天然氣分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

李　曉（長(zhǎng)沙有色金屬設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

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天然氣分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

李曉（長(zhǎng)沙有色金屬設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)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(lián)供（CCHP）等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式。

1　數(shù)據(jù)中心的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，我國(guó)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了大規(guī)模規(guī)劃建設(shè)階段，并呈現(xiàn)出向規(guī)模化、集中化、綠色節(jié)能化、布局合理化發(fā)展的趨勢(shì)。

為滿足社會(huì)信息化水平不斷提高的要求，促進(jìn)我國(guó)數(shù)據(jù)中心，特別是大型數(shù)據(jù)中心的合理布局和健康發(fā)展，國(guó)家工業(yè)和信息化部2013年發(fā)布了《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》，《指導(dǎo)意見》明確提出“采用綠色節(jié)能等先進(jìn)技術(shù)合理規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心”。

隨著對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求進(jìn)一步提升，人們更多地關(guān)心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用的安全、數(shù)據(jù)挖掘以及與內(nèi)部信息系統(tǒng)的融合，所以新一代數(shù)據(jù)中心不僅要有一個(gè)足夠強(qiáng)壯的供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)，還要能滿足高可用性、高連續(xù)性、高靈活性、高節(jié)能性要求。虛擬化、云計(jì)算、節(jié)能環(huán)保、穩(wěn)定和安全成為新一代數(shù)據(jù)中心的基本屬性。

2011年全國(guó)大小數(shù)據(jù)中心達(dá)53萬個(gè)，2011～2013年上半年，全國(guó)共規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心255個(gè)，其中超大型數(shù)據(jù)中心（規(guī)模在1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架以上）有23個(gè)，大型數(shù)據(jù)中心（規(guī)模在3000到1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架之間）有42個(gè)，中小型數(shù)據(jù)中心（規(guī)模在3000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架以下）有190個(gè)。255個(gè)數(shù)據(jù)中心中近90%的設(shè)計(jì)PUE（能源效率指標(biāo)）低于2.0，平均PUE為 1.73。超大型、大型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)PUE平均為1.48，中小型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)PUE平均為1.80。另外，一些老舊數(shù)據(jù)中心通過采用先進(jìn)的制冷節(jié)能技術(shù)改造，PUE也降到2.0以下。由上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，仍有一半以上的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)PUE沒有達(dá)到1.5的規(guī)劃要求，特別是中小型數(shù)據(jù)中心在綠色節(jié)能方面差距較大，同時(shí)數(shù)量龐大的老舊數(shù)據(jù)中心改造任務(wù)也頗為艱巨。

十年來，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器功耗增加了約15倍，機(jī)架的供電密度也提高了近10倍。過去一個(gè)機(jī)架功耗為2～3kW，現(xiàn)在卻可高達(dá)10kW以上。導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備耗電和內(nèi)部發(fā)熱量急劇增加，給解決高密度數(shù)據(jù)中心供電和散熱問題也帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2　天然氣分布式能源的大力發(fā)展

國(guó)內(nèi)外逐步推行電力市場(chǎng)化，環(huán)境保護(hù)問題日益突出，具有較高能源利用效率的分布式系統(tǒng)在歐美、韓、日等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2010年，歐盟洲分布式能源占總裝機(jī)容量的18%；美國(guó)分布式能源占總裝機(jī)容量的14%；日本分布式能源占總裝機(jī)容量13.4%；我國(guó)分布式能源占總裝機(jī)容量不到1%。在全球資源競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的情況下，分布式用能方式優(yōu)越性明顯，利用天然氣清潔能源，采用能源梯級(jí)利用的工藝布置方式，實(shí)現(xiàn)余熱利用最大化，提高綜合能源利用效率，節(jié)能減排。

