数据中心LNG冷电联供系统性能的对比分析

许婧煊，林文胜

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

数据中心（Internet Data Center，IDC）最直观的用途是用来存储数据，数据中心发展到现在，已经变成了一整套复杂的设备，它不仅仅包括计算机系统、存储设备和其它配套设备，同时还包含数据通信设备、环境控制设备、监控设备和安全报警设备[1]。目前中国的数据中心总数已经超过了64万个，IDC机房耗电将超过每年500亿度，折合标准煤约每年1,630万吨，已经占到我国全社会用电的1.5%[2-3]。近年来，大量体积小、处理能力快、功能强的高密度机架服务器和存储服务器应运而生[4]。最新数据表明，5年内我国IDC平均能耗将达到3,000 W/m2[5]。IDC机房的能耗主要包括4个部分：IT设备用电、变压器/UPS供电系统、空调系统（制冷系统、通风及加湿系统）、照明设施。其中前3部分占到IDC机房能耗的90%以上，标准机房中空调制冷系统耗电占总能耗的25%，现有机房实际运行中的能耗达到了36%左右的占比，由此可以确认空调制冷系统的能耗过高是IDC机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值偏大的主要原因。而分布式能源系统可以大大提高能量效率。

分布式供能系统位于用户侧，它是以天然气、太阳能、地热、风能、生物质能以及其他可再生清洁能源为一次能源，在能源梯级利用的基础上，将冷、热、电一体化的多联产供能系统[6-9]。因其具有靠近用户、梯级利用、能源利用率高、能源供应安全可靠、环境友好、社会效益和经济性好等优点而受到广泛重视[10-15]。

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）以其高效节能、体积小、运输方便、清洁环保等特点而受到世界各国的关注，成为重要的战略储备能源。采用LNG供能，可以使数据中心建设摆脱电网和天然气管网的制约，为数据中心建设提供了更为便捷的条件。此外，LNG气化时释放大量冷能，约为830 kJ/kg[16]，这些冷量可以通过多种途径加以利用，当然也可用于为空调系统供冷。所以选择LNG作为分布式能源的一次能源无疑是提高能量利用率的又一有效办法。

1 数据中心负荷设定

数据中心的信息系统电力峰值225 MW。采用分布式能源系统供能时，取消IDC的常规空调主机、冷却塔等设施，并将IDC内的不间断电源由在线式转为后备式后，IDC内交换机、照明、空调送风设施、配电设施损耗峰值负荷25 MW。LNG设施用电峰值负荷2 MW。3项合计，IDC峰值电力负荷252 MW。

IDC电力负荷最终全部转化为热能，其中95%需要由空调系统带走，IDC峰值冷负荷为240 MW。

2 数据中心供能系统方案

2.1 常规电力供能系统

常规电力供能系统不是本文研究重点，这里简单估算其能耗供后继对比分析。

IDC信息系统电力来自电网，消耗电力为252 MW。空调系统采用常规的电力驱动的蒸气压缩式制冷系统供冷。取制冷系统能效比（Coefficient of Performance，COP）为3.5，则消耗电力为69 MW，总耗电321 MW，即小时电耗321 MWh。中国目前的火力发电厂发出1度电平均消耗标准煤320 g，则耗煤量为130 t/h。

2.2 天然气发电结合吸收式制冷系统

常规电力供能系统依赖于电网供电。如采用天然气分布式能源系统供能，则数据中心的建设可以不受电网供电能力的限制，因而是一种很有意义的形式。

2.2.1 发电系统

2.2.1.1 主机与燃料

天然气冷热电联供系统按原动机形式的不同，主要分为内燃机驱动冷热电联供系统、燃气轮机驱动冷热电联供系统、微燃机驱动冷热电联供系统和燃料电池驱动冷热电联供系统4种形式。

