冷热电三联供在数据中心的应用.docx

冷热电三联供在数据中心的应用李新鹏，侯振宁，陈 硕(北京电信规划设计院有限公司，北京 100048)摘要: 文中针对现阶段数据中心规划、建设中电力供应的难题，结合数据中心自身建设和运营的特点，提出了三联供 系统在数据中心的多种应用模式。三联供系统的应用，大幅提高了数据中心的能源综合利用率，具有显著的经济和社会 效益。通过对三联供系统关键设备及运行参数的分析比较，优化了运行模式，对今后三联供系统在数据中心的工程应用 提供了指导。关键词: 数据中心;三联供;燃气内燃机;经济性中图分类号:tk019文献标识码: aapplications of combined cooling heating and power system in idcli xin-peng，hou zhen-yu，chen shuo(beijing telecom planning designing institute co ，ltd ，beijing 100048 ，china)abstract: by analyzing construction and operation characteristics of idc，cchp is introduced through the analysis and com- parison of the key equipment and operating parameters of cchp，optimal solution of cchp is proposed，which can greatly improve idc energy efficiency with significant economic and social benefitskey words: idc;cchp;gas engine;economy决定项目可行性、建设周期的关键因素之一。根据相关统计，按照各地电网的相关规定，单路 10 kv 电压等级的供电容量一般不超过 10 mw，而在大型数据中 心，往往某一单体建筑的用电需求量就要达到 20 40mw，甚至更高，整个数据中心园区的总用电需求量可能会达到上百 mw。这种数量级的用电需求量，一般 当地电网在报装时就要求用电户必须自建 110 kv 变电站 / 开闭站。但建设 110 kv 变电站涉及地方电网的整体规划、建设，且通常受到当地供电部门审批权限的限制，需要经更高层次的供电公司审批，因而相应的流 程导致建设周期一般会延长至 3 年以上，间接导致大型数据中心的投产周期也相应延长。另外根据统计数据，数据中心投产后的电费支出 是数据中心的最大运营成本，有数据表明，数据中心运营 10 年的电费支出成本可以达到初次建设成本的 2 3 倍! 所以点滴的用电节省都能带来显著的效果， 据测算，大型数据中心每节约 1% 的电费支出至少是百万元的数量级，这就是数据中心建设、运营团队致力于节能减排的最大动力。引言0进入信息时代以来全球 it 产业发展迅猛，由于 it系统结构复杂、资源利用率过低等原因，建设和维护成 本高涨，因此绝大多数构建者都在尝试将系统资源实 现整合和集中。作为 it 系统重要组成部分的数据中 心，整合工作也在如火如荼的进行，因而近年来数据中 心的单节点、一次性投资呈现大幅增长的趋势。相较于发达国家，国内的数据中心起步较为滞后， 但我国经济高速发展带来的电子政务和电子商务需求 爆发式增长，一些大型的政府数据中心、行业数据中心 和企业数据中心如雨后春笋般迅速建设起来，与此同 时还有更多的数据中心正在建设或筹备中。广大电信运营商一致认为以大型数据中心为基础 的数据托管业务是未来最重要的利润增长点之一，具 有非常好的发展前景。为此建设大型数据中心可以降 低区域重复建设的成本，促进共享。