姜曉君，陳邦穩(wěn)，陸 源（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通浙江分公司，浙江 杭州 3005）

0 前言

天然氣分布式能源系統(tǒng)是分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，它以天然氣為燃料發(fā)電，利用發(fā)電所產(chǎn)生的廢熱制冷、制熱，實現(xiàn)電熱冷聯(lián)產(chǎn)。2017年6月23 日，國家能源局印發(fā)《加快推進天然氣利用的意見》（發(fā)改能源［2017］1217 號），要求“完善氣電價格聯(lián)動機制，有條件的地方可積極采取財政補貼等措施疏導(dǎo)天然氣發(fā)電價格矛盾”。2018 年9 月5 日，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于促進天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》（國發(fā)［2018］31 號），明確了加快天然氣開發(fā)利用，并且指出將中央財政對非常規(guī)天然氣補貼政策延續(xù)到“十四五”時期。由此可見，國家是積極鼓勵天然氣有序開發(fā)利用的。

近年來，由于節(jié)能環(huán)保的要求，非居民用天然氣價格的下降及多城市對數(shù)據(jù)中心用電量加以限制，國內(nèi)在建或已經(jīng)建成了多個天然氣分布式能源與數(shù)據(jù)中心相結(jié)合的工程，如南京鳳凰數(shù)據(jù)中心、上海青浦云數(shù)據(jù)中心、廣州超算數(shù)據(jù)中心等，但是各數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)配置和運行方式各不相同。

1 數(shù)據(jù)中心和天然氣分布式能源用能特點

數(shù)據(jù)中心設(shè)置的電子信息設(shè)備具有全年不間斷運行，電力負荷、冷負荷基本穩(wěn)定，用電量和用冷量巨大的特點。供電系統(tǒng)末端毫秒級的停電都可能會引起服務(wù)器的宕機，進而帶來不良的社會影響或巨額的經(jīng)濟損失。同時，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器幾乎是以同等電力輸入當量向機房散熱，所以數(shù)據(jù)中心需全年供冷，供暖需求和生活熱水需求較小。

天然氣分布式能源系統(tǒng)以天然氣為燃料，燃燒后驅(qū)動燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機發(fā)電，產(chǎn)生的高溫煙氣和熱水作為熱源驅(qū)動溴化鋰機組制冷，制冷后的余熱再作為供暖的能源系統(tǒng)。天然氣分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)了能源的梯級利用，具有能源靠近負荷側(cè)、能源綜合利用效率高、傳輸損耗低、環(huán)保性能好等特點。由于溴化鋰機組使用的是發(fā)電所產(chǎn)生的廢熱制冷，制電制冷同步，符合數(shù)據(jù)中心的運行場景，所以如果天然氣價格在一個合理范圍內(nèi)，采用天然氣分布式能源的數(shù)據(jù)中心就會具有良好的經(jīng)濟性。

2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)實例

某園區(qū)包含1 棟110 kV 變電站、1 棟天然氣分布式能源站、3 棟DC 樓及配套設(shè)施，DC 樓規(guī)劃機架數(shù)5 000 架，單機架功率6～12 kW。分布式能源站和數(shù)據(jù)中心工程分開建設(shè)，能源站以數(shù)據(jù)中心的供電和供冷參數(shù)為依據(jù)進行控制，其供電架構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.1 110 kV變電站供電架構(gòu)

110 kV 變電站的主變壓器容量為2×63 MVA，采用三相雙繞組自冷式有載調(diào)壓變壓器，額定電壓110×(1±0.0125)/10.5 kV，阻抗電壓17%，接線組別YN，d11。110 kV 進線2 回（來自市電），采用內(nèi)橋接線方式；10 kV 進線2回（來自能源站），采用單母線分段接線方式；10 kV 出線14 回（至數(shù)據(jù)中心）。110 kV 側(cè)中性點經(jīng)隔離開關(guān)接地，10 kV側(cè)經(jīng)小電阻接地。

2.2 分布式能源站供電架構(gòu)

分布式能源站設(shè)置2段10 kV發(fā)電機母線，采用單母線分段方式，能源站的發(fā)電序列配置為9 臺4 300 kW 燃氣內(nèi)燃發(fā)電機和11 臺1 800 kW 柴油發(fā)電機，分別接至能源站的2 段10 kV 發(fā)電機母線，每段10 kV 發(fā)電機母線分別通過1 回聯(lián)絡(luò)線接入110 kV 變電站的10 kV 母線與系統(tǒng)并網(wǎng)。當2 路110 kV 線路正常供電或只有1 路110 kV 線路正常供電的情況下，所有柴油發(fā)電機組均閉鎖不運行，當且僅當2 路110 kV 線路全部失電時，柴油發(fā)電機組才投入運行。