我國(guó)分布式能源發(fā)展目前剛剛起步，提升空間巨大。2011 年10月，國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、住建部和國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，“十二五”期間建設(shè)1000個(gè)左右天然氣分布式能源項(xiàng)目，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域，意見專門提出電網(wǎng)方面要加強(qiáng)對(duì)天然氣分布式能源并網(wǎng)的配合，并提出今后將在財(cái)政、標(biāo)準(zhǔn)等多方面，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)天然氣分布式能源的支持。2014年10月，國(guó)家發(fā)改委、能源局、住建部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)天然氣分布式能源示范項(xiàng)目實(shí)施細(xì)則的通知》（發(fā)改能源［2014］2382號(hào)），就天然氣分布式能源示范項(xiàng)目的申報(bào)、評(píng)選、實(shí)施、驗(yàn)收、后評(píng)估，以及激勵(lì)政策等做了一系列比較全面的規(guī)定，旨在完善天然氣分布式能源示范項(xiàng)目審核、申報(bào)等管理程序，推動(dòng)天然氣分布式能源快速、健康、有序發(fā)展。

上海、長(zhǎng)沙、北京相繼出臺(tái)了補(bǔ)貼激勵(lì)政策；國(guó)家各級(jí)政府制定的天然氣分布式能源鼓勵(lì)政策，促進(jìn)了各耗能單位和能源公司投資建設(shè)天然氣分布式能源項(xiàng)目，推進(jìn)合理用能。天然氣分布式能源社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益明顯，可以優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)，發(fā)揮對(duì)電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的雙重削峰填谷作用，增加能源供應(yīng)安全性。目前，我國(guó)天然氣供應(yīng)日趨增加，智能電網(wǎng)建設(shè)步伐加快，能源服務(wù)公司擁有專業(yè)管理團(tuán)隊(duì)和技術(shù)力量，有利于推動(dòng)天然氣分布式能源在我國(guó)合理利用。

3　天然氣分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的重要意義

數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶，能源消耗日益受到人們的關(guān)注。2011年，全美國(guó)的數(shù)據(jù)中心使用掉的電量占據(jù)了整個(gè)國(guó)家全年用電量的2.5%，在美國(guó)這么龐大規(guī)模的電網(wǎng)中，這是一個(gè)巨大的能源耗量。在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心幾乎占到了全球發(fā)電量1.1～1.5%。據(jù)調(diào)查，截止2009年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量月364億kWh，約占當(dāng)年全國(guó)電力消費(fèi)總量的1%。按目前發(fā)展趨勢(shì)和能耗水平，到2016年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心足以耗費(fèi)三峽電站的全部發(fā)電量。從能源成本來說，一個(gè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本，接近75%來自于能源消耗。在典型的數(shù)據(jù)中心中，采用電供應(yīng)能源，主計(jì)算機(jī)和UPS在運(yùn)行時(shí)有大量散熱（電荷多少散熱多少），所以需要大量制冷負(fù)荷。常規(guī)采用電制冷的數(shù)據(jù)中心，其中制冷電耗占數(shù)據(jù)中心電耗的30～40%。因此如何降低數(shù)據(jù)中心的用能成本，采用清潔能源以減少數(shù)據(jù)中心能耗對(duì)環(huán)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(guó)家工業(yè)和信息化部2013年發(fā)布了《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》中明確提出：“采用綠色節(jié)能等先進(jìn)技術(shù)合理規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心”“在電力設(shè)施建設(shè)、電力供應(yīng)及服務(wù)等方面給予重點(diǎn)支持；支持其參加大用戶直供電試點(diǎn)”。

天然氣分布式能源技術(shù)是近年來在國(guó)內(nèi)興起的一種先進(jìn)清潔能源綠色高效率用技術(shù)。該技術(shù)集小型燃機(jī)輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、吸收式冷熱水機(jī)、能源綜合控制等高新技術(shù)和設(shè)備為一體的先進(jìn)環(huán)保節(jié)能系統(tǒng)，在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，近年來得到我國(guó)政府的積極倡導(dǎo)。

天然氣分布式能源具有以下特點(diǎn)：

（1）梯級(jí)利用：根據(jù)能源參數(shù)品質(zhì)、高能高用低能低用、溫度對(duì)口的原則，高品位能源發(fā)電、低品位余熱轉(zhuǎn)換后供冷供熱，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，提高能源利用效率。

