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CCHP分布式能源技术在数据中心IDC的应用
  • 文中就CCHP能源政策和特性介绍,IDCT3/T4不同等级下CCHP应用设计,CCHP项目系统设计,CCHP投资运营经济分析,CCHP运营机组保养维修注意事项等进行展开讨论。

    1 CCHP能源政策和特性介绍
      
      (1)CCHP定义
      
      冷热电三联供(Combined Cooling,Heating and Power,CCHP),是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备运行,产生的电力供应用户的电力需求,系统发电排出的余热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、(溴化锂机组等)供冷。通过这种方式大大提高整个系统的一次能源利用率,实现了能源的梯级利用。同时可以提供并网电力作能源互补,整个系统的经济效益及效率均相应提高。
      
      (2)CCHP应用国家基本政策方向
      
      冷热电三联供是分布式能源的一种,具有节约能源、改善环境、增加电力供应,区域综合能源利用等综合效益,是城市治理大气污染和提高能源综合利用率的必要手段之一,符合国家可持续发展做制冷输出,本文后续主要描述的是燃气内燃机分布式能源系统的应用。
      
      三联供系统能充分利用天然气的热能,综合用能效率可达85%以上。同时可降低以天然气为燃料的供热/供冷成本,把一部分成本摊到电费上,减轻运营成本负担,与常规系统相比超出的初投资费用靠节省运行费5至6年内便可收回。由于三联供在能源转换效率方面所具有的突出优势,使得其在世界各国的能源领域大都具有显著地位。
      
      (3)CCHP能源阶梯利用(见图1)
      
      (4)CCHP电力输出模式(见表1)
      
      (5)CCHP主要设备介绍(见表2)
      
      (6)热电容量的方案选择
      
      依据工况中供能对象的冷、热、电负荷特性,可以通过以热定电、以电定热以及基本电负荷定电等三种方式确定机组装机容量。结合本文主题是考虑在IDC中的应用,我们修正定义为:以冷定电、以电定冷、基本供电保障三种方式(见表3)。
      
      (7)动力选择区分
      
      提起CCHP,大多数人对燃气内燃机和燃气轮机这两种驱动能源方式概念比较模糊,无法准确区分和选择项目的动力设备。表4简单地介绍出了二者的优缺点。
      
      IDC项目的动力方式多采用燃气内燃机作为分布式能源的主动力设备,烟气热水型溴化锂机组做制冷输出,本文后续主要描述的是燃气内燃机分布式能源系统的应用。
      
      (8)燃气内燃机分布式能源系统典型工艺路线
      
      ①典型工艺路线
      
      燃气内燃机冷热电分布式能源系统的余热形式有高温烟气和缸套冷却水、润滑油冷却水三种。
      
      对应余热利用设备仍为余热锅炉、吸收式空调机组和热交换器(烟气-水型、水-水型)。根据余热设备不同,分别介绍三种典型的工艺路线,基本可以涵盖不同工艺路线的内燃机冷热电分布式能源系统的特点:
      
      燃气内燃机+烟气热水型吸收式空调机组(补燃)+缸套水换热器;
      
      燃气内燃机+烟气余热锅炉+蒸汽吸收式空调机组+缸套水换热器;
      
      燃气内燃机+烟气-水换热器+热水型吸收式空调机组+缸套水换热器。关于IDC应用中的CCHP可以增加电制冷机组,燃气溴化锂机组等进行备份、等级需求和负荷调节。
      
      ②IDC匹配的经典CCHP方案(见图2)
      
      IDC应用典型方案:燃气内燃机+缸套水热交换器+烟气热水型溴化锂空调机组系统工作原理:燃气内燃发电机在生产电力的同时,产生了400~500℃的高温烟气和80~110℃的缸套冷却水、40~65℃的润滑油冷却水。工况时,高温烟气和高温缸套水进入吸收式空调机组,向系统提供冷冻水,不足的热量先通过补燃提供。
      
      主要特点和适用条件:燃气内燃发电机发电效率要高于燃气轮机和微燃机。但不足的是余热形式中,高温缸套水和润滑油冷却水占的比重较大,其品质远低于高温烟气。高温缸套水适用性较广,可用于驱动溴化锂机组制冷。但润滑油冷却水受其温度的制约,只能适用于生活热水场合(若需要)。
      