目前4种较为常用的燃气发电设备比较如表1所示[17]。

表1 燃气发电设备比较

微燃机单机容量较小，一般在250 kW以下，且其发电效率及综合热效率均较低，生产厂家也较少，相应的设备价格较高。燃料电池应用较少，且燃料电池设备与技术还不成熟，相对成本更高。燃气内燃机发电机组装机能量范围为20 kW～5,000 kW，适合于小型的楼宇式冷热电联供系统。燃气轮机发电机组装机能量范围为1,000 kW ～50,000 kW，适合于大型的楼宇式冷热电联供系统和区域型冷热电联供系统。本课题的电负荷为252 MW，故选定燃气轮机或燃气蒸汽联合循环驱动冷热电联供系统。由于IDC系统是少有的电力和空调负荷全年变化都不大的系统，故只采用1套机组。另外该项目冷负荷与电负荷比较接近，按照电力负荷选定发电机组可以基本保证余热被充分利用，因此该项目可以主要参考电力负荷变化确定发电机组。

燃料选择某典型天然气，其主要成分及参数见表2。

2.2.1.2 燃气轮机发电系统

数据中心峰值电力负荷252 MW，通过查询样本可以选择三菱某单机容量254 MW的燃气轮机发电机组，其主要参数见表3[18]。

根据燃气轮机型号和效率计算可得天然气耗气量为17.37 Nm3/s，折算成标准煤耗量为79.2 t/h。

表3 燃气轮机发电机组主要参数

2.2.1.3 燃气蒸汽联合循环发电系统

数据中心峰值电力负荷252 MW，通过查询样本可以选择GE公司某联合循环功率为259.3 MW的燃气蒸汽联合循环发电机组，其主要参数见表4[18]。

根据燃气轮机型号和效率确定天然气需要量，计算可得耗气量为12.5 Nm3/s，折算成标准煤耗量为57.3 t/h。

表4 燃气蒸汽联合循环发电机组主要参数

2.2.2 吸收式制冷系统

余热型溴化锂吸收式冷（热）水机组以发电或工业装置排放的废热作驱动热源实现制冷，可以充分利用燃气轮机余热。本项目中对于燃气轮机发电系统适用于烟气型冷（热）水机组，对于燃气蒸汽联合循环发电系统则适用于蒸汽型冷（热）水机组。

2.2.2.1 烟气型吸收式制冷系统

数据中心峰值冷负荷240 MW，通过查询样本可以选择单机制冷量为6.98 MW的烟气双效型溴化锂吸收式冷（热）水机组35台。其主要参数见表5[18]。

表5 烟气型吸收式制冷机组主要参数

2.2.2.2 蒸汽型吸收式制冷系统

数据中心峰值冷负荷240 MW，通过查询样本可以选择单机制冷量为11.63 MW的蒸汽双效型溴化锂吸收式冷（热）水机组21台。其主要参数见表6[18]。

表6 蒸汽型吸收式制冷机组主要参数

2.2.3 对比分析

2.2.3.1 燃气轮机发电结合烟气型吸收式制冷系统

燃气轮机发电结合烟气型吸收式制冷系统流程见图1。其中冷冻水供水和回水温度分别为7 ℃、12 ℃。本文未考虑数据中心配套建筑的供热（热水）负荷，但以下几种流程图都保留了这种可能。

图1 燃气轮机结合烟气型吸收式制冷系统流程图

在常规燃气轮机燃烧系统中，30%空气用于燃烧，70%空气用于冷却，天然气组分简化作0.085%的N2和99.915%的甲烷处理，甲烷全部燃尽，则可计算得烟气组分（摩尔分数）及含量，见表7。

通过HYSYS计算得知，该状态的烟气质量流量为2.073×106kg/h，可以满足所选择的烟气型吸收式制冷机组35台同时运行，该系统可以正常运行。

表7 烟气组分

2.2.3.2 燃气蒸汽联合循环结合蒸汽型吸收式制冷系统

燃气蒸汽联合循环结合蒸汽型吸收式制冷系统流程图见图2。

燃气蒸汽联合循环发电系统效率较高，为54%。假设除发电外，其余能量全部由配套余热锅炉用来产生1.4 MPa、195 ℃的饱和蒸汽，校核能否满足吸收式制冷所需的蒸汽量。计算得到产生的蒸汽量为285,069 kg/h，该蒸汽量可满足22台蒸汽型吸收式制冷机组，满足本项目的需要。

