燃气内燃发电机及冷热电三联供系统在数据中心的应用浅析

2011-08-08任华华马克利普尔中国惠普有限公司北京100022

智能建筑电气技术 2011年5期

任华华 / 马克· 利普尔（中国惠普有限公司，北京 100022）

1 引言

随着中国经济的发展，其能源消费结构也发生了很大的变化，以煤炭为主的一次能源结构将逐步地被以清洁能源为主的一次能源结构代替。天然气作为一种洁净气体燃料，具有更多的优点：热值大、燃烧效率高、容易燃烧、基本上没有导致酸雨的SO2、几乎不产生NOx。与产生同热量的煤和油相比，所产生的CO2（温室效应的主要原因）最少。因此，天然气被优先选为城市能源使用。热能发电，利用低品位的热能采暖和制冷，提高了一次能源的利用率。如本文介绍的能源站的发电机组，其额定工况下的发电效率40%、热效率47.8%、总效率87.8%。

2）系统建造靠近用户终端，便于调节，通过燃气内燃机冷热电联供，供冷以电制冷和热力制冷互为备用。供热以燃气直燃供热和余热供热互为备用，供电以市电和自发电互为备用，系统同时满足冷热电需求，运行可靠，经济性好。

3）系统排放物具环境友好性，由于最终排出烟气温度低（额定工况下为120℃），造成的热污染小（一般锅炉的排烟温度为180℃～220℃），在城市中可以减小“热岛效应”；另一方面，由于使用天然气为主要燃料，烟气中SO2和NOx含量相对较低，对环境的废气污染小。

另外，冷热电三联供（CCHP）系统对市政电网和天然气管网有“削峰填谷”的作用：夏天系统发电和余热制冷可减少对电网电能的需求，削减电网夏季高峰用电量，同时填补天然气的用量低谷，实现削电峰填气谷的作用；冬天燃气内燃机高温烟气的余热利用，可削减冬季天然气的用量高峰，因此将产生良好的社会效益。

2 冷热电三联供（CCHP）系统的特点

3 数据中心的负荷特点

冷热电三联供（CCHP（Combined Cooling,Heating & Power））系统的主要优点如下：

1）系统使用燃气轮机或燃气内燃机，将一次能源——燃料的化学能生成烟气的热能，按品质分别转化为二次能源——电能和蒸汽热能，进而实现对一次能源（燃气）的最合理的梯级利用。利用高品位的

3.1 数据中心冷负荷

数据中心不同于一般的民用建筑，电子信息设备及其他辅助设备的发热量大，且全年7×24h不间断运行，设备的散热量约占总热量的80%以上；主机房属于建筑内区，新、排风量很少，因此受外界气候等条件影响较小，主机房的冷负荷全年变化幅度小。数据中心建筑总冷负荷受围护结构的影响小，全年冷负荷波动范围统计约为0.80～1。

数据中心对制冷的可靠性要求也不同于一般民用建筑。对于A级机房，国标GB50174-2008中有明确定义：机房内的场地设施应按容错系统配置，在电子信息系统运行期间，场地设施不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修导致电子信息系统运行中断。制冷系统必须满足该功能，才能达到A级机房的要求。1.1（夏季制冷高峰期电价谷段电冷比约1.26，此段用电冷，不存在内燃机发电量和制冷量的平衡问题），燃气内燃发电机与双效吸收式冷水机组联合运行的冷热电三联供系统电冷比同样约为1.1。因此对于数据中心项目，采用“以冷定电”，正常运行时几乎不需要市电补足；采用“以电定冷”，正常运行时几乎完全利用燃气内燃发电机的余热，不需要补燃。

因此，冷、热、电三联供系统适合于数据中心项目。

3.2 数据中心电负荷

3.4 发电机组的选择

电子信息设备及其他辅助设备全年7×24h不间断运行，电力负荷受时段的影响小。

数据中心建筑全年电负荷波动范围统计约为0.80～1。

3.3 冷热电三联供系统在数据中心项目的适宜性

数据中心的电子信息设备一旦宕机，会造成较大影响和重大经济损失。电子计算机房主机设备、服务器、通讯设备等属一级负荷中特别重要负荷，因此数据中心用电和空调系统的安全可靠性必须放在第一位，电气及机械空调方案须满足供电和供冷的安全可靠；同时数据中心项目具有全年基本稳定的冷负荷和电负荷，耗电量高、空调负荷大，优化机电方案对节能减排具有重大意义。

