天然气分布式能源系统在数据中心的应用

李　晓（长沙有色金属设计研究院，湖南 长沙 410000）



天然气分布式能源系统在数据中心的应用

李晓（长沙有色金属设计研究院，湖南 长沙 410000）

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供（CCHP）等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%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，是天然气高效利用的重要方式。

1　数据中心的发展现状及存在问题

随着互联网、云计算和大数据产业的加速发展，我国数据中心产业进入了大规模规划建设阶段，并呈现出向规模化、集中化、绿色节能化、布局合理化发展的趋势。

为满足社会信息化水平不断提高的要求，促进我国数据中心，特别是大型数据中心的合理布局和健康发展，国家工业和信息化部2013年发布了《关于数据中心建设布局的指导意见》，《指导意见》明确提出“采用绿色节能等先进技术合理规划建设数据中心”。

随着对数据中心的需求进一步提升，人们更多地关心数据存储与应用的安全、数据挖掘以及与内部信息系统的融合，所以新一代数据中心不仅要有一个足够强壮的供电系统、制冷系统以及动态分配系统，还要能满足高可用性、高连续性、高灵活性、高节能性要求。虚拟化、云计算、节能环保、稳定和安全成为新一代数据中心的基本属性。

2011年全国大小数据中心达53万个，2011～2013年上半年，全国共规划建设数据中心255个，其中超大型数据中心（规模在1万个标准机架以上）有23个，大型数据中心（规模在3000到1万个标准机架之间）有42个，中小型数据中心（规模在3000个标准机架以下）有190个。255个数据中心中近90%的设计PUE（能源效率指标）低于2.0，平均PUE为 1.73。超大型、大型数据中心设计PUE平均为1.48，中小型数据中心设计PUE平均为1.80。另外，一些老旧数据中心通过采用先进的制冷节能技术改造，PUE也降到2.0以下。由上数据统计可知，仍有一半以上的数据中心设计PUE没有达到1.5的规划要求，特别是中小型数据中心在绿色节能方面差距较大，同时数量庞大的老旧数据中心改造任务也颇为艰巨。

十年来，数据中心服务器功耗增加了约15倍，机架的供电密度也提高了近10倍。过去一个机架功耗为2～3kW，现在却可高达10kW以上。导致机房内的设备耗电和内部发热量急剧增加，给解决高密度数据中心供电和散热问题也带来了严峻的挑战。

2　天然气分布式能源的大力发展

国内外逐步推行电力市场化，环境保护问题日益突出，具有较高能源利用效率的分布式系统在欧美、韩、日等发达国家得到了快速发展。据统计到2010年，欧盟洲分布式能源占总装机容量的18%；美国分布式能源占总装机容量的14%；日本分布式能源占总装机容量13.4%；我国分布式能源占总装机容量不到1%。在全球资源竞争比较激烈的情况下，分布式用能方式优越性明显，利用天然气清洁能源，采用能源梯级利用的工艺布置方式，实现余热利用最大化，提高综合能源利用效率，节能减排。

我国分布式能源发展目前刚刚起步，提升空间巨大。2011 年10月，国家发改委、财政部、住建部和国家能源局联合下发了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域，意见专门提出电网方面要加强对天然气分布式能源并网的配合，并提出今后将在财政、标准等多方面，进一步加强对天然气分布式能源的支持。2014年10月，国家发改委、能源局、住建部联合发布《关于印发天然气分布式能源示范项目实施细则的通知》（发改能源［2014］2382号），就天然气分布式能源示范项目的申报、评选、实施、验收、后评估，以及激励政策等做了一系列比较全面的规定，旨在完善天然气分布式能源示范项目审核、申报等管理程序，推动天然气分布式能源快速、健康、有序发展。

上海、长沙、北京相继出台了补贴激励政策；国家各级政府制定的天然气分布式能源鼓励政策，促进了各耗能单位和能源公司投资建设天然气分布式能源项目，推进合理用能。天然气分布式能源社会效益、经济效益明显，可以优化城市能源结构，发挥对电网和天然气管网的双重削峰填谷作用，增加能源供应安全性。目前，我国天然气供应日趋增加，智能电网建设步伐加快，能源服务公司拥有专业管理团队和技术力量，有利于推动天然气分布式能源在我国合理利用。

3　天然气分布式能源系统在数据中心应用的重要意义

数据中心作为能耗大户，能源消耗日益受到人们的关注。2011年，全美国的数据中心使用掉的电量占据了整个国家全年用电量的2.5%，在美国这么庞大规模的电网中，这是一个巨大的能源耗量。在全球范围内，数据中心几乎占到了全球发电量1.1～1.5%。据调查，截止2009年，我国数据中心总耗电量月364亿kWh，约占当年全国电力消费总量的1%。按目前发展趋势和能耗水平，到2016年，全国数据中心足以耗费三峡电站的全部发电量。从能源成本来说，一个数据中心的运营成本，接近75%来自于能源消耗。在典型的数据中心中，采用电供应能源，主计算机和UPS在运行时有大量散热（电荷多少散热多少），所以需要大量制冷负荷。常规采用电制冷的数据中心，其中制冷电耗占数据中心电耗的30～40%。因此如何降低数据中心的用能成本，采用清洁能源以减少数据中心能耗对环境的影响；如何采用合理的制冷供冷方案，提高供冷效率，显得越来越重要。

