電網(wǎng)的依賴，提高用能的安全性和可靠性。

數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有供冷方式主要是以離心式制冷機(jī)為主，結(jié)合投資造價及系統(tǒng)安全方面考慮，一般采用三／四用設(shè)一備用。分布式能源系統(tǒng)供冷則以溴化鋰吸收式制冷機(jī)組為主，離心式制冷機(jī)為備用，系統(tǒng)將采用一對一備用，且為雙能源相互備用，因而系統(tǒng)將更加安全可靠。

數(shù)據(jù)中心的分布式能源站可以采用合同式能源管理方式，從投資收益來說，也是可行的。在數(shù)據(jù)中心使用冷熱電三聯(lián)供的分布式能源系統(tǒng)，可以顯著降低數(shù)據(jù)中心的能耗，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排。以目前規(guī)劃的30 MW燃?xì)饫錈犭娙?lián)供項(xiàng)目，每年運(yùn)行5 840 h，可以減排二氧化碳12萬t以上，減排率超過40%。