目前，我国三大电 信运营商都在筹划或实施众多大型数据中心建设，通 过一地试点、全国复制的模式，将各省公司的资源集中 规划和开发，有效避免了各地各自为政的重复建设和 投入，降低了创新失败的成本，还可显著提高运营效 率，实现新业务的快速推广。大型数据中心作为高能耗基础设施，在实际规划、建设过程中当地电网能够提供的最大电力容量往往是1冷热电三联供冷热电三联供为数据中心的建设和后期运营带来了新的理念。在电力资源供应紧张的地区，三联供可以为数据中心建设者提供一种新的能源解决方案，同时可以降低后期运营中高额的能源费用。收稿日期:2014-04-22作者简介:李新鹏，工程师，工学学士，主要从事通信局站和数据中心各类配套电源工程设计及数据中心相关节能技术的研究。技术背景冷热电三联供是一种新型能源利用系统，以天然 气作燃料，利用燃气轮机或内燃机驱动发电机发电，再751 12014 年 7 月 25 日第 31 卷第 4 期july 25，2014，vol 31 no 4telecom power technology利用余热对建筑物供热和采用直燃机吸收式制冷，可以实现对一次能源天然气的阶梯利用，能源利用 率高达 80% 90% ，对环境污染少，并起到对电力及 天然气双重削峰填谷的作用。采用冷热电三联供系统不仅可以提高能源利用效 率，实现能源的阶梯利用，更能有效降低运营成本，节约运行费用。表 1 华北地区大型数据中心夏季能耗比例负荷名称用电比例it 负荷ups 等电能损耗 空调风机 空调循环系统 冷水机组 照明等建筑负荷57%8%8 5%6%17 5%3%100%技术简述燃气冷热电三联供系统基本原理是温度匹配、梯 级利用，其原理如图 1 所示。首先洁净的天然气在燃 气发电设备内燃烧产生高温高压的气体用于发电做功，产出高品位的电能;发电做功后的中温段气体通过 余热回收装置回收利用，用来制冷、供暖;其后低温段 的烟气可以通过再次换热供生活热水后排放。通过对 能源的梯级利用，充分利用了一次能源，提高了系统的 综合能源利用率，满足了数据中心常年制冷，冬季办公 制热的需求。1 2总负荷三联供在数据中心的应用三联供系统在数据中心应用主要需要考虑设备选 型、设备容量、系统与电网的关系、系统与电制冷的关 系等四部分内容。3 1 设备选型 选用燃气内燃机还是燃气轮机 燃气内燃机和燃气轮机的热电联产技术均相当成3熟，其中燃气内燃机的额定功率通常在 505 000 kw，而燃气轮机的发电功率在 800 kw 以上。燃气内燃机和燃气轮机冷热电联产系统的主要技术性 能对比如表 2 所示。表 2燃气内燃机和燃气轮机参数对比参数燃气内燃机燃气轮机机组发电效率约 40%低，可接入普通市政管网 对燃气品质要求高约 30%高，需要接入主市政管网 对燃气品质要求低， 约为 1 4较高图 1 三联供系统原理框图燃气压力要求燃气品质2数据中心能耗分析冷热电三联供系统在数据中心应用是否具备经济冷电比约为 1较低机组造价性取决于数据中心的用电、用冷和用热的平稳性，以及数据中心中电量、冷量和热量的比例。大型数据中心多采用空调冷水机组进行制冷，用电设备主要包括 it 设备、ups 损耗、空调室内风机、空调冷水机组、照明和建筑用电等。其中除空调冷水机组在冬季室外环境温度较低时可停机利用自然冷源机房制冷外，其余设备全年用电量都比较平稳。大型数据中心除配套附属用房冬季需要供暖外， 无其他供热需求，根据理论计算和多年的实际情况，华北地区大型数据中心夏季各项用电在数据中心的总能 耗中的比例如表 1 所示。根据以上分析，除冷水机组用电外，其余均为电负 荷，所以电负荷占总负荷的 82 5% ;另外 it 负荷和 ups 电能损耗均需要制冷来抵消发热，所以这两部分 冷负荷为总用电负荷的 65% ，考虑环境热负荷的影 响，实际冷负荷为总用电负荷的 71 5% ，所以数据中 心夏季的冷电比约为 71 5% /82 % = 0 87。大修周期较短较长需要外电源启动，启动时间 慢，不适合频繁启停启动方式和时间可自启动，启动时间快通过上表可以看出，燃气内燃机在机组发电效率、对燃气压力要求、机组造价和启动时间上均优于燃气 轮机;系统的冷电比虽然小于燃气轮机，但与数据中心 的冷电比特性更加吻合。