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数据中心三联供技术发展潜力
  • 本文主要介绍了三联供的技术应用背景,从长期及短期分别分析了数据中心采用三联供与市电+电制冷方案在碳排放、能源消耗、能源费用方面的差异。

    1 数据中心三联供技术背景
      
      燃气三联供技术起源于上个世纪70年代末期,在二十世纪初开始引入国内,大约在五、六年前在数据中心行业出现了尝试性应用。数据中心三联供技术是分布式能源在数据中心领域的一种应用。
      
      分布式能源是利用小型设备向就近用户提供能源供应的新型能源利用方式。小型(单机发电<50~600MW)是相对于传统大型发电厂的主用发电设备。
      
      依据2007年国务院批准了国家发改委、能源办《关于关停小火电机组的若干意见》,被关停小型火电机组的定义:①单机容量5万千瓦以下的常规火电机组;②运行满20年、单机10万千瓦级以下的常规火电机组;③按照设计寿命服役期满、单机20万千瓦以下的各类机组;④供电标准煤耗高出2005年本省(区、市)平均水平10%或全国平均水平15%的各类燃煤机组;⑤未达到环保排放标准的各类机组;⑥按照有关法律、法规应予关停或国务院有关部门明确要求关停的机组。
      
      由于淘汰落后机组,新建的火电机组绝大多数为单机容量为600MW或更大的超临界和超超临界机组。
      
      相对于已经逐步淘汰的燃油燃气车等,高达上千千瓦甚至是上百兆瓦的分布式能源又是一个庞然大物。
      
      与传统的集中式能源相比,分布式能源接近负荷,不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输送,可大大减少线损,节省输配电建设投资和运行费用;由于兼备发电、供热等多种能源服务功能,分布式能源可以有效地实现能源的梯级利用,达到更高的能源综合利用率。
      
      随着可持续发展科学发展观的贯彻,绿色、环保、发展质量越来越受到重视。新能源的比重将逐步提升。从图1可以看出,从2011年以来,火电发电量比例在逐年下降。
      
      2 数据中心三联供与碳排放
      
      很多朋友想当然就认为三联供必定比传统方案更低碳排放:
      
      ·有政策支持;
      
      ·大家都这么说;·综合能源利用率更高。
      
      政策支持的根本原因在于:
      
      ·削峰,缓解现有输配电网的压力;
      
      ·减少燃煤机组发电量,换用污染更少、更环保的天然气;
      
      ·部分城市不解其意,跟风,支持相关产业或者谋求相关利益。
      
      人云亦云的,就不去辩驳了。能看清表象的就不多,更不用说深层的真相了。
      
      三联供的综合能源利用率,确实看起来比单独发电的效率高,单独发电约在40%,综合利用率约>70%。能源利用率的提升,煤转气(数据中心三联供一般烧天然气),都将带来理论的碳排放减少。但是如果直接使用市电,大型发电厂难道就不供冷和供热了么?即使由于负荷匹配无法达到数据中心的完美,及大体量冷热量传输半径及需求匹配问题会带来综合利用率提升难度,但是以现有电力价格及利润预测平均电厂综合能源利用率应已达到50%。
      
      另一方面随着十三五规划的逐步推进,新能源发电比例上升,火电比例下降,火电中热电冷三联供比例上升,用能侧分担的平均电能碳排放量快速下降。从规划趋势来看,未来十年之内,单位kWh电能平均碳排放量,低于现有常规燃气三联供机组,将没有任何意外。
      
      从表1中可以更清楚地看出,火电发电量虽然逐年上升,但所占比例却在逐年下降。这种下降趋势是不可逆的。
      
      当火电比例在未来十年下降到45%以后,新能源无论是水力/核能/太阳能,都将导致直接使用电力碳排放量将接近下降一半。其效果等同于综合能源利用率达到100%时的天然气排放量,而这显然会导致十年后数据中心三联供的排放量将大于采用市电直供。
      
      从短期来看,数据中心应用燃气二联供机组,能够减排的重要原因并不仅是能源综合利用率的提高,由燃煤换成燃气,也将是减排的重要因素之一。
      
      众所周知,由于天然气,燃烧效率更高,更容易充分燃烧,单位热值排放污染物少,而成为比传统燃煤更清洁的能源。根据IPCC-2006及相关经验数值,天然气含碳量15.3kg/GJ,标煤含碳量25.8kg/GJ。
      
      同样的能源利用率下,数据中心以天然气为一次能源的燃气三联供方案将比传统直接采用电能方案减排超过40.7%。考虑综合能源利用率提升20%(50%至70%),对于常规典型大型数据中心,以市电100%来自火电计算,三联供减排约45.6%,以2018年市电平均70%来自火电计算,三联供减排约22.3%。
      
