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数据园区应用联供系统的分析与实践
  • 中国数据中心爆发式增长,导致数据中心行业能耗急剧增加,寻求多能源解决方案成为一种内在需求。冷电联供系统作为一种分布式能源,与数据中心的电力、冷源系统有较好的匹配度,将联供系统与复杂的数据中心能源系统进行匹配对接,并保持长期运行需要精细的方案和严格的管理能力,本文以国内的一个实用案例进行匹配性、安全性、运行维护、经济性等方面进行全面剖析评估,建议联供系统可以试点但暂时不宜推广。
  • 1 数据中心的能耗情况和能耗特性
      
      数据中心是指一个拥有完善基础设施(包括高速互联网接入带宽、高性能局域网络、安全可靠的机房环境等)、专业化的管理、完善运营的服务平台。目前数据中心按用途可以分为互联网数据中心(IDC)和企业级数据中心(DC)两类,按规模可以分为数据园区(2个以上独立机楼,4000机架以上)、大型数据中心(1000机架以上)、中型数据中心(500~1000机架)、小型数据中心(500机架以下)四级。目前行业中所讨论的数据中心,一般是指互联网数据中心。
      
      从全球范围来看,2018年信息和通信技术的总耗电量大约占全球耗电总量的8%,数据中心的能耗约占ICT行业总能耗的33%,也就是数据中心能耗在社会总电能的占比为2.7%。根据Andrae的调查报告,在全球范围内数据中心能耗将从2015年的0.9%上升到2025年的4.5%。2018年美国的数据中心能耗占全国总电量的3%左右,但由于最近数据中心在美国的发展放缓,其总能耗水平趋于平缓,见图1。

    中国在互联网应用上的巨大成果,催生了大量的商用数据中心的建设和运行,在过去的5年间,世界上接近50%的新建数据中心在中国,这也导致了中国数据中心总能耗的急剧上升,2012我国数据中心能耗高达664.5亿kWh,占当年全国工业用电量的1.3%,2015年我国数据中心能耗超1×10^11kWh,占全国总用电量的1.5%。由于数据中心的高速增长,并且数据中心密度功耗不断增加,预计到2020年,我国数据中心总耗电量将超过2.5×10^11kWh。以目前的发展趋势,由于中国发电总量增速不大(见图2),中国数据中心能耗在全国总电量中的占比,也将逐步上升至2%左右,但与国际平均水平依旧有差距。能耗总量的大幅增加,使得寻求多能源解决方案成为行业内的一个亟需解决的问题。
      
      数据中心内部能耗,是一个(电→热)+(电→冷)=0的对冲过程。一般冷量需求略大于IT的发热量,由于数据中心常年趋于稳态的连续工作,IT的发热量基本稳定,而冷量需要与IT的产热量平衡,同时需要抵消建筑热和其他设备或人的热量,所以数据中心的冷量在全年中有小幅的波动。以中国上海的气候条件为例,设定IT发热量为1,冷负荷在全年的8760h的冷电比波动模拟图如图3所示。
      
      从图3中可以看出,一年中冷负荷的峰值在7~8月,一般为1.2左右,最低值在1~2月,谷值约为0.8左右,年度波动在±20%以内。如地域性气候环境及建筑保温情况良好,其波动将更小。
      
      2 三联供系统与数据中心能耗的耦合性
      
      冷热电三联供CCHP(Combined Cooling,Heatingand Power),是以燃料驱动热机(包括内燃机、燃气轮机、微燃机等),再带动发电机产生的电能,排出的余热烟气通过回收设备(直燃冷机、换热器、余热锅炉等)向用户进行供热、供冷。这种方式对化石能源进行梯级利用,有效提高一次能源的效率,见图4。还可以提供电力并网削峰填谷,具有一定的社会效应。一般内燃机的输出机械效率为30%~40%,但实际应用中效率更低,一般柴油发电机每kWh发电量的耗油量在220~240g,以平均值230g计算,其效率最高也就40%。而三联供由于废热的梯度利用,能源热值的利用率可达80%以上,对于节能减排具有先天的优势。但近期,部分学者认为三联供在气源供给、发电并网、余热远供、价格政策等方面的问题,并不能充分发挥三联供系统的优势。这些确实也是需要通过合理的手段进行方案优化和政府的政策扶植来加以解决。
      
      三联供系统由燃机推动发电机发电,余热供给溴化锂机组进行制冷,冷电比接近1:1,与数据中心的冷电比非常接近。在数据中心中应用,发电的电压等级为10kV为宜,直接并入数据中心的10kV高压侧,冷量输出以冷冻水方式,可以直接与现在的数据中心水冷系统并网,在利用上最为方便。
      
      三联供系统原则上有三类能源输出,电、冷为数据中心的核心需求,对余热部分,一般园区内人员稀少,无法通过日常生活区的需求消耗掉,而余热的低温特性,也较难远距离输送,因此这部分能源一般只能就地排放。
      
