数据中心能源站运行经济性策略分析

韩高岩，楼可炜，孙五一，吕洪坤，蔡洁聪，童家麟

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

我国正处于能源发展的转型期，能源利用方式更加注重质量[1-2]。天然气是一种清洁燃料，以天然气为主的分布式能源站具有能效高、环保性好、个性化强、削峰填谷、CO2减排显著等优点，因而成为当下能源发展的热点之一[3-9]。

随着互联网快速发展，数据中心也在迅速扩建。数据中心在实现信息处理、储存、传输和交换时，需消耗大量电能，同时对冷量需求也较大，数据中心对供能的安全性要求极高，由于天然气能源站具有相应的优势，使部分数据中心在建设时，规划建设了配套的天然气分布式能源站[10-12]。天然气能源站对于能源实现梯级利用，将高品质能量转化为电能、低品质能量用于制冷，进而满足数据中心冷量需求，具有较好的经济性。同时数据中心用能需求不仅可以由能源站自身供应，还有市电接入作为备用电源，极大提高了数据中心供能可靠性，满足其对安全性的高标准要求[13]。

1 能源站基本情况

1.1 能源站装机

某能源站为7×4 275 kW级燃气内燃机组（以下简称“内燃机”），配套7×4 505 kW级烟气-热水溴化锂空调（以下简称“溴化锂”）、10×4 663 kW级离心式电制冷冷水机组（以下简称“电制冷”）及11×1 800 kW级柴油发电机。此外，能源站还包含2个1 500 m3蓄冷水罐、4台额定功率为200 kW的二次泵、水处理系统及连接各设备的管道、阀门等。内燃发电机组主要设备参数如表1所示，制冷设备主要技术参数如表2所示。

表1 内燃机发电机组主要技术参数

表2 制冷热备主要技术参数

1.2 能源站工艺流程

能源站实现能源的梯级利用，天然气和空气混合进入到内燃机燃烧做功，带动发电机组，所发电量在满足能源站用电后，多余电量并网售电。内燃机烟气余热进入到溴化锂中制冷，溴化锂向数据中心供应7℃冷冻水，同时电制冷也可以直接用电实现向数据中心供冷，其中内燃机持续运行负荷区间为70%～100%，电制冷运行负荷区间为20%～100%。能源站采用双母管向数据中心供应冷冻水，由二次泵保证供水压力，具体工艺流程如图1所示。

图1 能源站工艺流程

整个能源站分为一单元和二单元，每个单元包含4台内燃机组，配套4台溴化锂、5台电制冷及相关配套设备。为提高供冷可靠性，2个单元可互为备用。此外，能源站还配置2个蓄冷水罐，可应急保障数据中心20 min的供冷需求。当数据中心和电网的交互功率较大且市电突然失去时，能源站自动进入黑启动程序，从而保证此突发情况下能源站和数据中心的用能需求[13]。

2 运行方式分析

数据中心现建有3栋机房，其中1栋已引入客户，另外2栋后期会逐渐引进客户。现根据数据中心投用不同数量机房时，对于只用市电、自发自用和向外售电3种典型运行方式进行经济性分析[14-15]。

只用市电即为只投用电制冷，利用市电制冷满足数据中心冷量需求；自发自用，则为能源站本身尽量消纳内燃机所发电量，消纳不完的余电才上网售电；向外售电，则为内燃机利用溴化锂制冷满足数据中心的冷量需求，内燃机所发的电全部上网售电。此外，在机组搭配运行时，要时刻保持一台同类机组处于备用状态。其中每栋机房的额定冷量需求为13 000 kW，供冷用电量由能源站供应，数据中心正常用电由市电供应。根据能源站自身主要用电设备功率及内燃机发电功率，在不同数量机房投运时，机组运行搭配方式如表3所示。

表3 典型运行方式机组搭配

在运行方式经济性计算时，上网电价根据能源站所在地区价格，供冷和天然气价格按照能源站和数据中心、天然气公司协定价格。运行经济性分析时，销售电价参考浙江省相近容量的天然气发电上网电价0.588元/kWh，工业使用电价为0.664 4元/kWh。假定天然气价格为2.4元/m3、售冷价格为0.4元/kWh，固定资产折旧按照年限平均法计算，固定资产约为4.6亿元，资产残值率为5%，折旧15年，每年折旧费用为2 913万元，能源站每年维修费为1 500万元。评价典型运行方式的经济性时，采用年毛利润作为评价指标，年毛利润越高说明该运行方式的经济性越好，年毛利润的定义为计算电冷销售收入扣除修理费用、燃料费用、工人工资福利和设备折旧费用。

