數(shù)據(jù)中心能源站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性策略分析

韓高巖，樓可煒，孫五一，呂洪坤，蔡潔聰，童家麟

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

我國(guó)正處于能源發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，能源利用方式更加注重質(zhì)量[1-2]。天然氣是一種清潔燃料，以天然氣為主的分布式能源站具有能效高、環(huán)保性好、個(gè)性化強(qiáng)、削峰填谷、CO2減排顯著等優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)下能源發(fā)展的熱點(diǎn)之一[3-9]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也在迅速擴(kuò)建。數(shù)據(jù)中心在實(shí)現(xiàn)信息處理、儲(chǔ)存、傳輸和交換時(shí)，需消耗大量電能，同時(shí)對(duì)冷量需求也較大，數(shù)據(jù)中心對(duì)供能的安全性要求極高，由于天然氣能源站具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，使部分?jǐn)?shù)據(jù)中心在建設(shè)時(shí)，規(guī)劃建設(shè)了配套的天然氣分布式能源站[10-12]。天然氣能源站對(duì)于能源實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，將高品質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為電能、低品質(zhì)能量用于制冷，進(jìn)而滿足數(shù)據(jù)中心冷量需求，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)數(shù)據(jù)中心用能需求不僅可以由能源站自身供應(yīng)，還有市電接入作為備用電源，極大提高了數(shù)據(jù)中心供能可靠性，滿足其對(duì)安全性的高標(biāo)準(zhǔn)要求[13]。

1 能源站基本情況

1.1 能源站裝機(jī)

某能源站為7×4 275 kW級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)燃機(jī)”），配套7×4 505 kW級(jí)煙氣-熱水溴化鋰空調(diào)（以下簡(jiǎn)稱“溴化鋰”）、10×4 663 kW級(jí)離心式電制冷冷水機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“電制冷”）及11×1 800 kW級(jí)柴油發(fā)電機(jī)。此外，能源站還包含2個(gè)1 500 m3蓄冷水罐、4臺(tái)額定功率為200 kW的二次泵、水處理系統(tǒng)及連接各設(shè)備的管道、閥門等。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備參數(shù)如表1所示，制冷設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

表2 制冷熱備主要技術(shù)參數(shù)

1.2 能源站工藝流程

能源站實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，天然氣和空氣混合進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)燃燒做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組，所發(fā)電量在滿足能源站用電后，多余電量并網(wǎng)售電。內(nèi)燃機(jī)煙氣余熱進(jìn)入到溴化鋰中制冷，溴化鋰向數(shù)據(jù)中心供應(yīng)7℃冷凍水，同時(shí)電制冷也可以直接用電實(shí)現(xiàn)向數(shù)據(jù)中心供冷，其中內(nèi)燃機(jī)持續(xù)運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間為70%～100%，電制冷運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間為20%～100%。能源站采用雙母管向數(shù)據(jù)中心供應(yīng)冷凍水，由二次泵保證供水壓力，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 能源站工藝流程

整個(gè)能源站分為一單元和二單元，每個(gè)單元包含4臺(tái)內(nèi)燃機(jī)組，配套4臺(tái)溴化鋰、5臺(tái)電制冷及相關(guān)配套設(shè)備。為提高供冷可靠性，2個(gè)單元可互為備用。此外，能源站還配置2個(gè)蓄冷水罐，可應(yīng)急保障數(shù)據(jù)中心20 min的供冷需求。當(dāng)數(shù)據(jù)中心和電網(wǎng)的交互功率較大且市電突然失去時(shí)，能源站自動(dòng)進(jìn)入黑啟動(dòng)程序，從而保證此突發(fā)情況下能源站和數(shù)據(jù)中心的用能需求[13]。

2 運(yùn)行方式分析

數(shù)據(jù)中心現(xiàn)建有3棟?rùn)C(jī)房，其中1棟已引入客戶，另外2棟后期會(huì)逐漸引進(jìn)客戶。現(xiàn)根據(jù)數(shù)據(jù)中心投用不同數(shù)量機(jī)房時(shí)，對(duì)于只用市電、自發(fā)自用和向外售電3種典型運(yùn)行方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析[14-15]。

只用市電即為只投用電制冷，利用市電制冷滿足數(shù)據(jù)中心冷量需求；自發(fā)自用，則為能源站本身盡量消納內(nèi)燃機(jī)所發(fā)電量，消納不完的余電才上網(wǎng)售電；向外售電，則為內(nèi)燃機(jī)利用溴化鋰制冷滿足數(shù)據(jù)中心的冷量需求，內(nèi)燃機(jī)所發(fā)的電全部上網(wǎng)售電。此外，在機(jī)組搭配運(yùn)行時(shí)，要時(shí)刻保持一臺(tái)同類機(jī)組處于備用狀態(tài)。其中每棟?rùn)C(jī)房的額定冷量需求為13 000 kW，供冷用電量由能源站供應(yīng)，數(shù)據(jù)中心正常用電由市電供應(yīng)。根據(jù)能源站自身主要用電設(shè)備功率及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率，在不同數(shù)量機(jī)房投運(yùn)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行搭配方式如表3所示。