      3 数据园区采用联供系统的匹配和对接方式
      
      冷电联供系统较为复杂,设备类型繁多,运行中参数相互依赖和制约,系统匹配难度大,因此建议使用在规模比较大的数据园区,园区的基本能源来源依旧为市电,联供系统的规模可以供给园区的N个楼的其中1~N个机楼,规模选择性很大。这样不会造成系统匹配的难题无法解决,也会增加数据中心运行的可靠性。一般建议联供系统的发电量不小于2MW,规模过小的系统,建设流程和运行管理都会遇到巨大难题。
      
      在系统匹配上,联供系统输出的冷、电比例与机楼的实际需求不会完全耦合,尤其是机楼在年度中的冷电比也是一个动态值,因此有2个匹配方法,即电定冷和以冷定电,在居民生活区中的应用系统,2种匹配方法都可行,但在数据中心应用中,由于2个冷源同时供冷的方式过于复杂,必须选择唯一冷源供冷,因此数据中心中必须采用以冷定电的匹配方法,电量调节依靠市电的弹性。
      
      以下以上海某机楼的联供系统对接为例,电力系统对接构架和冷冻水系统构架如图5所示。
      
      在能源对接构架中,由于电力并网不上网,可以通过逆功率保护器及发电机容量控制,保证电力输送方向为机楼,不会出现市电反击发电机和油机倒送市电,发电机的输出要小于机楼电力需求,一般发电机发电量小于机楼需求量200~400kW,以保证电流流向。在冷冻水对接构架里,联供系统的冷冻水不直接与机楼内的水系统直接对接,以避免联供系统漏水故障导致机楼水系统事故,用板式交换器隔离两个系统来确保安全,板式交换器的温差控制以≤1℃为宜。这样的构架,最大限度保证机楼的安全性,又能保证系统容量调节的灵活性。
      
      在自动控制方面,电力系统各自完成相应的信号采集和保护控制,电力容量数据相互沟通。冷源系统,机楼和联供溴化锂机组分别自成系统控制,交互信号以机楼的末端水温和压力信号为主控,机楼有权决策联供系统的供水和断供,溴化锂机组完成启动和水温标准后申请对接,机楼BA允许后切入并平滑关闭电冷机;当机楼在预先决策切出或发现溴化锂机组故障信号或冷量不足后,立即启动电冷机并切出联供供冷。这种切换方式,确保了机楼的电、冷供应,电力切换无感知,冷切换平滑可靠。
      
      4 某数据园区应用案例
      
      (1)数据园区基本情况
      
      数据园区占地为67000m2,规划5座规模相仿的数据中心机楼,总规划机架数5000个。现园区内3个机楼投产,单机架功率6~8kW。园区有2个35kV变电站,4路进线,单路容量20000kVA配置。每个机楼2N的10kV/400V系统双路互备,每路容量10000kVA,柴油发电机5台2MW全量后备;冷源2.8MW的6台冷机,最大可达16.8MW冷量供给,三个制冷系统完全隔离,主用2个系统,备1组。
      
      园区在规划初期未规划三联供系统,无论是园区土建、管线沟等最基础的设施,还是机楼内系统的配电、冷源等方式,都按常规需求设计。2015年底1#机楼已经投产后,才开始进行三联供系统的方案论证和建设工作,2016年12月联供正式投产运行,是国内到目前为止唯一一个在数据园区全负载运行的联供系统,至今已经安全运行1000天,见图6。
      
      (2)机楼电源系统架构:
      
      ①园区内每个数据中心楼设计容量6~8MVA,楼内一般设10kV/400V变压器8台,容量为每系统2500kVA。4路市电为甲路,4路市电为乙路,每对相互保护;
      
      ②柴油发电机组为10kV中压机,5~6台并机输出,单台后备容量为2000kW;
      
      ③400V侧市电甲路与乙路在低压配电室用联络开关操作实现,部分末端设备甲乙路切换由现场ATS实现。
      
      (3)机楼冷源系统架构:
      
      ①数据中心楼内冷源三个独立系统呈V字形布局,中间的系统可以对两侧的系统进行切换保护。每个系统的水管路管完全独立,各末端空调可以决策从2个水系统之一取冷;
      
      ②每组冷源系统为2台800~1000冷吨冷水机组和泵组、冷塔设备构成。
      
      (4)三联供能源站电源系统架构和冷源系统架构三联供能源站为统一规划,分二期建设。目前建筑和机位基础等全部完成,设备安装了一半,预计2020年扩容后可达100%容量。目前站内配置情况:
      
      ①目前三联供能源站电源系统架构:
      
      •容量为2500kW的2台活塞式发电机组;
      
      •运行时一台供甲路市电,另一台供乙路,能源站内2段10kV母线可本地母联;
      