      2 IDCT3/T4不同等级下CCHP应用设计
      
      (1)Uptime Institute Tier Standard等级定义Uptime Institute Tier Standard:Topology是将特定机房的基础设施设计拓扑的功能、容量和预期可用性(或性能)与其他单一机房或一组机房进行对比的客观基础。Standard根据冗余容量组件和分配路径不断增加的级别来区分四类机房基础设施拓扑的标准。
      
      (2)Tier 3:可并行维护的机房基础设施——基本要求
      
      ①可并行维护的数据中心拥有冗余容量组件,以及多个独立分配路径来为关键系统提供服务。任何时候,只需一个分配路径为关键环境提供服务;
      
      ②所有IT设备均为双电源供电,并且合理安装以兼容机房架构的拓扑。如果关键环境不满足这一规范,则必须采用使用点开关等传输装置;
      
      ③为“N”容量储备12h的现场燃料存储。
      
      (3)Tier 4:容错机房基础设施——基本要求
      
      ①容错数据中心拥有多个独立的物理隔离系统来提供冗余容量组件,以及多个独立、不同、激活的分配路径同时为关键环境提供服务。冗余容量组件和不同的分配路径配置时应采用的原则是,任何基础设施出现故障后,“N”容量均会为关键环境提供电力和冷却;
      
      ②所有IT设备均为双电源供电,并且合理安装以兼容机房架构的拓扑。如果关键环境不满足这一规范,则必须采用使用点开关等传输装置;
      
      ③补充系统和分配路径必须相互物理隔离(分区化),以防任何单项事件同时影响两个系统或分配路径;
      
      ④需要连续冷却;
      
      ⑤为“N”容量储备12h的现场燃料存储。
      
      (4)T3/T4等级下的CCHP电力和制冷架构(见图3和表5)
      
     
      

    3 CCHP项目系统设计
      
      (1)项目基本数据调查(见表6)
      
      (2)假设项目设计案例
      
      ①根据工程经验对数据中心能耗的估算
      
      项目地址:江苏-苏州,假设数据通信设备能耗为1,则电源系统能耗(线损、不间断电源能耗等)约占设备能耗的11%,所需空调冷量(通讯设备散热、UPS散热、电池散热、办公人员、机房辐射热量)约为设备能耗的1.2倍,采用溴化锂制冷方式,制冷空调系统的耗电量估算约为1%,冷却水及冷冻水输配电系统能耗约为0.1,空调末端系统能耗约为14%,照明负载为21.5瓦/平方米,合计数据中心总耗电为36716kW,总制冷量为31860kW。数据中心冷电比为0.863左右。
      
      此数据中心项目机柜数量为6000个,机柜功率为4.4kW/台,每台机柜占地面积4平方米,人员数量100人,每人办公面积15平方米。数据中心用电功率和制冷量需求估算见表7。
      
      PUE反映的是为满足IT设备的供电要求,数据机房的总供电率,PUE值越小越好,PUE值越趋近1,表明数据中心绿色化程度越高。
      
      ②卡特彼勒G3516H天然气发电机组三联供方案及冷电比
      
      根据数据中心用电负荷以及制冷量的需求,推荐使用20台1990kW卡特彼勒G3516H天然气发电机组,其中18台为主用机,另外两台为备用机,此设计方案目的是为了保证机组在故障检修或维护保养时仍然有足够的机组输出电力给数据中心。卡特彼勒G3516H天然气发电机组的参数见表8。
      
      ③相匹配的溴化锂机组参数(见表9)
      
      采用燃气内燃机组提供接近100%的空调冷负荷,“以冷定电/以电定冷”选择机组数量及输出功率,电力缺口由市电来承担/多余冷量出售,此方案可以最大程度的实现CCHP系统能源的完全利用,系统效率最高。
      
      故G3516H机组分布式能源方案冷电比系数见表10。
      
      ④方案总述(见表11)
      
      ⑤CCHP公用需求边界条件(见表12)选择方案B,采取以冷定电的方式进行设计。
      
      ⑥CCHP机房监控管理系统和DCS控制系统
      
      数据中心对电源、空调等设备运行状态进行管理,同时还对机房内环境,如温湿度、漏水、烟感等参量进行监控,确保数据中心工作在一个正常的范围之内。并对数据中心设备运行参数和环境量实时监控和管理,同时远程监控和管理,实现机房无人值守。DCS控制系统的高度集成化和自动化,大幅的减少运维人员的数量,节约成本。
      