综上，数据中心项目中应优 先考虑采用燃气内燃发电机组。3 2设备容量 以电定冷还是以冷定电数据中心燃气机组的容量选择取决于数据中心的总冷量、总电量以及燃气机组的冷电比。根据前面的分析，数据中心的总冷电比约为 0 87，而燃气内燃机 的冷电比约为 1。如果采用以冷定电的方式设计燃气内燃机的容 量，机组发电的容量将不能满足数据中心电负荷的需 要，发电不足的部分可利用市电进行补充。采用以冷定电的模式可以充分利用发电机组，系76telecom power technologyjuly 25，2014 ，vol 31 no 4 李新鹏，等: 冷热电三联供在数据中心的应用 2014 年 7 月 25 日第 31 卷第 4 期统的整体经济性高，但如果市电完全中断，三联供系统的发电容量无法满足数据中心整体的用电容量，系统 的可靠性略低。如果采用以电定冷的方式设计燃气内燃机的容 量，机组发电的容量能够提供数据中心电负荷的需要， 但余热制冷无法得到充分利用。采用以电定冷的模式三联供可以不依靠电网独立 为数据中心提供足够的冷量和电量，系统的可靠性高， 但三联供系统产生的余热不能得到充分利用，经济性 较差。综上所述，无论采用以冷定电还是以电定冷的原 则都能够满足数据中心的正常运行，采用哪种模式取 决于数据中心的建设等级以及数据中心对三联供系统 的依赖程度。3 3 三联供与电网的联系 由燃气发电设备发出的电能需要与市电进行合理搭配使用，保证数据中心的供电安全。目前燃气发电 可能的 3 种电力系统经营形式为:(1)并网上网:当发电容量不足，可利用电网补充 部分电能;当发电容量有余量可向电网输送部分电能。(2)并网不上网:当发电容量不足，可利用电网提 供部分电能;当发电容量有余量时，适当关闭部分燃气 发电机组。(3)孤岛运行:数据中心全部或其中一部分使用 三联供系统，该部分的用电供应完全与电网脱开，两者 相互独立。并网上网是三联供系统最经济运行的方案，可以 时刻保证系统发电效率最大化，发电不足时由市电进 行补充，有余量时可向电网发电。但考虑电网安全，目 前我国除电网公司自用的三联供系统外，其余绝大部 分均采用第 2 种或第 3 种形式。由于不能上网，并且 需要考虑发电机机组的充分利用，所以燃气发电机组 的经济运行容量一般要小于数据中心的最大负荷，不 足部分由电网补充。当数据中心的冷热电三联供的供电容量大于 5mw 时，建议采用 10 kv 电压等级与电网发生联系;当 数据中心内有自用 110 kv 站时，优先考虑在 110 kv 站的 10 kv 低压侧进行并网，减少并网点。多台燃气 发电机组并联后与市电进行并网，采用并网不上网的 原则，在配电设备中装置逆功率模块，保证设备不会向 电网反送电。当燃气发电的容量大于实际使用量时， 控制关停 1 台燃气发电组，电力不足部分由电网补充; 当市电补充部分超过 1 台燃气发电机组容量时，自动 开启 1 台燃气发电机组。管并在统一管道上，燃气发电机组正常工作时，吸收式制冷机为数据中心提供冷源。在燃气发电机组故障 时，可以通过补燃，保证直燃机冷、热供应;在燃气供应 出现问题时，可以切换到市电，启动电制冷机供冷。三联供在数据中心的安全性分析数据中心的安全性主要体现在机房建设标准的分 级中，国标电子信息系统机房设计规范gb50174 2008 将机房分为 a、b、c 三个级别，本文主要以 a 级和 b 级机房为例，进行安全性分析，如表 3。表 3 国标数据中心机房分级标准4机房级别a 级b 级市电两个不应受到损坏的电源两个不应受到损坏的电源n(供电电源不能满足要求 时)24 hn + 1 冗余n 或(n + x) 冗余(x = 1 n)后备柴油发电机组油机燃料储存量电制冷设施72 h(n + x) 冗余(x = 1 n)标准中并未涉及冷热电三联供系统，但从 a、b 级机房的配置要求来看，均强调在所有外电源失去后，仍 能由自备电源提供供电，自备燃料可采用柴油或天然 气。