圖1 采用分布式能源的數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)示意

制冷序列配置為9 臺4 650 kW 煙氣-熱水溴化鋰制冷機和10臺4 570 kW 電制冷冷水機，分別可以滿足數(shù)據(jù)中心100%的制冷，即燃氣中斷時，63 MVA 主變?nèi)萘勘ＷC數(shù)據(jù)中心和能源站的全部電力容量要求，電制冷冷水機組可以滿足數(shù)據(jù)中心的全部冷量要求；雙路市電中斷時，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機和柴油發(fā)電機聯(lián)合供電，溴化鋰機組制冷，也可以滿足數(shù)據(jù)中心的電和冷的負荷要求；網(wǎng)電和發(fā)電機聯(lián)合供電時，以冷定電，不足部分由市電補充。

2.3 數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)

3 棟數(shù)據(jù)中心規(guī)模相同，每棟數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃總有功功率為15 300 kW，引入4 路10 kV/10 000 kVA 容量市電，每兩路市電之間互為備用。設(shè)置2 套中壓配電系統(tǒng)，采用單母線分段方式，設(shè)置8 套2 500 kVA×2的低配系統(tǒng)，設(shè)置低壓母聯(lián)，每臺變壓器平時運行負載率為48%，變壓器總安裝容量為40 MVA，滿足數(shù)據(jù)中心終期用電需求。

3 供電系統(tǒng)的運行與控制

根據(jù)與當?shù)仉娋W(wǎng)公司的協(xié)商，分布式能源站發(fā)電系統(tǒng)采用“以冷定電、并網(wǎng)上網(wǎng)”的運行方式，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機全天24 h運行，柴油發(fā)電機組備用，發(fā)電量由電網(wǎng)公司全額收購。全天24 h利用發(fā)電煙氣和余熱驅(qū)動溴化鋰機組為數(shù)據(jù)中心供冷。雙路市電全部故障時，由能源站系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)中心所需的全部電能和冷能。

能源站采用三層控制系統(tǒng)，頂層為集散控制系統(tǒng)（雙機熱備模式），設(shè)置在中央監(jiān)控中心，監(jiān)控人員24 h值班；第二層包括燃機主控制柜、燃機分控柜及溴化鋰機組等主設(shè)備的控制系統(tǒng)；底層為各就地控制設(shè)備和儀表等。

3.1 2路市電正常情況

2 路市電正常的情況下，數(shù)據(jù)中心的電源由電網(wǎng)獲得。能源站2 段10 kV 發(fā)電機母線各通過1 回聯(lián)絡(luò)線接入110 kV 變電站的10 kV 母線。變電站10 kV 母線和能源站10 kV 發(fā)電機母線的母聯(lián)開關(guān)均處于斷開位置。

3.2 1路市電故障情況

1 路市電故障的情況下，備用電源自投裝置動作，數(shù)據(jù)中心側(cè)的供電系統(tǒng)不動作。

3.3 2路市電故障情況

2路市電故障的情況下，即2路110 kV 線路或2臺主變壓器同時失電時，需要切除變電所2段10 kV母線主變低壓側(cè)進線開關(guān)和數(shù)據(jù)中心在該段上的部分負荷。此時，接于能源站同一段10 kV 母線上的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組各為一個小的孤網(wǎng)系統(tǒng)，需由能源站的燃機主控制柜經(jīng)同期后合閘能源站側(cè)10 kV 母線分段開關(guān)，將所有燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組統(tǒng)一在大孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)運行，以利于負荷分配，提高系統(tǒng)安全性，并緊急啟動各柴油發(fā)電機組補充電力缺口，然后再投入該段上的原已切除的數(shù)據(jù)中心負荷，能源站的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組和柴油發(fā)電機組共同保證數(shù)據(jù)中心和能源站的供電。

切除負荷時需要注意：該負荷容量要大于網(wǎng)電補充電量，但不能大于發(fā)電機的負荷突變量，以避免燃氣發(fā)電機組突然甩負荷跳閘，可由數(shù)據(jù)中心安裝的低頻減載設(shè)備進行負荷的切除。如果數(shù)據(jù)中心低頻減載設(shè)備切除負荷不成功，能源站內(nèi)每段10 kV 母線上的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組將會因負荷突變而引起跳機，導(dǎo)致整個能源站失電。此時，需要緊急啟動柴油發(fā)電機組和燃氣發(fā)電機組，啟動邏輯和啟動時間如下：

a）啟動第1 臺柴油發(fā)電機組，由于母線上沒有電壓，該柴油發(fā)電機組不需要同步，啟動后直接接入10 kV母線，然后投入負載，耗時約為30 s。

b）能源站控制系統(tǒng)給其他10 臺柴油發(fā)電機組同時發(fā)出啟動指令，啟動后自動同步并網(wǎng)，逐臺投入，由于各機組并網(wǎng)性能有差異，以總時間60 s來計。

c）當燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組因負荷突變而引起跳機后，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組需要重新啟動，燃機加載指標為每10 s 加10%～15%容量，可以在100 s 的時間內(nèi)全部加滿載。此時柴油發(fā)電機組已全部完成并網(wǎng)，主控制柜給9 臺內(nèi)燃機組發(fā)出同步并網(wǎng)指令，總并機時間按90 s 計，然后投入負載，全部加載完成需要約150 s，全過程總時間約（100+90+150）=340 s。

