CCHP分布式能源技术在数据中心IDC的应用
CCHP能源政策和特性介紹,IDCT3/T4不同等級下CCHP應用設計,CCHP項目系統設計,CCHP投資運營經濟分析,CCHP運營機組保養維修注意事項等在此文展開討論。
CCHP能源政策和特性介紹1CCHP定義
冷熱電三聯供(Combined Cooling,Heating and Power,CCHP),是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機、微燃機或內燃機發電機等燃氣發電設備運行,產生的電力供應用戶的電力需求,系統發電排出的余熱通過余熱回收利用設備(余熱鍋爐或者余熱直燃機等)向用戶供熱、(溴化鋰機組等)供冷。通過這種方式大大提高整個系統的一次能源利用率,實現了能源的梯級利用。同時可以提供并網電力作能源互補,整個系統的經濟效益及效率均相應提高。
2CCHP應用國家基本政策方向
冷熱電三聯供是分布式能源的一種,具有節約能源、改善環境、增加電力供應,區域綜合能源利用等綜合效益,是城市治理大氣污染和提高能源綜合利用率的必要手段之一,符合國家可持續發展做制冷輸出,本文后續主要描述的是燃氣內燃機分布式能源系統的應用。
三聯供系統能充分利用天然氣的熱能,綜合用能效率可達85%以上。同時可降低以天然氣為燃料的供熱/供冷成本,把一部分成本攤到電費上,減輕運營成本負擔,與常規系統相比超出的初投資費用靠節省運行費5至6年內便可收回。由于三聯供在能源轉換效率方面所具有的突出優勢,使得其在世界各國的能源領域大都具有顯著地位。
3CCHP能源階梯利用(見圖1)
4CCHP電力輸出模式(見表1)
5CCHP主要設備介紹(見表2)
6熱電容量的方案選擇
依據工況中供能對象的冷、熱、電負荷特性,可以通過以熱定電、以電定熱以及基本電負荷定電等三種方式確定機組裝機容量。結合本文主題是考慮在IDC中的應用,我們修正定義為:以冷定電、以電定冷、基本供電保障三種方式(見表3)。
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動力選擇區分
提起CCHP,大多數人對燃氣內燃機和燃氣輪機這兩種驅動能源方式概念比較模糊,無法準確區分和選擇項目的動力設備。表4簡單地介紹出了二者的優缺點。
? IDC項目的動力方式多采用燃氣內燃機作為分布式能源的主動力設備,煙氣熱水型溴化鋰機組做制冷輸出,本文后續主要描述的是燃氣內燃機分布式能源系統的應用。
8燃氣內燃機分布式能源系統典型工藝路線
①典型工藝路線
燃氣內燃機冷熱電分布式能源系統的余熱形式有高溫煙氣和缸套冷卻水、潤滑油冷卻水三種。
對應余熱利用設備仍為余熱鍋爐、吸收式空調機組和熱交換器(煙氣-水型、水-水型)。根據余熱設備不同,分別介紹三種典型的工藝路線,基本可以涵蓋不同工藝路線的內燃機冷熱電分布式能源系統的特點:
燃氣內燃機+煙氣熱水型吸收式空調機組(補燃)+缸套水換熱器;
燃氣內燃機+煙氣余熱鍋爐+蒸汽吸收式空調機組+缸套水換熱器;
燃氣內燃機+煙氣-水換熱器+熱水型吸收式空調機組+缸套水換熱器。關于IDC應用中的CCHP可以增加電制冷機組,燃氣溴化鋰機組等進行備份、等級需求和負荷調節。
②IDC匹配的經典CCHP方案(見圖2)
IDC應用典型方案:燃氣內燃機+缸套水熱交換器+煙氣熱水型溴化鋰空調機組系統工作原理:燃氣內燃發電機在生產電力的同時,產生了400℃～500℃的高溫煙氣和80℃～110℃的缸套冷卻水、40℃～65℃的潤滑油冷卻水。工況時,高溫煙氣和高溫缸套水進入吸收式空調機組,向系統提供冷凍水,不足的熱量先通過補燃提供。
主要特點和適用條件:燃氣內燃發電機發電效率要高于燃氣輪機和微燃機。但不足的是余熱形式中,高溫缸套水和潤滑油冷卻水占的比重較大,其品質遠低于高溫煙氣。高溫缸套水適用性較廣,可用于驅動溴化鋰機組制冷。但潤滑油冷卻水受其溫度的制約,只能適用于生活熱水場合(若需要)。