      •确保并网不上网,10kV输出与园区35kV变电站10kV馈线柜进行并网,并以逆功率保护器控制市电不倒送。
      
      ②目前三联供能源站冷源系统架构:
      
      •2台溴化锂吸收式冷水机组,单机容量3050kW(其中350kW为补燃容量);
      
      •三联供系统的冷冻水系统与机楼冷冻水系统绝对隔离,采用板换进行换热,板换位置尽量靠近机楼;
      
      •2台板换热面积261.9平方米,1次侧7℃/13℃,2次侧9℃/14℃;
      
      •3台(2+1)扬程35m一次侧冷冻泵。3台(2+1)扬程44m二次侧冷冻泵。
      
      (5)运行模式
      
      数据园区的总电量需求为40000kVA,总冷需求为45000kW以上,三联供能源站容量目前的配置是无法满足的,未来扩容后也无法满足园区的全部需求,只能局部供应。联供系统的电力输送至园区高压站统一调度使用,冷水系统需要布置管道才能与原来机楼系统对接,目前根据容量至对接了1#机楼。考虑到安全性和经济性,在电价的谷值是非常不经济,机组目前只在电价的峰值和平值时开启,系统一般在06:00~22:00运行,夜间关机。这样就决定了三联供系统在数据中心与市电共同使用中,一定是每日双切换,甚至是四切换,对如此庞大的能源系统来说,难度大,风险系数高。对于余热利用,运行近3年以来因需要增加换热器和水泵、管路等投资,而园区内实在无法消耗数百kW的热水,因此余热利用一直被搁置。目前园区周边的一个工厂需要热水,商务和改造方案正在进行中。
      
      5 经济性和安全性分析
      
      冷热电三联供系统非常复杂,系统内部存在的一些先天特性,决定了其安全性上的一些弱点:
      
      ①由于燃料为天然气,其供气安全性取决于燃气公司的管网,在园区大量储存气体是不现实的,也是更不安全的。因此连续供气并无绝对保障;
      
      ②为降低初投资,发电机一般采用活塞燃机,与燃料为柴油的机组不同,该燃机是有火花塞的,2000h需要更换,因此系统经常需要停机维保;
      
      ③溴化锂机组冷量调节能力相对较差,输出冷量与设计时的冷量偏差比较大;但设计放大容量的冷机,输出冷量过大后又容易造成水温过低保护停机。容量调节依靠补燃方式又是最不经济的。其冷量弹性依靠储冷罐也是非常有限的;
      
      ④冷冻水的水温从启动到满足水温对接的条件,一般需要40~45min,即三联供系统无法成为应急的备份冷源,一定要预先准备好开机。
      
      三联供系统的初期建设费用CAPEX一般为1~2万元/kW。而一般运行阶段的OPEX,每立方米天然气的发电量为3.5~4.0kWh,制冷量为4kWh左右,日常的运行数据可见表1。天然气的气价一般维持在2.8~3.4RMB/立方米,电价各地不同,以本案例所在地上海,非居民电价分为分时电价和未分时电价,见表2、表3。因此经济性需要分时进行计算。而冷量的价格,是以冷量与机楼的电冷机效率折算回电价,离心式冷水机组的COP达到4以上是非常容易的,因此这些冷量最多折算1kWh电量。
      
      

    由此,三联供的冷电部分的综合收益,只比燃料费用多20%~30%,在加之维护人员工资、设备例行维护费用等,收支平衡已经非常不易。有部分地区政府鼓励三联供项目进行政府补贴,但2000元/kW左右的补贴与初期建设费相比还是杯水车薪,且领取补贴的一些限制条件,使得项目申请补贴非常困难,本案例由于项目规划未完全建成,至今未获得政府补贴。
      
      6 结语
      
      随着大型数据中心和数据园区的发展,利用冷热电三联供系统寻求多能源解决方案是一条路径,对促进节能减排也具有重要作用。然而,通过本文的阐述和分析,我们可以清楚地认识到,在数据园区中应用三联供系统仍然存在一些技术问题无法解决。由于天然气价格和电价的问题,三联供系统的经济性受到了政策的极大影响,经济性很差,成本回收期可达20年以上;联供系统也很难成为数据园区绝对可靠的电、冷来源,目前只能作为能源的补充方式之一。因此,联供系统在数据中心的应用尚处于起步阶段,应以试点或示范的形式进行建设和运行,在实践过程中不断吸取经验教训,在安全性与经济性明显改善后,再大面积进行推广。
      
      作者简介
      
          钟志鲲,男,上海电信信息网络部安全管理处处长,教授级高级工程师,专业从事动力工作25年,主要研究方向为数据中心的动力、消防等基础设施的规划、建设、维护及现场安全管理,参与了数据中心的数十项节能技术的前期论证、实施和后期评估工作,有大量著作和论文。
      
      编辑:Harris
      
      

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