3 运行经济性分析

3.1 投用1栋机房时的经济性分析

当数据中心前期投运1栋机房时，3种典型运行方式的年毛利润随天然气价格、上网电价和供冷价格的变化如图2、图3所示。

图2 投用1栋机房时天然气价格对毛利润影响

图3 投用1栋机房时上网电价对毛利润的影响

由图2可知，当能源站只有1栋机房投用且天然气价格低于2.73元/m3时，采用向外售电运行方式年毛利润最高。当天然气价格高于2.73元/m3时，采用只用市电的运行方式年毛利润最高。由图3可知只投用1栋机房时上网电价对运行方式的影响：当上网电价低于0.42元/kWh时，能源站采用只用市电的运行方式；当上网电价在0.42～0.51元/kWh时，宜采用自发自用的方式。当上网电价高于0.51元/kWh时，宜采用向外售电运行方式。由图4可知，当向数据中心供冷价格增大时，3种运行方式下能源站的毛利润都随之等量增加，即最经济的运行方式不改变。

总体上看，在天然气价格和上网电价变化范围内，只投用1栋机房时，3种典型运行方式的年毛利润都小于0，即企业处于亏损状态。

3.2 投用2栋机房时的经济性分析

投用2栋机房时，3种典型运行方式的年毛利润随天然气价格和上网电价的变化如图5和图6所示。

图5 投用2栋机房时天然气价格对毛利润的影响

图6 投用2栋机房时上网电价对毛利润的影响

2栋机房投运时，由图5可知：当天然气价格低于2.79元/kWh，能源站采用向外售电的运行方式时，年毛利润最高；当天然气价格在2.79～3.05元/kWh时，能源站采用自发自用运行方式年毛利润最高；当天然气价格高于3.05元/kWh时，能源站采用只用市电运行方式年毛利润最高。由图6可知：投用2栋机房且上网电价低于0.51元/kWh时，能源站采用自发自用的运行方式年毛利润最高；当电价高于0.51元/kWh时，能源站采用向外售电的运行方式年毛利润最高。

因此，当投运2栋机房时，设备的利用率得到了提升，能源站的年毛利润有所提高，其中，当天然气价格低于2.55元/kWh或者上网电价高于0.54元/kWh时，采用向外售电可以实现能源站的盈利。

3.3 投用3栋机房时的经济性分析

投用3栋机房时，3种典型运行方式的年毛利润随天然气价格和上网电价的变化如图7和图8所示。

图7 投用3栋机房时天然气价格对毛利润影响

图8 投用3栋机房时上网电价对毛利润的影响

投运3栋数据楼时，由图7可知：在天然气价格低于2.55元/m3时，能源站采用向外售电的运行方式年毛利润最高；当天然气价格在2.55～3.58元/m3时，能源站采用自发自用的运行方式年毛利润最高；当天然气价格大于3.58元/m3，采取只用市电运行方式。投运3栋数据楼时，由图8可知：当上网电价低于0.56元/kWh时，采用自发自用的运行方式；若上网电价高于0.56元/kWh，则采用向外售电运行方式收益最高。

在投用不同机房时，天然气价格对于向外售电运行方式的年毛利润敏感性最强，其次是自发自用运行方式，对于只用市电运行方式的年毛利润无影响。同样，上网电价对于向外售电运行方式的年毛利润敏感性也最强，其次为自发自用。当投用3栋机房时，由于自身发电量可以完全由自己消纳，因此上网电价对于自发自用年毛利润无影响。由于只用市电时，和天然气、上网电价无关，因此天然气价格和上网电价对于只用市电运行方式的年毛利润无影响。

4 机房投用数对年毛利润的影响

根据现有假定天然气价格和上网电价下，在投用不同机房时，向外售电的年毛利润最高。向外售电的年毛利润和投运机房数关系见图9。

图9 年毛利润与机房投运数关系

由图9可知，当机房投运数增加时，年毛利润迅速增大。根据假定的天然气价格和上网电价，只投用1栋机房时能源站是亏损状态，投运2栋机房时可采用最经济的运行方式实现盈利，投运3栋机房时年毛利润最大。投运的机房数增加时，设备的利用率增大，销售的电量和冷量越多，年毛利润变大。因此在能源站装机配置设计阶段，应根据投运后可能的天然气价格和电价情况，设计最优的机组搭配方式，尽量减少设备的冗余，降低项目投资，提高设备利用率，增加能源站的收益。

5 结论及建议

（1）根据上网电价和天然气价格可优化运行方式提高经济性。天然气价格较低或者上网电价较高时，宜采用向外售电运行方式；当天然气价格过高时，宜采用只用市电运行方式；当上网电价较低时，宜采取只用市电或者自发自用运行方式。供冷价格提高会增加能源站年毛利润，但不影响最优运行方式[16]。

（2）能源站年毛利润随投运机房时数量增加迅速增大。投运2栋机房时，可通过选取经济性较好的运行方式实现盈利。向外售电运行方式对于电价和气价的敏感性最强。

（3）为保证设备的负荷率，提高能源站收益，能源站建设装机容量应与用户的负荷需求相匹配。对于较大容量的能源站，建议分批建设[17]。

（4）能源站前期装机配置设计时，宜根据投运可能的天然气价格、上网电价，考虑最优收益运行方案，进而选取合适的装机容量及配置。