根据上述机房建设标准，本文针对国标 a、b 级机 房分别提出了冷热电三联供系统的建设方案，详见表4。表 4数据中心冷热电三联供系统配置方案机房级别a 级b 级建设方案市电方案一一路供电电源n 或( n + x ) 冗 余(x = 1 n)72 h一路燃气方案二一路供电电源一路供电电源后备柴油发电机组/油机燃料储存量燃气/一路燃气n 或( n + x ) 冗 余(x = 1 n)72 h/一路燃气燃气发电机组nn燃气储存量吸收式制冷设施 电制冷设施/nnnnnn数据中心 a 级机房三联供方案一与传统 a 级机房建设方案相比，减少了一路市电引入，增加了 1 路燃 气引入，相应增加了燃气发电机、吸收式制冷设施等， 柴油发电机组的配置不变。在供电部门无法提供双路 供电时，可优先考虑此方案。数据中心 a 级机房三联供方案二与传统 a 级机 房建设方案相比，减少了一路市电引入和后备柴油发 电机组，增加了 1 路燃气引入，相应增加了燃气发电77与备用冷源的关系在高等级的数据中心，为保证数据中心在燃气供 应中断时仍能可靠制冷，必须配置电制冷机，数据中心 将吸收式制冷后产生的冷冻水和电制冷产生的冷冻水3 42014 年 7 月 25 日第 31 卷第 4 期july 25，2014，vol 31 no 4telecom power technology机、吸收式制冷设施和储气装置等。考虑到天然气属于易燃性气体，存储的危险较大，且大型数据中心 72 h的后备燃气量会达到几十万立方米，存储空间巨大，所 以该方案受制于天然气存储方面的因素，不适于一般 数据中心的应用。数据中心 b 级机房三联供方案与传统 b 级机房 建设方案相比，减少了一路市电引入或柴油发电机组， 增加了 1 路燃气引入，相应增加了燃气发电机、吸收式 制冷设施等。元 / 度。假设三联供系统的运行费用为能源费用的20% ，采用三联供系统后折合每度电的成本不超过0 6元 / 度，与电网电费相比较，节省约 30% 。通过对传统数据中心建设成本和运行成本的分析，在数据中心达到满负荷运营时，每年的运营成本为 初期建设成本的 30% ，而运营成本中电费约占 70% ， 也就是如果每年用于电能的成本如果可以下降 30% ， 其静态回收期约为 3 17 年，10% 贴现系统动态回收期 约为 4 09 年。通过上述分析，北京地区数据中心采用三联供系 统具有较明显的经济性，但数据中心建设者在可行性 分析阶段需根据具体项目的特点，在充分考虑上述影 响经济性因素的基础上，对项目建设经济性进行论证。5三联供在数据中心的经济性分析三联供系统的经济性受多方面的因素影响，其主要因素包括:(1)系统初期建设投资; (2)地区电费价格;(3)地区天然气价格; (4)数据中心冷电比例;(5)数据中心三联供建成后的系统使用率。在数据中心引入三联供系统就是增加初期建设成 本，减小运行成本。如在数据中心 a 级机房引入三联 供系统需要增加燃气发电机、吸收式制冷设施等，使得 数据中心基础设施建设成本增加约 20% 。系统建成后的运营成本受地区电费价格、天然气 价格、数据中心冷电比例以及系统使用率等方面的影 响，本文以北京地区为例，分析三联供在数据中心的运 行经济性。数据中心多执行一般工商业电价，以北京 10 kv 用电等级为例，假设 1 年 8 760 h 用电量保持不变，7 月和 8 月的全天平均电费约为 0 9 元 / 度，其他月份的 电费约为 0 8 元 / 度，全年平均电费约为 0 82 元 / 度， 在实际运行中，考虑冬季和夜晚用电会减小，同时考虑 公共事业附加费，实际的电费价格约为 0 85 元 / 度。数据中心引入三联供系统，利用天然气为数据中 心提供能源后，系统全年用电估算如下:目前北京用于 发电(含供冷和供热)的天然气价格为 2 28 元 / m3