綜上，當市電突然斷電且低頻減載設(shè)備切除負荷不成功，致使內(nèi)燃機不能穩(wěn)定運行而全部跳閘時，7～8 min可恢復(fù)整個數(shù)據(jù)中心供電。

4 供電架構(gòu)的問題探討

4.1 運行方式的對比

本方案采用的是不間斷運行方式，目前天然氣分布式能源站常用的一種方式是峰谷運行方式，即峰電期（當日8：00-22：00）：燃氣內(nèi)燃發(fā)電機和電網(wǎng)并網(wǎng)運行，發(fā)電量送至110 kV 變電站的10 kV 母線供數(shù)據(jù)中心使用，缺額部分由電網(wǎng)補充；利用燃氣內(nèi)燃機產(chǎn)生的余熱和煙氣驅(qū)動溴化鋰制冷機為數(shù)據(jù)中心供冷。谷電期（當日22：00-次日8：00）：燃氣內(nèi)燃發(fā)電機停發(fā)轉(zhuǎn)為備用，數(shù)據(jù)中心和能源站用電全部由電網(wǎng)提供，利用電網(wǎng)驅(qū)動電制冷機組為數(shù)據(jù)中心供冷。

不間斷運行方式下，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機全天運行，溴化鋰制冷系統(tǒng)與電制冷系統(tǒng)也不需要每天兩次的切換投運，對發(fā)電和制冷系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定運行有利；同時，電制冷機組平時不再運行，可為溴化鋰機組故障停運提供全冷源備份，制冷系統(tǒng)冗余度提高。

但是，不間斷運行方式對于分布式能源站而言失去了峰谷電價的優(yōu)勢，運行成本高。對于電網(wǎng)而言，終端用戶未充分發(fā)揮調(diào)峰填谷能力，經(jīng)濟型及電力審批方面會有難度。并且通過以上分析，整個系統(tǒng)的控制邏輯比較復(fù)雜。

4.2 分布式能源站與數(shù)據(jù)中心的評級

數(shù)據(jù)中心的評級內(nèi)容涉及各個專業(yè)，天然氣分布式能源站作為數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)，主要是影響到其供電系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)。本文僅對與供電系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容進行分析。

常規(guī)數(shù)據(jù)中心的供能幾乎全部依靠電力，典型的供電系統(tǒng)是由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及自備發(fā)電機組等設(shè)備組成。不間斷電源主要保證市電中斷、發(fā)電機啟動前的重要負載的持續(xù)供電。自備發(fā)電機組主要在市電中斷后，保證為負載提供持續(xù)、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。A 級數(shù)據(jù)中心和分布式能源站技術(shù)要求對比如表1所示。

4.3 燃氣內(nèi)燃機和柴油發(fā)電機并機

能源站配置燃氣內(nèi)燃機單機容量大，相對柴油發(fā)電機啟動時間長，響應(yīng)速度較慢，功率突加能力弱，啟動條件較高，本項目所配燃機分步加載至滿載的時間約100 s。柴油發(fā)電機單機容量較小，適合較小負荷的場合，但其啟動時間短，單臺油機系統(tǒng)通常在20 s內(nèi)即可完成啟動和加載，響應(yīng)速度很快，在額定功率范圍內(nèi)，能承受較大的功率突加，啟動條件相對較低。內(nèi)燃機和柴油機本質(zhì)上只是將不同燃料轉(zhuǎn)化為動能的發(fā)動機不同，發(fā)電機部分本質(zhì)上是一致的，從并機的控制和切入時間來說無區(qū)別，第一臺油機啟動直接并至母線，其他柴油發(fā)電機和燃氣內(nèi)燃機實時檢測母線的電壓、頻率、相角等，在滿足并機條件時并入系統(tǒng)。

本項目對DC 樓內(nèi)的變壓器設(shè)置了自動投切系統(tǒng)，可按單變壓器容量步長及燃機和油機混合的帶載特性設(shè)置每步的投切延遲時間。從目前DC3 樓的市電中斷啟動試驗結(jié)果看，整個基地從市電中斷到DC3樓（每棟DC 樓設(shè)置8 對變壓器）全部加載完成的時間不超過116 s。

4.4 備用機組的燃料供應(yīng)