表3 典型運(yùn)行方式機(jī)組搭配

在運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)，上網(wǎng)電價(jià)根據(jù)能源站所在地區(qū)價(jià)格，供冷和天然氣價(jià)格按照能源站和數(shù)據(jù)中心、天然氣公司協(xié)定價(jià)格。運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，銷售電價(jià)參考浙江省相近容量的天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.588元/kWh，工業(yè)使用電價(jià)為0.664 4元/kWh。假定天然氣價(jià)格為2.4元/m3、售冷價(jià)格為0.4元/kWh，固定資產(chǎn)折舊按照年限平均法計(jì)算，固定資產(chǎn)約為4.6億元，資產(chǎn)殘值率為5%，折舊15年，每年折舊費(fèi)用為2 913萬(wàn)元，能源站每年維修費(fèi)為1 500萬(wàn)元。評(píng)價(jià)典型運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，采用年毛利潤(rùn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，年毛利潤(rùn)越高說明該運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性越好，年毛利潤(rùn)的定義為計(jì)算電冷銷售收入扣除修理費(fèi)用、燃料費(fèi)用、工人工資福利和設(shè)備折舊費(fèi)用。

3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 投用1棟?rùn)C(jī)房時(shí)的經(jīng)濟(jì)性分析

當(dāng)數(shù)據(jù)中心前期投運(yùn)1棟?rùn)C(jī)房時(shí)，3種典型運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)隨天然氣價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)和供冷價(jià)格的變化如圖2、圖3所示。

圖2 投用1棟?rùn)C(jī)房時(shí)天然氣價(jià)格對(duì)毛利潤(rùn)影響

圖3 投用1棟?rùn)C(jī)房時(shí)上網(wǎng)電價(jià)對(duì)毛利潤(rùn)的影響

由圖2可知，當(dāng)能源站只有1棟?rùn)C(jī)房投用且天然氣價(jià)格低于2.73元/m3時(shí)，采用向外售電運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高。當(dāng)天然氣價(jià)格高于2.73元/m3時(shí)，采用只用市電的運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高。由圖3可知只投用1棟?rùn)C(jī)房時(shí)上網(wǎng)電價(jià)對(duì)運(yùn)行方式的影響：當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)低于0.42元/kWh時(shí)，能源站采用只用市電的運(yùn)行方式；當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)在0.42～0.51元/kWh時(shí)，宜采用自發(fā)自用的方式。當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)高于0.51元/kWh時(shí)，宜采用向外售電運(yùn)行方式。由圖4可知，當(dāng)向數(shù)據(jù)中心供冷價(jià)格增大時(shí)，3種運(yùn)行方式下能源站的毛利潤(rùn)都隨之等量增加，即最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式不改變。

總體上看，在天然氣價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)變化范圍內(nèi)，只投用1棟?rùn)C(jī)房時(shí)，3種典型運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)都小于0，即企業(yè)處于虧損狀態(tài)。

3.2 投用2棟?rùn)C(jī)房時(shí)的經(jīng)濟(jì)性分析

投用2棟?rùn)C(jī)房時(shí)，3種典型運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)隨天然氣價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)的變化如圖5和圖6所示。

圖5 投用2棟?rùn)C(jī)房時(shí)天然氣價(jià)格對(duì)毛利潤(rùn)的影響

圖6 投用2棟?rùn)C(jī)房時(shí)上網(wǎng)電價(jià)對(duì)毛利潤(rùn)的影響

2棟?rùn)C(jī)房投運(yùn)時(shí)，由圖5可知：當(dāng)天然氣價(jià)格低于2.79元/kWh，能源站采用向外售電的運(yùn)行方式時(shí)，年毛利潤(rùn)最高；當(dāng)天然氣價(jià)格在2.79～3.05元/kWh時(shí)，能源站采用自發(fā)自用運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高；當(dāng)天然氣價(jià)格高于3.05元/kWh時(shí)，能源站采用只用市電運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高。由圖6可知：投用2棟?rùn)C(jī)房且上網(wǎng)電價(jià)低于0.51元/kWh時(shí)，能源站采用自發(fā)自用的運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高；當(dāng)電價(jià)高于0.51元/kWh時(shí)，能源站采用向外售電的運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高。

因此，當(dāng)投運(yùn)2棟?rùn)C(jī)房時(shí)，設(shè)備的利用率得到了提升，能源站的年毛利潤(rùn)有所提高，其中，當(dāng)天然氣價(jià)格低于2.55元/kWh或者上網(wǎng)電價(jià)高于0.54元/kWh時(shí)，采用向外售電可以實(shí)現(xiàn)能源站的盈利。

3.3 投用3棟?rùn)C(jī)房時(shí)的經(jīng)濟(jì)性分析

投用3棟?rùn)C(jī)房時(shí)，3種典型運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)隨天然氣價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)的變化如圖7和圖8所示。