冷、热、电三联供系统通过燃气发电机冷热电联供，将一次能源——燃料的化学能生成烟气的热能，按品质分别转化为二次能源——电能和蒸汽热能，进而实现对一次能源（燃气）的最合理的梯级利用。利用高品位的热能发电，利用低品位的热能采暖和制冷，大大提高了一次能源的利用率。供冷以电制冷和热力制冷互为备用，供热以燃气直燃供热和余热供热互为备用，供电以市电和自发电互为备用，系统同时满足冷热电需求。

目前对于冷热电三联供系统的发电量多余部分，电力能源政策为“并网不上网”。电负荷与冷负荷之比为电冷比。多数机场、学校等的电负荷远大于热（冷）负荷，因此该类民用建筑的三联供系统采取“以热（冷）定电”的原则配置发电机并进行系统设计。根据上述数据中心的负荷特点及负荷计算的统计数据，采用冷热电三联供系统的数据中心电冷比常年约为

燃气内燃发电机组利用天然气为燃料提供电能，机组的优势为：可以使用较低压力的燃气，适应城市输气管网条件，做到尽量靠近负荷中心；设备简单、维护方便，可以在现场完成大修，减少机组停机时间，节省维护费用；内燃机是目前热能—机械能转换效率最高的动力设备之一，在额定工况下发电效率约为35%～45%，部分负荷工况下也能维持较高的发电效率，适应变负荷进行调节的经济性比较好；设备的单位千瓦造价较低；启动快，0.5～10min 即可完成启动。内燃发电机组的不足为：燃烧低热值燃料时，机组出力明显下降；需要频繁更换机油和火花塞，消耗材料比较大，对设备利用率影响比较大，有时不得不采取增加发电机组台数的办法，来消除利用率低的影响。

燃气轮机发电电压等级高、功率大、供电半径大；余热利用较简单，出口烟气温度较高、氮氧化物排放率低；体积小、运行成本低、寿命周期较长（大修周期在5 ～7万h左右）。燃气轮机的不足为：输出功率受环境温度影响较大，除个别机型外，发电效率较低；进气压力要求较高，需要次高压或高压燃气，单位投资较大；正常情况下利用市电作为机组的启动电源，在停电启动时需配备一台小容量的启动用发电机组，启动时间较长。

数据中心项目选择燃气内燃发电机组还是燃气轮机，需综合考虑设备性能、初投资、运行维护等因素：

●与负荷的适应性：数据中心项目的冷、电负荷比＜1，燃气内燃发电机组的冷、电比＜1.1，燃气轮机的冷、电比＞1.5。

● 数据中心项目电负荷全年波动幅度小，燃气内燃发电机组的出力随外界温度变化很小，燃气轮机在外界温度变化时发电量波动达20%。

● 燃气内燃发电机的发电效率及部分负荷效率高于燃气轮机。

● 燃气内燃发电机使用天然气的压力为0.012～0.02MPa，可以从中压管网接气。调压箱占地较小，与周围建筑物的安全距离较小；燃气轮机使用天然气的压力为1.4～1.8MPa，双路供气需从周围2.5MPa 和4.0MPa 管线上接气，调压箱占地较大，与周围建筑物的安全距离较大。

● 燃气内燃发电机组启动速度快。

综上，数据中心项目采用燃气内燃发电机组更为合适。

4 数据中心项目CCHP系统的负荷确定和设备配置

4.1 数据中心的负荷情况

本文以具体的数据中心项目为例，对燃气内燃发电机及冷热电三联供系统的应用作分析。该数据中心项目建设地点在北京，IT负荷统计为15164kW，一期IT负荷7660kW。

4.2 冷热电三联供（CCHP）系统的主要设备选定

根据项目的冷、电负荷，热力制冷系统配置850RT 的烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组（100%补燃）8+2台，电制冷系统配置1250RT 的离心式冷水机组6+2台，两套系统均采用一、二次泵系统。电制冷系统配置水侧串联节能器，充分利用冬季及部分过渡季的自然冷量。冷冻水的供水温度为 12℃，回水温度为 18℃；冷却水侧采用冷却塔与冷水机组一对一配置；冷却水补水池设置在站房地下，一旦市政停水，补水池满足冷却塔12h连续补水需求。燃气内燃发电机配置双路气源。