（2）清潔環(huán)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(fèi)比重、改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境。

（3）節(jié)能減排：能源梯級(jí)利用、就近負(fù)荷中心建設(shè)，綜合利用效率70%以上，比“熱電冷分供”節(jié)能35%，比“熱電聯(lián)供”（約60～70%）高出20個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)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(bǔ)大規(guī)模集中供電系統(tǒng)的缺陷，并能發(fā)揮對(duì)電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的雙重削峰填谷作用，促進(jìn)城市能源多元化建設(shè)和增加“安全供能”保障。

（5）備用電源：冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有備用電源的功能，在意外災(zāi)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(yīng)。

采用天然氣分布式能源系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)中心提供可靠穩(wěn)定的能源供應(yīng)，保障數(shù)據(jù)中心用能安全和降低能源費(fèi)用、減少污染排放，對(duì)建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心都具有重要的意義。

4　天然氣分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用實(shí)例

（1）某南方數(shù)據(jù)中心為高性能計(jì)算、海量數(shù)據(jù)處理、信息管理服務(wù)于一體的世界一流的超算中心，計(jì)算能力達(dá)到每秒10億億次以上，電需求50MW，冷需求36MW。建設(shè)一座天然氣分布式能源站，設(shè)置4臺(tái)4300kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，配備四套制冷量為3516kW的煙氣熱水型溴化鋰制冷機(jī)，投資約2億元。項(xiàng)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(dá)99.999998%，超算中心每年節(jié)約運(yùn)行成本1000～1500萬；分布式能源站年發(fā)電1.4億kWh，年供冷1.15億kWh；能源站投資回收期8.4年，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率12.4%，年利潤(rùn)2600萬；能源站年節(jié)標(biāo)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(shù)據(jù)中心計(jì)算能力每秒1000萬億次，建筑面積3萬m2，建成后實(shí)際電負(fù)荷6100kW，冷負(fù)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(diào)供應(yīng)方案為全部由電制冷空調(diào)、空氣源熱泵滿足冷、熱負(fù)荷需求。項(xiàng)目擬改建規(guī)模為2×1.0MW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，配2× 1163kW煙氣熱水型溴化鋰制冷機(jī)組，改建投資約2500萬元。項(xiàng)目建成后，將增加供電可靠性到99.999%；分布式能源站年發(fā)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(rùn)300萬；能源站年節(jié)標(biāo)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(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需要注意的幾個(gè)問題

（1）數(shù)據(jù)中心冷電負(fù)荷大且連續(xù)，是非常好的分布式能源系統(tǒng)供能用戶。但配套分布式能源站一定要認(rèn)真詳細(xì)分析、復(fù)核冷電負(fù)荷，防止發(fā)電機(jī)組規(guī)模過大、增加初期投入、影響能源站運(yùn)行效益；

（2）數(shù)據(jù)中心IDC（Internet Data Center互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）一般會(huì)根據(jù)用戶需要分期逐步投入；計(jì)算機(jī)實(shí)際耗電也和用戶需要的計(jì)算量有關(guān)，初期可能只有30～50%額定耗電；由此數(shù)據(jù)中心的冷電負(fù)荷也有一個(gè)發(fā)展過程，分布式能源站主機(jī)要根據(jù)數(shù)據(jù)中心負(fù)荷發(fā)展分期靈活配置，防止一期投入單機(jī)裝機(jī)容量過大，增加初投入，影響機(jī)組運(yùn)行效率；

（3）采用天然氣分布式能源系統(tǒng)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(tǒng)在國(guó)家扶持項(xiàng)目范疇，項(xiàng)目前期獲得政府部門的大力支持，爭(zhēng)取優(yōu)惠的天然氣價(jià)格和相關(guān)能源環(huán)保補(bǔ)貼，以確保項(xiàng)目順利實(shí)施。

李 曉（1970-），女，高級(jí)工程師，主要從事有色金屬能源方面的工作。

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2095-2066（2016）17-0072-02

2016-3-16