燃气冷热电三联供系统在数据中心的应用

郭 丰

(中国电子学会，北京 100036)

0 引 言

燃气冷热电三联供系统，是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机或内燃机等燃气发电设备而产生电力以满足用户的电力需求，系统排出的废热通过驱动吸收式制冷机供冷，同时还可提供生活热水，充分利用了排气的热量。经过能源的梯级利用使一次能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右。在过去的数年中，我国数据中心产业实现了蓬勃发展，新基建提速，更是为数据中心产业实现新一轮腾飞注入强劲动力。而数据中心用电和用冷负荷波动小，常年需要供冷，符合三联供系统的功能特点。文中针对三联供系统在数据中心的应用进行了探讨。

1 数据中心的用能特点

数据中心是由计算机场地(机房)、其他基础设施、信息系统软硬件、信息资源(数据)和人员以及相应的管理制度组成的实体。是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分，包括主机区、辅助区、支持区和行政管理区等。其核心功能是保证服务器、存储设备、网络设备等各类信息设备稳定可靠工作，实现数据的存储与管理，完成对信息资源的处理，为数字经济的业务运营提供支撑。中国数字经济总量2017年为27.2万亿元人民币[1],2018年即达到31.3万亿元人民币[2]。预计到2025年，中国被创建、采集或是复制的数据总量将增长到48.6ZB，在全球数据总量中占比达到 27.8%[3]。作为海量数据的主要储存与运算处理实体，中国数据中心行业近年来一直处于高速发展的阶段。据相关统计，截至2017年底，在用数据中心的机架总规模已达166万架[4]，至2018年底，服务器在线装机量已居世界第二位[5],中国IDC业务市场总规模达1 228亿元，同比增长29.8%[6]。预计到 2020 年，具备一定规模的数据中心保有量将超过 8 万个[7]。中国数据中心行业规模的快速扩大，也引起了电力消耗量的快速增长。据相关报告估算，中国数据中心的耗电量约为1 200亿千瓦时[7],这一数据约占中国全国全社会用电量的2%[8]。寻找一个能连续可靠运行、能源利用率高、污染小、经济性比较好的能源系统，满足数据中心对电能的需要，成为数据中心发展进程中面临的问题。

数字经济的特点是全天24小时无时无刻不在运转，所以数据中心内的各类信息设备需要常年每天24小时持续稳定运行，需要为此提供稳定的供电。由于信息设备运行的特点，用电需求波动也较小。信息设备运行时散发出大量的热量，为了保证信息设备稳定工作，也需要保证数据中心内的温度湿度保持相对恒定，为此数据中心的机房需要每天24小时持续不断地冷源。此外，数据中心为确保用电的可靠性，数据中心要求高质量和高稳定的不间断电源，一般需要设置UPS系统和大功率柴油发电机作为应急后备电源。

燃气冷热电三联供系统建立在能量梯级利用概念基础上，将供热(采暖和供热水)、制冷及发电过程有机结合在一起，三联供系统的一些特性与数据中心负荷波动较小、用电和用冷量大、常年需要供冷的用能特点较匹配，所发的电能，可以全部就地为数据中心机房使用，不像医院、商场、宾馆等，白天启用，晚间不用问题。燃气冷热电三联供系统所产生的冷、热、电三者中的冷，同样可以全部用于机房的冷量需要，它也不像医院、商场、宾馆等民用建筑，夏季需要冷，冬季需要热，白天需要，晚间不需要，春秋季不需要等问题，三联供设备在数据中心的运用可以得到高效使用，减少数据中心对于空调系统的需求，降低数据中心运行的成本。燃气冷热电三联供系统作为分布式能源的一种，可以就进设置，并且相对灵活，有了燃气冷热电三联供系统后，也可作为数据中心的应急后备电源的使用。尤其是在各项电源输出特性参数比较上，燃气冷热电三联供系统采用的燃气轮机相比柴油发电机组更加稳定可靠。数据中心可以相应减少UPS系统所需电池数量，减少投资成本。所以燃气冷热电三联供系统成为解决数据中心能源需求的一个重要选择，在数据中心中具有较高的应用可行性。

