数据中心应用天然气分布式能源的发展

郭丰

摘 要：天然气分布式能源与数据中心用能、用冷特性高度匹配。数据中心应用天然气分布式能源的方式也不断发展。本文对最新发展的燃气分布式能源集成化成套装置的原理、应用方式及应用效果进行了简要的介绍。

关键词：数据中心;天然气分布式能源;节能

0 引言

数据中心是由计算机场地（机房）、其他基础设施、信息系统软硬件、信息资源（数据）和人员以及相应的管理制度组成的实体[1]。2020年4月，中央明确“新基建”范围，包括5G建设、大数据中心、人工智能等七大领域，据相关统计，在用数据中心的机架总规模已达166万架[2]。《“十三五”国家信息化规划》中提到：到2018年，新建大型云计算数据中心电能使用效率（PUE）值≤1.5;2020年，新建大型云计算数据中心PUE值≤1.4。目前，新建数据中心PUE目标值≤1.36。数据中心的电力负荷具有负荷密度大，电力保障要求高的特点，并且要求全年不间断供冷，能耗高，占数据中心总能耗40～50%，要求空气品质保持温度23±1℃，相对湿度40～55%，直径≥0.5μm粉尘小于18，000个/dm3。燃气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在85%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。传统离散型燃气分布式能源系统，存在占地面积大、工程投资大、安装质量无法保障、现场管理混乱、运行故障多、效率低、能效无法实时直观显示等弊端。燃气分布式能源集成化成套装置（简称BCHP成套装置）开发的目的是为克服传统燃气分布式能源系统的上述不足，而提供一种结构紧凑，模块化集成度高，占地面积小，安装施工便捷，能源利用率高的燃气冷分布式能源成套产品。具有系统余热充分利用效率高、安装和运行成本低、稳定运行无质量风险、实时监控系统运行能耗、集中管控设备厂家等优点。

1 数据中心用燃气分布式能源集成化成套装置的技术原理

数据中心用燃气分布式能源集成化成套装置是由燃气发电机组将燃气和空气混合，在气缸内燃烧产生高温高压的燃气，膨胀推动活塞做功，带动曲轴转动，通过发电机输出电能。内燃机排放的高温烟气加热溴化锂机组高温发生器内的溴化锂溶液，产生水蒸汽，夏季被冷却水冷凝成冷剂水用于制冷，冬季直接加热换热管用于制热。发电机组做功后产生的高温缸套水，夏季通过溴化锂机组低温发生器参与制冷，冬季通过缸套水板式换热器参与制热。非电空调机组烟气出口集成烟气板交，通过换热制取热水，夏季进入溴化锂机组低温发生器参与制冷，冬季直接参与制热。燃气分布式能源集成化成套装置通过上述原理，同时为用户解决建筑冷、热、电三种能源需要。系统流程图如图1所示。

应用在数据中心能源站时，燃气分布式能源集成化成套装置可与电空调、非电空调、热泵、太阳能、电网等各种能源形成综合能源利用模式，具有能效高、清洁环保、安全经济、削峰填谷等优点。

2 数据中心对燃气分布式能源集成化成套装置的应用方式

数据中心应用燃气分布式能源集成化成套装置一般分为项目规范、方案设计、机房建设三个阶段。但三个阶段相互衔接，为不可分割的整体。具体如图2所示。

此种应用方式具有如下优点。

2.1 标準化设计

设计阶段，收集成套装置主要设备尺寸图纸，通过CAD、UG、BIM 等设计软件，精确绘制成套装置标准二维布置图和三维装配图。采用模块化结构，将成套装置设计为发电机组、溴化锂机组、溴化锂机组一体化输配、发电机组一体化输配、管道元器件和能控系统六大模块。其中溴化锂机组排气口集成有烟气板交，与溴化锂主机集成一体。溴化锂机组输配装置为模块化撬装体结构，撬装体上集成有空调冷却水泵、空调冷（温）水泵、过滤集箱、止回集箱、加药罐和软水箱等输配设备。发电机组一体化输配装置为模块化撬装体结构，撬装体上集成有发电机组冷却系统所含缸套水泵、中冷水泵、过滤集箱、止回集箱、电动三通阀、缸套水板式换热器等输配设备。

2.2 集中式采购

传统的燃气分布式能源各设备相对分散，供货厂家较多，用户需要多次采购，多次发标，存在较大采购风险、质量控制风险和供货商管理风险，增加用户采购、安装协调工作量和维护管理成本。成套装置由成套厂家统一供货，通过集中式采购，可为客户节省采购成本、降低设备采购风险、提高采购效率、控制供货周期。

2.3 工厂化制造

成套装置采用工厂化制造，利用厂内设备优势，预制成套装置各模块及各模块之间的连接管道。通过工厂化制造，实现用户现场模块化拼装，消除系统分散安装的各大弊端。

2.4 流程化安装

成套装置采用模块化设计，简化了用户现场分散安装的繁杂流程。通过工厂内成套产品定型过程，制定用户现场标准安装流程。最终通过流程化安装模式，实现用户现场各大模块快速拼装。

3 数据中心用燃气分布式能源集成化成套装置的效果

数据中心应用燃气分布式能源集成化成套装置，能源综合利用率大于80%，节能率大于20%，优于GB/T 36160.1-2018《分布式冷热电能源系统技术条件第1部分：制冷和供热单元》节能要求。降低能耗水平，有效降低PUE，节省运行成本。多一种供电方式，提升供电可靠性。天然气清洁能源、环保节能、减少污染物排放。

上海某数据中心项目，占地100亩，项目拟建设4栋独立数据中心及1栋办公楼，总计超过4000个机架，容纳约10万台服务器。采用燃气分布式能源系统2.5MW发电机X4台+BZHE300-LNX4台（已投运2台套），节省运行能耗955t油当量，年减排CO2 3008t，相当于种树：16.4万棵/年。

重庆某项目占地11.4km2，整体建成后将形成81.5万台服务器规模。制冷功率25586kW，发电功率934680kW，年节能7100t油当量，年减排CO2 21500t，相当于种树1175000棵。

广东某项目，安装机型4.4MW发电机X4台+BHE400-dX4台（已投运2台套），节省运行能耗5300t油当量，年减排CO2 16000t，相当于种树86.4万棵/年。

4 结束语

虽然数据中心应用天然气分布式能源存在部分地区市场天然气价格过高、并网手续比较难办理、国内燃气分布式能源系统详细标准和技术鉴定要求还有待完善等问题。基于天然气分布式能源的优点以及其与数据中心用能特性的高度匹配，相信随着技术的发展和运行经验的不断积累，燃气冷热电三联供系统应用方案不断完善，数据中心应用天然气分布式能源的规模会不断扩大。

参考文献：

[1] GB/T 32910.1-2017.数据中心资源利用 第1部分：术语[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2017.

[2]工业和信息化部信息通信发展司.全国数据中心应用发展指引（2018）[R].工业和信息化部信息通信发展司，2019.