      从短期及上述数值来看,数据中心应用燃气二联供机组,能够减排的重要原因并不仅是能源综合利用率的提高,更重要的原因在于由燃煤换成燃气,这带来了短期减排量的90%以上。
      
      从长期来看,预计八年后,2026年火电比例54.4%,数据中心三联供碳排放量将与市电直供相当。十年后三联供将成为不减排的方案。
      
      3 数据中心三联供与节能
      
      在笔者的《大型、超大型数据中心选用燃气二联供的若干问题》一文中,介绍了燃气二联供及相应的方案对比计算与选择原则。
      
      由于天然气及电能属于不同级能源,我们将电能换算成与天然气同属一次能源的标煤,来计算热值损耗,以此来对比常规典型大型数据中心燃气二联供(方案B)与市电直供(方案A)的能源消耗(见表2)。
      
      根据表2测算可知,以目前电力构成,数据中心三联供方案B并不比传统市电方案A节约能源,反而传统方案节约能源25.8%,且随着后期新能源占市电比例的上升,节能比例将持续上升。
      
      反人类直觉的原因是太阳能和风能未计入耗能考核,相当于有10%的电力节约,水电能源利用率计入了80%,也相当于提升了能源利用率。(虽然表2只测算了电力,约1.24个单位it用电量的冷量消耗在方案A中只有0.12的压缩机电能,而在方案B中通过吸收机组能效系数(0.9~1.8)变成了约(1.38~0.69)个单位的热能消耗,但却不影响能源热值换算的标煤消耗。)
      
      即使把太阳能和标煤放在同一能级上,传统方案A依然节能7.8%。但将随着后期太阳能电力占市电比例的上升,节能比例将下降(太阳能效率太低,但是太阳能未有效利用的比例更大),甚至B将节能。表3是按2018年各类能源耗量的统计。
      
      4 数据中心三联供与省钱
      
      在笔者的《大型、超大型数据中心选用燃气二联供的若干问题》一文中,已详细讨论过,如表4为不计入工程成本下的燃气价格与电力单价的对照表。
      
      说明:*1:典型应用中B会考虑补燃等,并且检修维护等会造成联供运行时间缩短,导致方案对比量差距会缩小。
      
      *2:暂不对比两个方案冷却水泵、溶液泵等用电量差异带来的变化,后期修正。
      
      *3:标煤耗量=需求热值/效率。
      
      *4:市电中按全国平均发电能力火电70%,水电20%,2%核能,风能+太阳能8%。
      
      *5:风能+太阳能由于高于一次燃料,且资源丰富,其消耗量不计入节能审核。
      
      此种情况下,零利润,免费做贡献。而实际上考虑十年回收期,0.8万元/kW的投资成本,年资金成本5%,(按等额本息计算)每月74元/kW,每kW容量十年平均每月发电量,按照年均4000h计算,每度电增加成本0.222元,或者相当于燃气成本价应再下降0.7548元,则达到盈亏平衡。如果再考虑维护成本及利润……,情况将更加恶劣。如果有具体项目信息欢迎据实咨询与计算。
      
      5 数据中心三联供应用潜力分析
      
      如前所述,数据中心采用三联供,将在2026年后将不具备减排优势和节能优势。
      
      当常规电价为0.952元/kWh,供应商燃气价低于2.5元/m3,将可能达到盈亏平衡点。低于2.16元/m3,将可能分享到0.05元/kWh电的节钱优势(50%需求和供应对开)。
      
      那么三联供在数据中心的突出优点是什么?
      
      解决电力及能评困境。能评是短暂优势,一个周期项目运营周期十年后环保优势不在,节能优势一开始就不在(估计可以存活十年,十年后肯定也不鼓励了,对于极度发达地区:①相当于把电厂搬入范围内,实际排放和能源消耗大幅增加;②综合效率比不过电网,实际排放和能源消耗增加),电力困境可以缓解电网建设负担,尤其是不发达地区和极度发达地区。
      
      6 结束语-笔者寄语
      
      原来数据中心三联供竟然大多数时候不节能,不减排,不省钱。如果没有特殊原因(电力困境),如果没有足够低的气价支持(低于2.3元),请勿随便尝试。
      
      作者简介
      
      福哥:付宝福,国家注册公用设备工程师,发愿生命不息向善不止的数据中心基础设施资深人士,专注于数据中心全寿命周期运营优化,竭力探索数据中心高效与永续运行之路。
      
      编辑:Harris
      
     

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