能源的梯级利用高温段1000℃以上电能中温段300～500℃驱动热泵;驱动吸收式制冷机低温段200℃以下除湿;供热;生活热

2 燃气冷热电三联供系统在数据中心的应用方式

数据中心用电量远大于制冷量。如某数据中心，经核算，最大用电负荷出现在7月份，最大负荷248 089 kW;全年耗电量为207.28 MkWh。最大用冷出现在6月份，最大负荷1767 kW;最大用热出现在2月份，最大负荷244.82 kW。数据中心全年总需净量147 862 385.3 kWh，数据中心全年总需热量219 480.05 kWh。

表1 数据中心年耗电量组成

为此，数据中心应用燃气冷热电三联供系统，通常是选用发电效率较高的燃气内燃机作为发电机组，燃气内燃机所发电量供应数据中心，不足部分由电网提供。同时适当配置部分柴油发电机组。为保证数据中心的用电可靠性，发电机组一般分为两组，设置在不同的地理位置作为物理分割，互为冗余。即一组内的发电机组在检修或保养时，一组发电机可以带起100%用电负荷。如果有两路市电作为备用，也可以不设置冗余，从而有效节约初期设备投资和建设成本。但仍需要设置柴油发电机组和UPS,与燃气内燃机和市电共同组成供电系统，保证数据中心供电的高可靠性要求。在设计上应充分考虑数据中心用电负荷情况，从而搭建合理的供电架构。

在燃气内燃机后，通常连接吸收式制冷机。一般选择溴化锂吸收式制冷机，溴化锂吸收式制冷机有多种类型，如两级发生的溴化锂吸收式制冷机，它可有效地利用高压加热蒸汽；两级吸收的溴化锂吸收式制冷机，它可有效地利用低温位热能。当内燃机发电运行时，利用内燃机排出的烟气热水所携带的余热作为吸收式制冷机的热源。为保证在发电机组不工作或不能达到满负荷工作，即没有烟气余热可利用或烟气供应不足时.余热吸收式机组仍可以提供净负荷的供应，也可以考虑选用带有燃烧机的直燃型机组。在取暖季当烟气冷凝换热器检修时，直燃机组还可以作为热源用于采暖供热。

为避免受到燃气供应波动的影响，通常数据中心在配备吸收式制冷机同时也配备电制冷机组和冷却塔。当市政管网燃气披切断时，电制冷机组作为备用投入运行，满足数据中心空调要求。吸收式制冷机和电制冷机共用一台冷却塔.若吸收式制冷机组工作，则冷却塔与吸收式制冷机组机连接;若电制冷机组工作，则冷却塔与电制冷机组连接。冬季则可以利用冷却塔实现自由冷却，从而降低数据中心运行成本。而烟气余热用于周围相邻地块供热，以提高燃气冷热电三联供系统的经济效益。

3 应用实例

凤凰数据中心天然气分布式供能项目,于2014年6月经江苏省发改委、能源局审批立项，2014年底建成试生产。项目包括3台输出电功率为2 000 kW的燃气发电机组，3台制冷量为2 300 kW的烟气热水型溴化锂冷机，并配套相应的冷却泵、冷冻泵、冷却塔、水处理等循环系统。按照机房空调要求，空调系统采用2N配置。主用为烟气热水型溴化锂冷机，电制冷作为备用，末端采用全空气系统。机房内保持10 Pa正压，机房内新风量保证每小时换气一次。其他监控宰、辅助眨和公摊区的业务管理及后勤用房变配电事，电梯机房等房间可采甩集中供冷供热方式，冷热源全部由三联供能源站集中提供.供冷系统包括电制冷机和吸收式冷温水机组.冷热源通过冷热水管道输送。提供常年供冷所需冷冻水管烟道上装设三通调节阀.可根据末端冷负荷变化情况，调节进入直燃机的烟气量，当冷负荷较小时，部分烟气通过烟道直接排放到大气。另外从发电机出来的热水进入烟气热水型溴化锂冷机，经换热后如温度仍不能降低至发电机所要求的温度.可以进一步通过散热器对其进行冷却。为保证在发电机组不工作或不能达到满负荷工作，即没有烟气余热可利用或烟气供应不足时.余热吸收式机组仍可以提供净负荷的供应，本项目余热机组选用带有燃烧机的全补燃型机组。