综合以上分析，“燃气轮机发电系统结合烟气型吸收式制冷系统”天然气耗量更高，且余热不能全部利用，而“燃气蒸汽联合循环结合蒸汽型吸收式制冷系统”的能源消耗量更少，能量利用率更高。

图2 燃气蒸汽联合循环结合蒸汽型吸收式制冷系统流程

2.3 LNG气化系统、发电系统结合吸收式制冷系统

在没有天然气管道供气或者天然气管网不能满足数据中心供气要求的地区，尤其是沿海地区，可以采用LNG供能。LNG气化后进入燃气轮机发电为数据中心提供电力；LNG气化过程中释放的冷量以及燃气轮机余热驱动的制冷系统联合为数据中心提供冷量，理论上是一个更高能量效率的系统。流程图见图3和图4。

图3 LNG气化、燃气轮机发电结合烟气型吸收式制冷系统流程图

图4 LNG气化、燃气蒸汽联合循环发电结合蒸汽型吸收式制冷系统流程图

2.3.1 LNG气化系统

本项目LNG气化及冷能利用的具体工艺流程为：-162 ℃的LNG经泵加压到燃气轮机入口的天然气压力，然后进入换热器1与中间流体换热，再进入燃气轮机；中间流体在换热器1中与LNG换热，温度降低，然后进入换热器2与冷冻水换热，温度升高后返回换热器1与LNG换热，完成冷媒的循环；冷冻水与中间流体在换热器2中换热，温度降低后与吸收式制冷机组的冷冻水一同向空调系统供冷，回水温度升高回到换热器2再与中间流体换热。

结合整体设计方案的要求，所选的冷媒应该具有以下特点：1）不具有爆炸性和燃烧性，无毒性且对钢及金属无腐蚀性，以免破坏设备发生泄漏；2）蒸发压力大、沸点高。如果凝固点低，换热后容易凝固而阻塞管路。如果冷媒的蒸发压力低于大气压力，冷媒循环系统内部会产生负压，空气容易侵入，影响系统正常运转；3）化学性质稳定，在冷媒循环系统中，只发生物理变化，不发生化学变化，不起分解作用；4）尽量选择容易取得、价格相对低廉，且无污染性，对自然环境无害，不破坏臭氧层、温室效应低，即臭氧层消耗潜能（ODP）、全球变暖潜能（GWP）值小的冷媒[19]。

系统可采用的冷媒分析如下。

1）烃类：从热力学性质和价格低廉等方面看，烃类物质是极为优越的。实际工程中，LNG工业用IFV大多以丙烷为中间流体，液态丙烷用海水加热蒸发，丙烷蒸汽用于加热LNG后，自身被冷凝回液体，再用泵输送去被海水加热，完成其循环。但用于民用空调的冷冻水如果直接与易燃易爆的烃类换热，容易引起安全方面的质疑。

2）乙醇和乙醇溶液：理论上可行，但也有安全问题。

3）制冷剂类卤代烃：这类物质有的可燃、有的有毒性、有的ODP高（破坏臭氧层）、有的GWP高（引起全球变暖），目前市场上常用的且符合本文要求的冷媒主要有R134a和R404a等。

4）乙二醇水溶液：乙二醇水溶液常用于冰蓄冷空调，所以在空调领域比较容易接受。R134a、R404a的特性见表8[20-22]。

由表8可知，R134a和R404a性能比较接近，它们都对臭氧层没有破坏作用，安全级别高，属于环保型的冷媒。R134a为单工质冷媒，R404a是由R125、R143a、R134a按照质量百分比44%、52%、4%组成的三元非共沸混合工质。与 R404a相比，R134a的临界点较高，汽化潜热略大，GWP 值更小，且单一工质性质稳定，易于控制。综上分析，对于本项目，R134a优于R404a。