Uptime Institute Tier Standard等級定義Uptime Institute Tier Standard:Topology是將特定機房的基礎設施設計拓撲的功能、容量和預期可用性(或性能)與其他單一機房或一組機房進行對比的客觀基礎。Standard根據冗余容量組件和分配路徑不斷增加的級別來區分四類機房基礎設施拓撲的標準。
Tier3:可并行維護的機房基礎設施——基本要求
①可并行維護的數據中心擁有冗余容量組件,以及多個獨立分配路徑來為關鍵系統提供服務。任何時候,只需一個分配路徑為關鍵環境提供服務;
②所有IT設備均為雙電源供電,并且合理安裝以兼容機房架構的拓撲。如果關鍵環境不滿足這一規范,則必須采用使用點開關等傳輸裝置;
③為“N”容量儲備12h的現場燃料存儲。
Tier 4:容錯機房基礎設施——基本要求
? ? ? ? ?①容錯數據中心擁有多個獨立的物理隔離系統來提供冗余容量組件,以及多個獨立、不同、激活的分配路徑同時為關鍵環境提供服務。冗余容量組件和不同的分配路徑配置時應采用的原則是,任何基礎設施出現故障后,“N”容量均會為關鍵環境提供電力和冷卻; ?
? ? ? ? ?②所有IT設備均為雙電源供電,并且合理安裝以兼容機房架構的拓撲。如果關鍵環境不滿足這一規范,則必須采用使用點開關等傳輸裝置; ?
? ? ? ? ?③補充系統和分配路徑必須相互物理隔離(分區化),以防任何單項事件同時影響兩個系統或分配路徑; ?
? ? ? ? ?④需要連續冷卻; ?
? ? ? ? ?⑤為“N”容量儲備12h的現場燃料存儲。?
T3/T4等級下的CCHP電力和制冷架構(見圖3和表5)
項目基本數據調查(見表6)
假設項目設計案例
①根據工程經驗對數據中心能耗的估算
項目地址:江蘇-蘇州,假設數據通信設備能耗為1,則電源系統能耗(線損、不間斷電源能耗等)約占設備能耗的11%,所需空調冷量(通訊設備散熱、UPS散熱、電池散熱、辦公人員、機房輻射熱量)約為設備能耗的1.2倍,采用溴化鋰制冷方式,制冷空調系統的耗電量估算約為1%,冷卻水及冷凍水輸配電系統能耗約為0.1,空調末端系統能耗約為14%,照明負載為21.5瓦/平方米,合計數據中心總耗電為36716kW,總制冷量為31860kW。數據中心冷電比為0.863左右。
此數據中心項目機柜數量為6000個,機柜功率為4.4kW/臺,每臺機柜占地面積4平方米,人員數量100人,每人辦公面積15平方米。數據中心用電功率和制冷量需求估算見表7。
PUE反映的是為滿足IT設備的供電要求,數據機房的總供電率,PUE值越小越好,PUE值越趨近1,表明數據中心綠色化程度越高。
②卡特彼勒G3516H天然氣發電機組三聯供方案及冷電比
根據數據中心用電負荷以及制冷量的需求,推薦使用20臺1990kW卡特彼勒G3516H天然氣發電機組,其中18臺為主用機,另外兩臺為備用機,此設計方案目的是為了保證機組在故障檢修或維護保養時仍然有足夠的機組輸出電力給數據中心。卡特彼勒G3516H天然氣發電機組的參數見表8。
③相匹配的溴化鋰機組參數(見表9)
采用燃氣內燃機組提供接近100%的空調冷負荷,“以冷定電/以電定冷”選擇機組數量及輸出功率,電力缺口由市電來承擔/多余冷量出售,此方案可以最大程度的實現CCHP系統能源的完全利用,系統效率最高。
故G3516H機組分布式能源方案冷電比系數見表10。
④方案總述(見表11)
⑤CCHP公用需求邊界條件(見表12)選擇方案B,采取以冷定電的方式進行設計。
⑥CCHP機房監控管理系統和DCS控制系統
數據中心對電源、空調等設備運行狀態進行管理,同時還對機房內環境,如溫濕度、漏水、煙感等參量進行監控,確保數據中心工作在一個正常的范圍之內。并對數據中心設備運行參數和環境量實時監控和管理,同時遠程監控和管理,實現機房無人值守。DCS控制系統的高度集成化和自動化,大幅的減少運維人員的數量,節約成本。
⑦節能減排分析
