數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)

臨中心天然氣分布式能源系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)沈洪流【摘要】數(shù)據(jù)中心耗能高而且負(fù)荷波動(dòng)相對(duì)較小，將天然氣分布能源系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，可以提高能源綜合利用效率.以浙江某數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源項(xiàng)目為例,介紹了系統(tǒng)組成、運(yùn)行方式以及數(shù)據(jù)中心的高可靠性要求，提出了數(shù)據(jù)中心能源站的機(jī)組配置方案，推薦采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源的方式.同時(shí)，設(shè)計(jì)了一套切實(shí)可行的電氣系統(tǒng)接線方案.可靠性分析結(jié)果顯示，提出的供電方案可用率滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求.【期刊名稱】《浙江電力》【年(卷)，期】2018(037)010【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P14-18)【關(guān)鍵詞】天然氣;分布式能源;數(shù)據(jù)中心;供電;可靠性【作者】沈洪流【作者單位】中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司,杭州310012【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM730引言分布式能源系統(tǒng)是指安裝在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)。天然氣分布式能源系統(tǒng)是以天然氣作為能源，將制冷、供熱(采暖和供熱水)及發(fā)電一體化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）機(jī)房設(shè)備的用電量和發(fā)熱量都很高，需要常年不間斷運(yùn)行，具有電、冷負(fù)荷需求大而且波動(dòng)相對(duì)較小的特點(diǎn)；同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)通常采用電制冷機(jī)組，其用電量占整個(gè)機(jī)房用電量的比例高達(dá)40%以上，能源效率低。而且，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心僅采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源來保障供電的可靠性，柴油發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)供電穩(wěn)定的情況下長(zhǎng)期處于停機(jī)狀態(tài)，未給數(shù)據(jù)中心帶來任何經(jīng)濟(jì)效益，反而增加了工程造價(jià)和運(yùn)維成本，造成了不小的資源浪費(fèi)。目前在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心由于能耗問題已很難通過當(dāng)?shù)卣墓?jié)能評(píng)估審核。因此引入天然氣分布式能源系統(tǒng)就地向數(shù)據(jù)中心提供電力和制冷量，不僅有利于提高數(shù)據(jù)中心的可靠性，更關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用和電力就地消納，有效地降低能源消耗，對(duì)提高區(qū)域能源綜合利用率具有積極作用。由于數(shù)據(jù)中心對(duì)供電可靠性的要求很高，本文以建設(shè)中的浙江某互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源示范項(xiàng)目為例，從設(shè)計(jì)角度對(duì)其供電方案進(jìn)行研究和分析。1數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源系統(tǒng)簡(jiǎn)介應(yīng)用天然氣分布式能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常分為能源站、IDC樓、變電站三大部分，其中能源站由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、煙氣-熱水型漠化鋰制冷機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱〃漠機(jī)”）、離心式電制冷冷水機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱〃電制冷”）、柴油發(fā)電機(jī)組以及相關(guān)輔助設(shè)備組成。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組以天然氣為燃料，在發(fā)電的同時(shí)提供熱能（高溫?zé)煔夂椭袦馗滋桌鋮s水）作為漠機(jī)的制冷熱源，制取冷凍水供應(yīng)給數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心的冷量需求。能源站的正常運(yùn)行方式采用〃以冷定電”，即燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組與市電并網(wǎng)運(yùn)行，其出力根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷量需求的變比進(jìn)行調(diào)節(jié)，所發(fā)電量扣除能源站自用電后通過變電站10kV母線送至IDC樓，基本可以滿足IDC樓約80%尖峰電力負(fù)荷的需求，IDC樓電力缺額部分由市電補(bǔ)充。當(dāng)市電失去時(shí)，由能源站內(nèi)的燃機(jī)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源。具體電力、冷能供應(yīng)流程見圖1。