如图5，将R134a与乙二醇水溶液分别作为中间流体，在Hysys软件中对LNG气化部分进行流程模拟。

考虑到乙二醇水溶液的粘度随温度变化很大（50%体积浓度的乙二醇水溶液在-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃的粘度分别为22.07 mPa·s、30.5 mPa·s、40.8 mPa·s），模拟中根据其粘度随温度的变化来设定换热器压降。探究两种中间流体产生的能耗和流量，结果见表9。

表8 R134a、R404参数对比

图5 LNG气化流程模拟示意图

表9 LNG气化部分进行流程模拟结果

根据以上流程模拟结果，可以得出以下结论。

1）与乙二醇水溶液相比，完成相同换热量的条件下，R134a 所需的流量远远少于乙二醇水溶液，且泵耗能也更少。主要原因是R134a利用了气液相变过程中的气化潜热。

2）无论是乙二醇水溶液还是R134a，完成相同换热量的条件下，换热温差越大，所需流量越少，但乙二醇水溶液随着换热温差增大，粘度明显增大，泵能耗增加。

3）完成相同换热量的条件下，换热温差的增加幅度相同时，R134a节省的流量和能量更多。

综合以上分析，本项目选择R134作为中间流体。

2.3.2 发电系统

与2.2.1所述发电系统相同，分为燃气轮机发电系统和燃气蒸汽联合循环发电系统，所选机型和燃料耗量均相同。

2.3.3 吸收式制冷系统

2.3.3.1 烟气型吸收式制冷系统

系统冷负荷240 MW，根据流程模拟结果，LNG气化能提供的冷量按照换热器E-101的负荷乘以利用系数0.9计算可得9.31 MW。

则吸收式制冷机组的冷负荷为230.69 MW，通过查询样本可以选择单机制冷量为6.98 MW的烟气双效型溴化锂吸收式冷（热）水机组33台，比普通天然气系统少2台。

2.3.3.2 蒸汽型吸收式制冷系统

系统冷负荷240 MW，根据流程模拟结果，LNG气化能提供的冷量按照换热器E-101的负荷乘以利用系数0.9计算可得6.73 MW。

吸收式制冷机组的冷负荷为233.27 MW，通过查询样本可以选择单机制冷量为11.63 MW的蒸汽双效型溴化锂吸收式冷（热）水机组20台，比普通天然气系统少2台。

根据2.2.4的校核结果可知，在无LNG冷能利用的条件下，烟气和蒸汽的产量可以满足吸收式制冷机组的耗量，所以本方案也能够满足烟气及蒸汽的耗量，不必再次校核。

3 系统性能分析与评价

表10为5种方案的对比分析。

对于“电网结合电制冷”系统，方案简单，投资和运行费用都较少。但其用电必须依赖城市电网，如果城市电网不能满足用电需求，数据中心的建设将受到制约。此外，此方案的一次能源消耗量很大，我国目前的电网发电一般依靠燃煤火力发电，煤燃烧的碳排放量很高，不符合“节能减排”的能源发展要求。

表10 不同方案的对比分析

对于“天然气发电系统、吸收式制冷系统”，方案较复杂，但不依赖城市电网，减少了一次能源消耗量，节约能源并且减少了碳排放量。但必须依赖城市天然气管网系统，独立性仍然受到限制。

对于“LNG气化系统、发电系统结合吸收式制冷系统”，除了具有“天然气发电系统结合吸收式制冷系统”的优点外，独立能源系统还能满足数据中心的所有用能需求，且充分利用了LNG冷量和燃气轮机余热等低品味能量。

本项目数据中心的电负荷、冷负荷非常接近，所以在独立发电系统方案选择中，十分适合选择发电效率一般在50%左右的燃气蒸汽联合循环发电机组，在满足电负荷的条件下充分利用了发电余热。若在电、冷负荷比例改变的其他工况下，不一定适合选择此种发电方案。例如，如果本系统冷负荷继续增大或者需要考虑为配套建筑供热，联合循环系统的余热用于吸收式制冷将不能产生足够的冷量，此时余热更多的纯燃气轮机系统将显示出优势。总之，不同工况需要不同的方案分析，以选择最优方案，提高能源综合利用效率。