项目总投资额6 500万元，包含配套设施、辅助设施及环保项目的降噪设施和脱硝设施等。三联供项目所供的全部电能和冷量全部为凤凰数据中心使用，不足部分由电网提供。

项目2014年底建成试生产，2015年4月已投入正式运行。正式投产后三联供年耗天然气1 022.6万Nm3，年发电量3 888万kWh，年供电量3 729万kWh，年制冷量160 963 GJ。年节约标煤量：6 582.38 t。年节水量为3.1万t。减少二氧化碳排放1.76万t。每年可减少二氧化碳排放1.76万t。

附计算过程：

天然气热值为33.812 MJ/Nm3

总能耗为：1 022.6×33.812=34 576.15万MJ =11 811.2 t标准煤

三联供年供电量3 729.12万kWh，年供冷160 963.2 GJ

按燃煤电厂供电、供热煤耗计算：

供电耗标煤：3 729.12×323=12 045.05 t(323 g/kWh为供电标煤耗)

供冷标煤耗：160 963.2×0.04=6 348.53 t(0.04 kg/MJ为供热标煤耗)

则：总能耗为：12 045.05+6 348.53=18 393.58 t标准煤

三联供年节约标煤量：18 393.58-11 811.2 t=6 582.38 t

根据1吨标煤排放2.68 t CO2计算：减少二氧化碳排放1.76万t。

节水量及计算过程；

与常规火力电厂相比，三联供项目节水量主要为没有常规火电的锅炉、汽轮机及水处理等设备，节省了锅炉、汽轮机及水处理等设备的排污汽水损失量。按照火电企业清洁生产标准，空冷机组耗水量为0.8 kg/kWh，按本项目年发电量3 888万kWh计算，年节水量为3.1万t。

4 燃气冷热电三联供系统在数据中心的应用需要关注的事项

目前全国已建设部分天然气三联供数据中心，未来随着分布式能源的不断推广，规模将进一步扩大。但是数据中心应用燃气冷热电三联供系统仍有需要关注的几个事项。

(1)因为对于数据中心来讲，供电可靠性、安全性位于首位，所以天然气的供应一定要稳定、充足。否则需要配置足够的电制冷能力，大大增加数据中心初期建设成本。

(2)天然气价格和电价是影响燃气冷热电三联供系统运行经济性的关键。据测算，燃气价格与发电单价对照如下表。不同地区的气价、峰谷电价差别很大，必须根据当地条件进行精确的测算。另外，部分污染严重或严重缺电地区会为安装燃气冷热电三联供系统提供政策性补贴，也是燃气冷热电三联供系统运行保持经济性的重要影响因素。部分项目为保证经济性，采取峰电价时开启系统，谷电价时停止运行的方式，也是可以参考的方式，见表2。

表2 燃气价格与电力单价的对照表

《大型、超大型数据中心选用燃气二联供的若干问题》

(3)目前在我国还没有采用燃气发电机作为主用电源的相关案例，为满足数据中心的供电可靠性需要做周密细致的配电设计。在与市电配合方面，需要与电网企业进行充分地协调。

(4)我国颁布执行的国家标准《数据中心设计规范》(GB50174-2017)对数据中心环境做了严格的技术要求，在进行相关冷量计算时需要严格遵循该标准的要求。

(5)要有高水平的运行、维护人员。由于燃气冷热电三联供系统相比常规市电系统庞大复杂得多，运行的安全可靠性成为重点。尤其是冷源系统，由于冷却工质状态的切换需要时间，达到所设置参数有一定的时延，吸收式制冷机组和电制冷机组之间的调整需要较高的技巧。此外，燃气冷热电三联供系统对于负载与自身出力能力的匹配调节也有较高要求，对于机组的保养也需要较高的技术要求。

5 结束语

虽然国内近年已有若干数据中心采用了燃气冷热电三联供系统，但是目前仍然是处于规模应用的前期。对燃气冷热电三联供系统缺乏经济性、可用性不佳的顾虑仍然广泛存在。但基于燃气冷热电三联供系统自身的优点以及与数据中心用能特性的高度匹配，相信随着燃气冷热电三联供系统建设和运行经验的不断积累，燃气冷热电三联供系统应用方案不断完善，燃气冷热电三联供系统一定会成为数据中心用能的重要解决方案。