圖1數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源系統(tǒng)框圖通過對(duì)天然氣一次能源的梯級(jí)利用，整套系統(tǒng)的能源綜合利用率可達(dá)到85%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的效率。表1各級(jí)數(shù)據(jù)中心總體要求項(xiàng)目T1T2T3T4分級(jí)描述基本型冗余組件同時(shí)維護(hù)故障容錯(cuò)冗余要求沒有冗余要求冗余容量組件單一非冗余分配路徑同時(shí)維護(hù)故障容錯(cuò)區(qū)域分隔持續(xù)供冷可靠性否否否否低冗余容量組件冗余分配路徑冗余且物理隔離的容量組件冗余且物理隔離的分配路徑僅容量組件否否否較低是否否否高是是是是極高2數(shù)據(jù)中心可靠性要求依據(jù)ANSI/TIA-942《數(shù)據(jù)中心通信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》［1］及UptimeInstitute《數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：拓?fù)洹罚?］，數(shù)據(jù)中心按其基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)運(yùn)行能力分為4個(gè)級(jí)別，相關(guān)要求見表1。由于T1及T2等級(jí)的可靠性較低，T4等級(jí)的建設(shè)成本又太高，近期已投運(yùn)或在建的公共數(shù)據(jù)中心絕大多數(shù)為T3等級(jí)或可靠性介于T3與T4之間的T3+等級(jí)。本文案例中的某數(shù)據(jù)中心即為T3+等級(jí)，項(xiàng)目業(yè)主在建設(shè)前期階段就提出該數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)可用率須達(dá)到“五個(gè)九”（即99.999%）的高標(biāo)準(zhǔn)要求。3機(jī)組配置方案數(shù)據(jù)中心能源站的機(jī)組配置及運(yùn)行方式，要求能在任何可能的工況條件下，均須滿足數(shù)據(jù)中心的電力及冷量供應(yīng)需求。以某數(shù)據(jù)中心為例，其IDC樓的冷負(fù)荷需求見表2。表2某IDC樓冷負(fù)荷需求匯總春秋季夏季冬季時(shí)間/天額定冷負(fù)荷/kW冷負(fù)荷平均負(fù)荷率/%15038859701203885980903885960按照〃以冷定電”原則，能源站根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷確定的裝機(jī)方案為：9臺(tái)4275kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+9臺(tái)4505kW漠機(jī)，同時(shí)配備9臺(tái)4571kW電制冷作為漠機(jī)的備用（即制冷主機(jī)采用“2N”冗余配置）。整個(gè)數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷需求見表3，其應(yīng)急電源的配置有以下兩個(gè)方案：（1）全部采用柴油發(fā)電機(jī)組方案。若全部采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，此時(shí)漠機(jī)由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組不啟動(dòng)而全部停運(yùn)，數(shù)據(jù)中心的冷能供應(yīng)保障需要全部依靠電制冷。根據(jù)表3中的用電負(fù)荷需求，按照每12臺(tái)必須備用1臺(tái)的原則，需要配置36臺(tái)1820kW柴油發(fā)電機(jī)組，具體匹配詳見表4。表3某數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷需求匯總用電單位最大用電負(fù)荷/kW備注IDC樓458581~3號(hào)IDC樓合計(jì)能源站30003830104709臺(tái)漠機(jī)運(yùn)行8臺(tái)漠機(jī)+1臺(tái)電制冷運(yùn)行9臺(tái)電制冷運(yùn)行用電總負(fù)荷4885849688563289臺(tái)漠機(jī)運(yùn)行8臺(tái)漠機(jī)+1臺(tái)電制冷運(yùn)行9臺(tái)電制冷運(yùn)行（2）采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組+柴油發(fā)電機(jī)組方案。由于能源站內(nèi)已配備的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組同樣具備作為應(yīng)急電源的功能，只是啟動(dòng)時(shí)間及帶載特性不如柴油發(fā)電機(jī)組，在采取了統(tǒng)一并機(jī)控制系統(tǒng)、同型號(hào)自動(dòng)負(fù)載分荷控制器以及選擇合適的黑啟動(dòng)控制邏輯等措施后，完全可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組在孤網(wǎng)狀態(tài)下同時(shí)啟動(dòng)、依次并網(wǎng)、并機(jī)運(yùn)行和自動(dòng)分配負(fù)載的功能，在市電失去情況下共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源。因此，在能源站已有9臺(tái)4275kW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的情況下，需要再配置11臺(tái)1820kW柴油發(fā)電機(jī)組，具體匹配詳見表4。表4某數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電能力匹配注：（1）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定功率取其持續(xù)功率［3］。（2）柴油發(fā)電機(jī)組額定功率取其基本功率［3］。（3）發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電能力取其額定功率的95%。