采用清潔一次性能源天然氣作為三聯供功能燃料,該方案能實現能源的梯級利用,充分利用發電熱,就地供電、供冷,可大幅度減少粉塵、CO2、SO2等污染物排放,該方案每年可減少粉塵排放約為1億噸以上,減少CO2排放1.5億萬(13萬)噸以上,減少SO2排放1000萬(7000)噸以上,減少NOx排放為620萬(3552)噸以上。
設備投資費用
選擇方案B,以2000kW燃氣內燃機和匹配的溴化鋰機組約763萬/套,江蘇蘇州燃氣成本2.9元/立方米為依據,設備投資費用見表13。
系統經濟性能評估
表14～表17分別為運行成本與收益、年維修成本、年制冷收益和投資收益靜態收益周期為7.5年,由于本項目地江蘇蘇州地區,具體的燃氣價格沒有通過大客戶需求正式的價格,所以采用的價格偏高,市電平均電價為0.75元,方案中發電時間是8:00-24:00,真實的市電成本會高于平均電價,項目靜態回收周期較長;若燃氣價格在2.5元/立方米時,回收周期為:4.2年。
項目經濟計算和相關地方信息做了進一步確認,可以作為大家對項目投資預算的一個參考文本。此次修改了相關的上網電價:0.75元更準確,燃氣價格:2.9元(江蘇蘇州);年度運行時間為:16h/天×300天=4800(h/年),經濟技術模型更加準確。
因此項目的經濟性主要依賴于燃氣的價格和市電基本價格,本案例計算采用的是項目初始投資靜態回收型模式,對建設單位IDC項目中需要投資的第二路市電成本,未考慮在內。若計算本項目的增量投資回收周期和經濟分析時,應減去原有第二路市電容量投資建設費用和基本容量申請費用,此時計算CCHP在IDC項目的回收周期時,回收周期可以估算降低2至3年,即整體項目增加投資回收周期約4.5-6.5年,當然在實際運行中可以通過調整運營策略來提供項目的收益率。
每日工作
①查漏(冷卻液,機油,空氣,沼氣,減振器硅油有無漏些); ?
②放冷凝水(對預處理或者有儲壓罐裝置); ?
③注意不正常的噪音; ?
④檢查就地顯示中冷卻水,缸套冷卻水壓力表;溫度表; ?
⑤檢查每個機組曲軸箱滑油觀查鏡油位,運轉油位要求最低和最高之間。如果電磁閥紅燈亮就說明要補油。滑油補油系統:從補油柜到各機組補油管各閥在正常位置,才可實現自動補油; ?
⑥檢查空氣過濾器壓差(大于10MBAR需要更換); ?
⑦記錄工作日志。機組報警可查主控界面,也可到控制柜上查得,對照中文說明代碼,確定報警類型,處理報警,不可簡單復位再起動機組。
每周工作
測量一次火花塞點火電壓(12-32kV之間):注意只能機組在滿負荷運轉時測量。建議如果火花塞點火電壓超過27kV,則拆出調整間隙后再用,扭力為40Nm。
每月工作
①檢查啟動電池電解液濃度及液位,必要時添加電解液或者補純凈水; ?
②檢查每個控制柜濾網,必要時更換或者清潔; ?
③根據要求采集油樣分析確定更換滑油。
結束語
END
燃氣冷熱電三聯供CCHP涉及多個學科,技術密度和專業性較高,對專業人才的需求也特別高。IDC的用電及制冷工況和三聯供的能源階段利用非常匹配,但是項目落地應從企業社會責任、單位GDP碳排放、清潔能源發展、燃氣原料的價格、市電電費的均價、項目運營效率等各個方面綜合考慮,項目運營中的運營優化和調整也會提高項目的收益率。
實施方案的CCHP采用模塊化，可以依據IDC業務的發展進行增加，減少項目的投資風險和資金占有費率，縮短項目的投資回收周期。本文未對CCHP應用中的燃氣管線勘察、煙氣脫硝處理、機組應用運行維護做相應的展開討論，具體項目實施中應對此部分進行考慮，納入整個項目的范疇。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的CCHP分布式能源技术在数据中心IDC的应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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