4 结论

1）本文提出的“LNG气化、天然气发电结合余热驱动吸收式制冷与LNG冷能联合供冷”分布式能源系统可以很好地为数据中心供能，并使数据中心建设不受电力和管道天然气供应的制约。该系统一次能源利用效率高于常规电网供能系统。

2）在本文设定的负荷参数条件下，采用燃气蒸汽联合循环发电具有最高的效率。

3）LNG冷能可以为数据中心提供冷量，但其数量占冷负荷比例不多。可继续探索数据中心LNG供能系统中LNG冷能的更合理利用方式。

4）数据中心冷负荷大，选择现有吸收式制冷机组所需台套数较多，可考虑开发大型机组。

[1]敬思远. 面向绿色虚拟数据中心资源管理的若干关键技术研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2013.

[2]皮立华, 李文杰, 刘丽. 云化数据中心的节能减排探讨[J]. 移动通信, 2012(13): 52-56.

[3]谷立静, 周伏秋, 孟辉. 我国数据中心能耗及能效水平研究[J]. 中国能源, 2010, 32(11): 42-45, 29.

[4]王丽欣, 常琳. 高密度数据中心制冷空调系统设计[J].制冷技术, 2015, 35(1): 48-53.

[5]郭亚宾, 陈焕新, 等. 数据中心用氟泵双循环空调技术的应用研究[C]// 中国制冷学会学术年会论文集, 成都,2015.

[6]杨晚生, 郭开华. 分布式供能系统的定义及其内涵[J].广东工业大学学报, 2010, 27(3): 76-82.

[7]马德春. 分布式供能冷热电联产系统介绍[J]. 内蒙古电力技术, 2011, 29(1): 9-10.

[8]唐良士. 上海在“十二五”规划期间积极发展热电联产与分布式供能系统[J]. 制冷技术, 2012, 32(1): 18.

[9]杨锦成, 李冰, 薛飞. 国内分布式供能系统推进中的问题和建议[J]. 上海节能, 2011(2): 9-17.

[10]葛清, 应康, 夏翔, 等. 分布式发电对电压跌落及失电损失分摊的影响[J]. 华东电力, 2001, 35(4): 33-37.

[11]裴玮, 盛鹍, 孔力, 等. 分布式电源对配网供电电压质量的影响与改善[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(13):152-157.

[12]赵岩, 胡学浩. 分布式发电对配电网电压暂降的影响[J]. 电网技术, 2008, 32(14): 5-9.

[13]范李平, 袁兆强, 张凯. 分布式发电对电力系统继电保护的影响[J]. 能源工程, 2009, 28(2): 15-18.

[14]韦钢, 吴伟力, 胡丹云, 等. 分布式电源及其并网时对电网的影响[J]. 高电压技术, 2007, 35(7): 36-40.

[15]童家麟, 叶学民, 赵振宁, 等. 660 MW机组冷热电联产可行性分析[J]. 制冷技术, 2012, 32(4): 55-58.

[16]顾安忠, 鲁雪生, 石玉美. 液化天然气技术[M]. 2版.北京: 机械工业出版社, 2015: 264-265.

[17]李壮. 两种典型天然气分布式能源系统的应用研究[D].济南: 山东建筑大学, 2013.

[18]林世平, 李先瑞, 陈斌. 燃气冷热电分布式能源技术应用手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2015: 83-161.

[19]林苑. LNG冷能用于冰蓄冷空调的技术开发与应用研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[20]RAJAPAKSHA L. Influence of special attributes of zeotropic refrigerant mixtures on design and operation of vapour compression refrigeration and heat pump systems[J]. Energy Conversion and Management, 2007,48(2): 539-545.

[21]赵志刚, 周彬彬, 张超甫, 等. R404A 制冷剂在商用制冷设备中的应用分析[J]. 制冷, 2006, 25(4): 76-80.

[22]郝亮, 阚杰. 冷藏车层叠式蒸发器应用R404A与R22和R134A 的比较[J]. 制冷与空调, 2006, 6(4): 29-33.