機(jī)組運(yùn)行方式額定發(fā)電功率/kW應(yīng)急供電能力/kW用電負(fù)荷需求/kW備注33臺(tái)油機(jī)運(yùn)行（3臺(tái)油機(jī)備用）600605705756328滿足需求8臺(tái)燃機(jī)+10臺(tái)油機(jī)運(yùn)行（1臺(tái)燃機(jī)+1臺(tái)油機(jī)備用）524004978049688滿足需求9臺(tái)燃機(jī)+8臺(tái)油機(jī)運(yùn)行（3臺(tái)油機(jī)備用）530355038348858滿足需求由以上分析可見，對(duì)于應(yīng)用天然氣分布式能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源的方案，可減少柴油發(fā)電機(jī)組配置25臺(tái)，不僅節(jié)約工程造價(jià)約6900萬(wàn)元，且降低了運(yùn)維費(fèi)用。4電氣系統(tǒng)接線方案為滿足T3或T3+等級(jí)數(shù)據(jù)中心的可靠性要求，數(shù)據(jù)中心整個(gè)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至少應(yīng)避免單點(diǎn)故障或某一設(shè)備維護(hù)時(shí)影響對(duì)IDC樓內(nèi)設(shè)備負(fù)載的供電或制冷系統(tǒng)的運(yùn)行?；谶@一原則，考慮數(shù)據(jù)中心內(nèi)各區(qū)域的電氣系統(tǒng)接線方案如下，其中市電、主變壓器（以下簡(jiǎn)稱〃主變”）、配電變壓器、各級(jí)電壓母線以及各重要供電線路均按100%冗余設(shè)計(jì)，相應(yīng)電氣系統(tǒng)接線見圖2。110kV變電站數(shù)據(jù)中心變電站采用雙路110kV市電電源，分別通過獨(dú)立線路引自附近2個(gè)220kV變電站的110kV母線，以保證市電電源的可靠性。站內(nèi)配置2臺(tái)容量100%冗余的110/10kV主變，110kV部分采用內(nèi)橋接線，10kV部分采用單母線分段接線，每段10kV母線均設(shè)1回至能源站的聯(lián)絡(luò)線以及6回至1~3號(hào)IDC樓的饋線。正常2臺(tái)主變分列運(yùn)行，110kV橋開關(guān)及10kV分段開關(guān)均設(shè)有備自投裝置。IDC樓IDC樓內(nèi)電氣交流負(fù)荷均為低壓。每幢IDC樓設(shè)2套中壓配電系統(tǒng)，每套中配由兩段10kV母線組成，單母線接線，不設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。每段10kV母線各設(shè)1路單電源進(jìn)線，分別引自110kV變電站內(nèi)不同10kV母線段，正常兩路電源同時(shí)工作。每套中壓配電系統(tǒng)下設(shè)4對(duì)互為備用的低壓工作變壓器及相應(yīng)4套低壓配電系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“低配系統(tǒng)”）。低配系統(tǒng)采用單母線分段接線。每對(duì)低壓工作變分接于中配不同10kV母線段上，正常分列運(yùn)行，當(dāng)其中1臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)，低壓母聯(lián)開關(guān)自動(dòng)/手動(dòng)閉合，由另一臺(tái)承擔(dān)所有低壓負(fù)荷供電。4.3能源站能源站設(shè)置兩段10kV發(fā)電機(jī)母線，采用單母線分段接線，9臺(tái)4300kW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)和11臺(tái)1800kW應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)分別接至兩段10kV發(fā)電機(jī)母線。能源站每段10kV發(fā)電機(jī)母線各通過1回聯(lián)絡(luò)線分別接入數(shù)據(jù)中心變電站的兩段10kV母線，聯(lián)絡(luò)線采用共箱封閉母線。正常兩段發(fā)電機(jī)母線分列運(yùn)行，10kV分段開關(guān)設(shè)備自投。能源站另設(shè)置兩段10kV站用母線，均采用單母線接線，供能源站站內(nèi)用電負(fù)荷。每段10kV站用母線設(shè)2回進(jìn)線電源（1主1備且自動(dòng)切換），分別引自能源站內(nèi)兩段10kV發(fā)電機(jī)母線。雖然接于10kV站用母線的10kV電制冷為單電源供電，但是由于能源站內(nèi)制冷主機(jī)（漠機(jī)+電制冷）為“2N”冗余配置，且漠機(jī)電源由低配供給，因此當(dāng)一段10kV站用母線停運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)仍能保障至少一半電制冷及全部漠機(jī)的供電。能源站設(shè)2對(duì)互為備用的低壓廠變及2套低壓配電系統(tǒng)。低配系統(tǒng)采用暗備用動(dòng)力中心和電動(dòng)機(jī)控制中心的供電方式［4］，PC（動(dòng)力中心）為單母線分段接線，MCC（電動(dòng)機(jī)控制中心）設(shè)雙路電源進(jìn)線（1用1備），分接于不同PC段上。每臺(tái)電制冷配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相關(guān)輔機(jī)采用獨(dú)立MCC供電，該MCC采用雙回路供電并設(shè)ATS（自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器）。能源站內(nèi)控制系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、關(guān)鍵閥門等重要負(fù)荷采用UPS（不間斷電源）或直流供電，UPS及直流系統(tǒng)均為“2N”冗余配置。保障連續(xù)供冷的二次泵采用獨(dú)立UPS供電，所配套的蓄電池組能保證二次泵滿負(fù)荷運(yùn)行15min。