      ⑦节能减排分析
      
      采用清洁一次性能源天然气作为三联供功能燃料,该方案能实现能源的梯级利用,充分利用发电热,就地供电、供冷,可大幅度减少粉尘、CO2、SO2等污染物排放,该方案每年可减少粉尘排放约为1亿吨以上,减少CO2排放1.5亿万(13万)吨以上,减少SO2排放1000万(7000)吨以上,减少NOx排放为620万(3552)吨以上。
      
      4 CCHP投资运营经济分析
      
      (1)设备投资费用
      
      选择方案B,以2000kW燃气内燃机和匹配的溴化锂机组约763万/套,江苏苏州燃气成本2.9元/立方米为依据,设备投资费用见表13。
      
      (2)系统经济性能评估
      
      表14~表17分别为运行成本与收益、年维修成本、年制冷收益和投资收益静态收益周期为7.5年,由于本项目地江苏苏州地区,具体的燃气价格没有通过大客户需求正式的价格,所以采用的价格偏高,市电平均电价为0.75元,方案中发电时间是8:00-24:00,真实的市电成本会高于平均电价,项目静态回收周期较长;若燃气价格在2.5元/立方米时,回收周期为:4.2年。
       
        

    项目经济计算和相关地方信息做了进一步确认,可以作为大家对项目投资预算的一个参考文本。此次修改了相关的上网电价:0.75元更准确,燃气价格:2.9元(江苏苏州);年度运行时间为:16h/天×300天=4800(h/年),经济技术模型更加准确。
     
      因此项目的经济性主要依赖于燃气的价格和市电基本价格,本案例计算采用的是项目初始投资静态回收型模式,对建设单位IDC项目中需要投资的第二路市电成本,未考虑在内。若计算本项目的增量投资回收周期和经济分析时,应减去原有第二路市电容量投资建设费用和基本容量申请费用,此时计算CCHP在IDC项目的回收周期时,回收周期可以估算降低2至3年,即整体项目增加投资回收周期约4.5-6.5年,当然在实际运行中可以通过调整运营策略来提供项目的收益率。
      
      5 CCHP运营机组保养维修注意事项
      
      (1)每日工作
      
      ①查漏(冷却液,机油,空气,沼气,减振器硅油有无漏些);
      
      ②放冷凝水(对预处理或者有储压罐装置);
      
      ③注意不正常的噪音;
      
      ④检查就地显示中冷却水,缸套冷却水压力表;温度表;
      
      ⑤检查每个机组曲轴箱滑油观查镜油位,运转油位要求最低和最高之间。如果电磁阀红灯亮就说明要补油。滑油补油系统:从补油柜到各机组补油管各阀在正常位置,才可实现自动补油;
      
      ⑥检查空气过滤器压差(大于10MBAR需要更换);
      
      ⑦记录工作日志。机组报警可查主控界面,也可到控制柜上查得,对照中文说明代码,确定报警类型,处理报警,不可简单复位再起动机组。
      
      (2)每周工作
      
      测量一次火花塞点火电压(12-32kV之间):注意只能机组在满负荷运转时测量。建议如果火花塞点火电压超过27kV,则拆出调整间隙后再用,扭力为40Nm。
      
      (3)每月工作
      
      ①检查启动电池电解液浓度及液位,必要时添加电解液或者补纯净水;
      
      ②检查每个控制柜滤网,必要时更换或者清洁;
      
      ③根据要求采集油样分析确定更换滑油。
      
      6 结束语
      
      燃气冷热电三联供CCHP涉及多个学科,技术密度和专业性较高,对专业人才的需求也特别高。IDC的用电及制冷工况和三联供的能源阶段利用非常匹配,但是项目落地应从企业社会责任、单位GDP碳排放、清洁能源发展、燃气原料的价格、市电电费的均价、项目运营效率等各个方面综合考虑,项目运营中的运营优化和调整也会提高项目的收益率。
      
      实施方案的CCHP采用模块化,可以依据IDC业务的发展进行增加,减少项目的投资风险和资金占有费率,缩短项目的投资回收周期。本文未对CCHP应用中的燃气管线勘察、烟气脱硝处理、机组应用运行维护做相应的展开讨论,具体项目实施中应对此部分进行考虑,纳入整个项目的范畴。
      
      作者简介
      
      李建利,江苏磐石机电技术有限公司,IDC资深电气工程师,丰富的行业经验,具有大型IDC项目能源架构和设计能力,参与多个大型T3/T4等级IDC项目全生命周期工作,并担任重要角色。
      
      编辑:Harris
      

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