国家工业和信息化部2013年发布了《关于数据中心建设布局的指导意见》中明确提出：“采用绿色节能等先进技术合理规划建设数据中心”“在电力设施建设、电力供应及服务等方面给予重点支持；支持其参加大用户直供电试点”。

天然气分布式能源技术是近年来在国内兴起的一种先进清洁能源绿色高效率用技术。该技术集小型燃机轮机、内燃机、吸收式冷热水机、能源综合控制等高新技术和设备为一体的先进环保节能系统，在发达国家得到了广泛应用，近年来得到我国政府的积极倡导。

天然气分布式能源具有以下特点：

（1）梯级利用：根据能源参数品质、高能高用低能低用、温度对口的原则，高品位能源发电、低品位余热转换后供冷供热，实现梯级利用，提高能源利用效率。

（2）清洁环保：无SO2、粉尘、固体废弃物排放，CO2只有煤电的60%，提高清洁能源消费比重、改善能源消费结构、保护环境。

（3）节能减排：能源梯级利用、就近负荷中心建设，综合利用效率70%以上，比“热电冷分供”节能35%，比“热电联供”（约60～70%）高出20个百分点，节能即减排，碳排放减少50%，二氧化硫接近0排放。

（4）双重削峰填谷：有利于弥补大规模集中供电系统的缺陷，并能发挥对电网和天然气管网的双重削峰填谷作用，促进城市能源多元化建设和增加“安全供能”保障。

（5）备用电源：冷热电联供系统具有备用电源的功能，在意外灾害、市电故障、电力检修等情况下，可为用户提供安全可靠地电力供应。

采用天然气分布式能源系统，为数据中心提供可靠稳定的能源供应，保障数据中心用能安全和降低能源费用、减少污染排放，对建设绿色数据中心都具有重要的意义。

4　天然气分布式能源系统在数据中心应用实例

（1）某南方数据中心为高性能计算、海量数据处理、信息管理服务于一体的世界一流的超算中心，计算能力达到每秒10亿亿次以上，电需求50MW，冷需求36MW。建设一座天然气分布式能源站，设置4台4300kW的燃气内燃机，配备四套制冷量为3516kW的烟气热水型溴化锂制冷机，投资约2亿元。项目建成后，超算中心供电由双路市电加分布式能源站供电，供电可靠性高达99.999998%，超算中心每年节约运行成本1000～1500万；分布式能源站年发电1.4亿kWh，年供冷1.15亿kWh；能源站投资回收期8.4年，财务内部收益率12.4%，年利润2600万；能源站年节标煤1.3万t，减排二氧化碳3.5万t，减排二氧化硫1200t，减排粉尘9800t，氮氧化物560t。

（2）某南方数据中心计算能力每秒1000万亿次，建筑面积3万m2，建成后实际电负荷6100kW，冷负荷5500kW。原市电供电可靠性不高，急需增加一路供电电源；原采用的空调供应方案为全部由电制冷空调、空气源热泵满足冷、热负荷需求。项目拟改建规模为2×1.0MW燃气内燃发电机组，配2× 1163kW烟气热水型溴化锂制冷机组，改建投资约2500万元。项目建成后，将增加供电可靠性到99.999%；分布式能源站年发电1000万kWh，年供冷1163万kWh，供热87万kWh；能源站投资回收期8.6年，年利润300万；能源站年节标煤1100t，减排二氧化碳2800t，减排二氧化硫80t，减排粉尘700t，氮氧化物40t。

5　天然气分布式能源系统在数据中心应用需要注意的几个问题

（1）数据中心冷电负荷大且连续，是非常好的分布式能源系统供能用户。但配套分布式能源站一定要认真详细分析、复核冷电负荷，防止发电机组规模过大、增加初期投入、影响能源站运行效益；

（2）数据中心IDC（Internet Data Center互联网数据中心）一般会根据用户需要分期逐步投入；计算机实际耗电也和用户需要的计算量有关，初期可能只有30～50%额定耗电；由此数据中心的冷电负荷也有一个发展过程，分布式能源站主机要根据数据中心负荷发展分期灵活配置，防止一期投入单机装机容量过大，增加初投入，影响机组运行效率；

（3）采用天然气分布式能源系统必须充分考虑安全泄爆、烟气排放和噪声防制；

（4）天然气分布式能源系统在国家扶持项目范畴，项目前期获得政府部门的大力支持，争取优惠的天然气价格和相关能源环保补贴，以确保项目顺利实施。

李 晓（1970-），女，高级工程师，主要从事有色金属能源方面的工作。

TP308

A

2095-2066（2016）17-0072-02

2016-3-16