5供電可靠性分析5.1可靠性數(shù)據(jù)及其來源由于缺乏110kV電氣設(shè)備及輸電線路的可用率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文暫根據(jù)2008—2017年某省10kV城市用戶供電可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)［5］，分析得出數(shù)據(jù)中心變電站每路10kV市電電源的年平均可用率為99.9588%，年平均停電時(shí)間為3.605h。10kV及380V系統(tǒng)主要變配電設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)及其來源見表5。5.2發(fā)電機(jī)組可用率估算圖2某數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)接線注：IDC2號(hào)樓及3號(hào)樓的電氣接線與IDC1號(hào)樓相同；所有低壓變壓器的容量均為2500kVA。表5主要設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)及其來源設(shè)備名稱可用率/%數(shù)據(jù)來源備注10kV斷路器10kV隔離開關(guān)10kV開關(guān)柜母線380V斷路器380V開關(guān)柜母線低壓變壓器10kV共箱封閉母線IEEE493-2007IEEE493-2007IEEE493-2007IEEE4932007IEEE493-2007IEEE493-2007IEEE493-2007長(zhǎng)度取300m10kV電纜線路99.94581IEEE493-2007長(zhǎng)度取600m,4根并接99.9955299.9998999.9982599.9954799.9992199.9799799.99963取單臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組可用率為97.5%。根據(jù)IEEE493-2007相關(guān)數(shù)據(jù)，取單臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組可用率為99.8265%［3］。取發(fā)電機(jī)組群加載并網(wǎng)控制系統(tǒng)可用率為99%。在燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組為8+1臺(tái)冗余、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組為10+1臺(tái)冗余情況下，計(jì)算可得整套應(yīng)急電源可用率為96.90374%。5.3估算結(jié)果依據(jù)以上系統(tǒng)及設(shè)備可用率數(shù)據(jù)以及整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)接線，對(duì)各級(jí)母線的供電可用率進(jìn)行初步估算［6-9］,估算結(jié)果見表6,其中向電氣負(fù)荷供電的380V配電母線可用率均達(dá)到T3+等級(jí)數(shù)據(jù)中心〃五個(gè)九”的要求。表6各級(jí)母線供電可用性估算結(jié)果供電位置可用率/%備注變電站10kV母線IDC樓10kV母線IDC樓380V配電母線能源站10kV站用母線能源站380V配電母線99.9982599.9333699.9991099.9982199.99919滿足要求滿足要求6結(jié)語(yǔ)隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算應(yīng)用的快速發(fā)展，大規(guī)模、高等級(jí)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求日益增長(zhǎng)，然而由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心高耗能的缺點(diǎn)，項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的落地已十分困難，天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用為解決這一難題提供了一種新的途徑［9-15］。在此類項(xiàng)目中，對(duì)于如何將數(shù)據(jù)中心高可靠性要求與天然氣分布式能源電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念兩者有機(jī)結(jié)合，本文給出了一種較為完善的供電系統(tǒng)解決方案，主要可歸納為以下幾點(diǎn)：（1）采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組共同為整個(gè)數(shù)據(jù)中心提供應(yīng)急電源。（2）市電、主變壓器、配電變壓器、各級(jí)電壓母線以及各重要供電線路均按100%冗余設(shè)計(jì)。（3）每臺(tái)電制冷配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相關(guān)輔機(jī)采用獨(dú)立MCC供電，該MCC采用雙回路供電并設(shè)ATS。（4）能源站內(nèi)UPS及直流系統(tǒng)采用“2N”冗余配置。（5）保障連續(xù)供冷的水泵采用獨(dú)立UPS供電，所配套的蓄電池組能保證水泵滿負(fù)荷運(yùn)行15min。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】TelecommunicationsIndustryAssociation.TIA-942-B，TelecommunicationsInfrastructureStandardforDataCenters[S].2017.UptimeInstitute，LLC.DataCenterSiteInfrastructureTierStandard:Topology[R].2017.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組第1部分：用途、定額和性能：GB/T2820.1-2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.國(guó)家能源局.火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T5153-2014[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).全國(guó)電力可