本項目配置的煙氣-熱水溴化鋰機組和電制冷冷水機組可以分別滿足數(shù)據(jù)中心100%的用冷；不管是雙路市電中斷，還是燃氣中斷，均能保證數(shù)據(jù)中心的用冷。本項目的天然氣為省天然氣骨干網(wǎng)專線引入的高壓氣體，經(jīng)能源站內(nèi)自設(shè)的調(diào)壓站，由雙母管引至天然氣發(fā)電機組。其氣體壓力的穩(wěn)定性較城市管網(wǎng)高，面對“氣荒”其氣源的保障性也較城市管網(wǎng)強。

如果采用CNG儲罐：建設(shè)滿足12 h用量的CNG儲罐，大約需要的場地面積為66 667 m2，如果采用移動LNG 儲罐，必須考慮與相鄰工廠邊界的安全防火間距，滿足12 h儲氣量的要求，可實施難度非常大。并且雙路市電中斷時，不應(yīng)再同時考慮燃氣中斷的工況，所以筆者認為，本工程符合A級數(shù)據(jù)中心對容錯的要求，從安全和經(jīng)濟角度不必設(shè)置12 h的儲氣量。

4.5 制冷系統(tǒng)的末端ATS

表1 A級數(shù)據(jù)中心和分布式能源站技術(shù)要求對比

關(guān)于制冷系統(tǒng)的配電，在通信局房設(shè)計早期，由于當時功率密度低，是采用單路供電或者房間級ATS 供電，隨著單機柜功率密度的提高，對空調(diào)系統(tǒng)的配電等級也在不斷提高，A 級數(shù)據(jù)中心要求采用雙路電源末端切換的供電方式，其目的在于任何一臺ATS故障，不會影響整個機房或者系統(tǒng)的供冷。

而對于分布式能源站，供冷架構(gòu)同常規(guī)的數(shù)據(jù)中心冷凍站不同，能源站配置了2套100%冗余配置的制冷系統(tǒng)，即溴化鋰制冷機組和電制冷機組，每套制冷系統(tǒng)均按N+1機組配置，且分別采用不同的母線段供電，因此，單臺溴化鋰機組或電制冷機組不設(shè)置末端ATS供電，也能滿足電氣系統(tǒng)任何單一故障或設(shè)備維修仍能保證制冷系統(tǒng)正常運行的要求。

5 小結(jié)

天然氣分布式能源作為一種新的為數(shù)據(jù)中心供能的系統(tǒng)，實現(xiàn)了能源的梯級利用，可同時滿足數(shù)據(jù)中心對電力和制冷的需求，符合國家倡導(dǎo)的高效環(huán)保、節(jié)能減排的要求。本項目案例為天然氣分布式能源在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用提供了參考。

a）項目初期投資高，從經(jīng)濟角度考慮，天然氣分布式能源項目是利用較低的運行費用來換取初期的高投資，因而適用于機房布局快、機架上架率高的客戶，并且燃氣內(nèi)燃機組單機容量大，適合有較高的初裝率的場景。

b）由于分布式能源其架構(gòu)不同于常規(guī)數(shù)據(jù)中心的雙路電源+油機+冷凍站模式，對于部分新客戶或定制化要求高的客戶，存在接受度低的問題，對于出租性數(shù)據(jù)中心，這一點是值得建設(shè)部門和市場部門注意的問題，工程建成后，再進行改造的難度和投資都將非常大。

c）對于采用分布式能源的數(shù)據(jù)中心的級別評定問題，建議參考Uptime 的認證思路，從容錯、冗余或者是否存在單點故障等使用功能來區(qū)分，可以有多重的形式選擇，不宜嚴苛地按照某單一物理架構(gòu)或硬件配置來區(qū)分，避免不必要的投資浪費。

d）目前國家關(guān)于天然氣的發(fā)展利用文件中，不管是《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（發(fā)改能源［2016］2743號），《加快推進天然氣利用的意見》（發(fā)改能源［2017］1217 號），還是《關(guān)于促進天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》（國發(fā)［2018］31 號）均鼓勵分布式能源站的削峰填谷應(yīng)用，此種運行模式對經(jīng)濟性是有利的，但是對于數(shù)據(jù)中心而言，由于溴化鋰機組的熱惰性與電制冷機組輸出差異較大，造成轉(zhuǎn)換平衡時間長，機組每天的2次投切對系統(tǒng)的安全性和運維的熟練要求非常高，對于高可靠等級的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時宜謹慎論證。

隨著國家電力體制改革的深入，電力供應(yīng)市場也將逐步放開，分布式能源站的建設(shè)也為數(shù)據(jù)中心以后靈活選擇電力供應(yīng)商，獲得更優(yōu)惠的電費價格提供了方便。隨著工業(yè)用天然氣價格的下降，可以預(yù)見天然氣分布式能源站在數(shù)據(jù)中心工程中有著良好的應(yīng)用前景。