圖7 投用3棟?rùn)C(jī)房時(shí)天然氣價(jià)格對(duì)毛利潤(rùn)影響

圖8 投用3棟?rùn)C(jī)房時(shí)上網(wǎng)電價(jià)對(duì)毛利潤(rùn)的影響

投運(yùn)3棟數(shù)據(jù)樓時(shí)，由圖7可知：在天然氣價(jià)格低于2.55元/m3時(shí)，能源站采用向外售電的運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高；當(dāng)天然氣價(jià)格在2.55～3.58元/m3時(shí)，能源站采用自發(fā)自用的運(yùn)行方式年毛利潤(rùn)最高；當(dāng)天然氣價(jià)格大于3.58元/m3，采取只用市電運(yùn)行方式。投運(yùn)3棟數(shù)據(jù)樓時(shí)，由圖8可知：當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)低于0.56元/kWh時(shí)，采用自發(fā)自用的運(yùn)行方式；若上網(wǎng)電價(jià)高于0.56元/kWh，則采用向外售電運(yùn)行方式收益最高。

在投用不同機(jī)房時(shí)，天然氣價(jià)格對(duì)于向外售電運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)敏感性最強(qiáng)，其次是自發(fā)自用運(yùn)行方式，對(duì)于只用市電運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)無(wú)影響。同樣，上網(wǎng)電價(jià)對(duì)于向外售電運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)敏感性也最強(qiáng)，其次為自發(fā)自用。當(dāng)投用3棟?rùn)C(jī)房時(shí)，由于自身發(fā)電量可以完全由自己消納，因此上網(wǎng)電價(jià)對(duì)于自發(fā)自用年毛利潤(rùn)無(wú)影響。由于只用市電時(shí)，和天然氣、上網(wǎng)電價(jià)無(wú)關(guān)，因此天然氣價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)對(duì)于只用市電運(yùn)行方式的年毛利潤(rùn)無(wú)影響。

4 機(jī)房投用數(shù)對(duì)年毛利潤(rùn)的影響

根據(jù)現(xiàn)有假定天然氣價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)下，在投用不同機(jī)房時(shí)，向外售電的年毛利潤(rùn)最高。向外售電的年毛利潤(rùn)和投運(yùn)機(jī)房數(shù)關(guān)系見圖9。

圖9 年毛利潤(rùn)與機(jī)房投運(yùn)數(shù)關(guān)系

由圖9可知，當(dāng)機(jī)房投運(yùn)數(shù)增加時(shí)，年毛利潤(rùn)迅速增大。根據(jù)假定的天然氣價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)，只投用1棟?rùn)C(jī)房時(shí)能源站是虧損狀態(tài)，投運(yùn)2棟?rùn)C(jī)房時(shí)可采用最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)盈利，投運(yùn)3棟?rùn)C(jī)房時(shí)年毛利潤(rùn)最大。投運(yùn)的機(jī)房數(shù)增加時(shí)，設(shè)備的利用率增大，銷售的電量和冷量越多，年毛利潤(rùn)變大。因此在能源站裝機(jī)配置設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)投運(yùn)后可能的天然氣價(jià)格和電價(jià)情況，設(shè)計(jì)最優(yōu)的機(jī)組搭配方式，盡量減少設(shè)備的冗余，降低項(xiàng)目投資，提高設(shè)備利用率，增加能源站的收益。

5 結(jié)論及建議

（1）根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)和天然氣價(jià)格可優(yōu)化運(yùn)行方式提高經(jīng)濟(jì)性。天然氣價(jià)格較低或者上網(wǎng)電價(jià)較高時(shí)，宜采用向外售電運(yùn)行方式；當(dāng)天然氣價(jià)格過高時(shí)，宜采用只用市電運(yùn)行方式；當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)較低時(shí)，宜采取只用市電或者自發(fā)自用運(yùn)行方式。供冷價(jià)格提高會(huì)增加能源站年毛利潤(rùn)，但不影響最優(yōu)運(yùn)行方式[16]。

（2）能源站年毛利潤(rùn)隨投運(yùn)機(jī)房時(shí)數(shù)量增加迅速增大。投運(yùn)2棟?rùn)C(jī)房時(shí)，可通過選取經(jīng)濟(jì)性較好的運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)盈利。向外售電運(yùn)行方式對(duì)于電價(jià)和氣價(jià)的敏感性最強(qiáng)。

（3）為保證設(shè)備的負(fù)荷率，提高能源站收益，能源站建設(shè)裝機(jī)容量應(yīng)與用戶的負(fù)荷需求相匹配。對(duì)于較大容量的能源站，建議分批建設(shè)[17]。

（4）能源站前期裝機(jī)配置設(shè)計(jì)時(shí)，宜根據(jù)投運(yùn)可能的天然氣價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)，考慮最優(yōu)收益運(yùn)行方案，進(jìn)而選取合適的裝機(jī)容量及配置。