论文《燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用》

2018-10-3111:49:57 发表评论 17

传统的集中式供能系统是采用大容量设备、集中生产,然后通过专门的输送设施(大电网、大热网等)将各种能量输送给较大范围内的众多用户。而分布式能源系统则是直接面向用户,按用户的需求就地生产并供应能量,以小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近,不仅可以省去长途输送设备及管网建设,还能提高供能可靠性,优化供能系统,降低输送能耗。

由于分布式能源系统是分散供能,单机功率较小,相对电厂单机功率有百万千瓦以上、单厂功率近千万千瓦而言,单机的发电效率比不上后者。分布式能源系统通过能源系统的梯级利用,使能源综合利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右,能源梯级利用效率达到70%以上,节能率达到20%~40%,能大量节省一次能源,能源梯级利用示意图如图0-1。

 

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用  图0-1能源梯级利用示意图

在我国,燃料结构长期以煤为主,大约占70%,火力发电以燃煤为主,能源利用率低下,仅为40%左右,硫化物、粉尘等的排放严重污染环境,影响人类身体健康。随着社会和经济的发展,天然气作为优质稳定、高效环保的清洁能源逐步成为社会生产及生活用能的发展方向。目前,很多地方的电力供应和燃气使用存在不均衡、不匹配的现象,夏季电力高峰时,电力企业往往会采取拉闸限电的措施以保障居民的正常生活用电,而此时的燃气资源却得不到充分利用,到了冬季情况正好相反。因此,如果能够均衡电力发展和燃气供应,实现削峰填谷,提高能源利用率,对缓解电力紧张,对能源事业的健康发展具有重要意义。

分布式能源是解决能源与环境问题、大力推进节能减排和科学用能的重要技术途径,是构建未来新一代能源系统的关键技术,是能源可持续发展的重要保障。分布式能源系统可以结合利用太阳能、风能、燃料电池等多种能源形式,通过综合运行策略,使系统的运行高效、节能。燃气冷热电分布式能源系统因其技术成熟、可靠、投资相对较低,已经在国际上得到了迅速地推广。

燃气冷热电分布式能源系统简介

燃气冷热电分布式能源系统(Combined Cooling ,Heating and Power,CCHP)是指以天然气为主要燃料,驱动燃气轮机或内燃机发电机等燃气发电设备运行,产生的电力满足用户的电力需求,系统排出的废热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者烟气直燃机等)向用户供热、供冷。常规的燃气冷热电分布式能源系统工艺流程图如图1-1。

 

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用

  图1-1燃气冷热电分布式能源系统工艺流程图

 

效益好等优点,是天然气高效利用的重要途径。燃气冷热电分布式能源系统符合总用能系统的“梯级利用”的准则,通过能源梯级利用的方式,满足用户电、冷、热、蒸汽、生活热水等各种负荷的需求,在系统提供多种负荷的工作过程中,使得天然气的热能被逐级利用。

采用天然气做燃料,能减少有害物的排放总量,SO2和固体废弃物排放几乎为零,温室气体CO2减少50%以上,NO2减少80%,总悬浮颗粒物减少95%,具有明显的减排效果,也为我国能源结构调整带来带来重大变革。

燃气冷热电分布式能源系统是布置在用户端的能源系统,大大简化输配电系统,减少了输送能耗,供电可靠性有保障。与利用太阳能、风能、水能等受地理气候等条件影响相比,供能安全及可靠性方面具有较高的灵活性,可与城市电网联网运行。当公用电网故障时,马上启动切换运行,向用户供电,缓解电网压力。

燃气冷热电分布式能源系统作为一种新型的能源利用方式,在美国、欧洲、日本等许多发达国家已被广泛的推广应用。发达国家政府通过规划引领、技术支持、政策优惠以及建立合理的价格机制和统一的并网标准,有效地推动分布式能源的发展。燃气冷热电分布式能源作为分布式能源系统的主要方式,在整个能源系统中占比不断提高,取得了显著效果。我国虽然起步较晚,随着国家的不断重视,已经从北京、上海、广州等少数几个城市逐步进入到实质性开发推广阶段,有了很大的发展。

燃气冷热电分布式能源系统按照原动机的不同分为三种类型,即燃气轮机系统、燃气内燃机系统、微燃机系统,表1-1为各种发电设备的主要特点。

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用

表1-1 发电设备的主要特点

 

燃气冷热电分布式能源的动力装置主要使用燃气轮机和内燃机。与燃气轮机相比,内燃机发电效率较高,电热比较大,部分负荷性能好。因此如果燃气冷热电分布式能源系统对电力需求较多或经常处于低负荷运行时,应优先考虑内燃机。内燃机的缸套水温度和排气温度较低,而燃气轮机的排气温度较高且流量大,因此如果用户对热量需求较大且对热量的要求较高时,燃气轮机具有很大的优势。从价格来看,燃气内燃机造价会便宜一点。目前,内燃机在较小容量的燃气冷热电分布式能源系统中占有一定优势,而燃气轮机在规模较大的系统中具有吸引力。

 

项目概况

该项目位于上海市松江区,由上海斐讯数据通信技术有限公司投资建设。基地南侧有文合路与松江城区联系,东至为斐讯数据通信技术有限公司总部一期地块,北至面丈港河,西至为待开发地块,作为该项目二期储备地块,也为办公用地。基地地势平坦,市政设施完善。一期工程占地54493.3平方米,总建筑面积125612.5平方米,含1#2#3#及地下室四个部分,其中1#楼为一类高层建筑,地上11层,主要功能为办公及展览;2#楼为一类高层建筑,地上8层,主要功能是数据中心;3#楼为多层建筑,地上5层,主要功能为办公和会议;地下为一层,主要功能是汽车库和设备用房,其中包括设计等级为核6级、常6级的人防地下室16627平方米。

 

设计参数

3.1 室外空气计算参数

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用

空调冷热源系统

按照业主设计任务书,该工程2号楼功能确定为数据中心,由于数据机柜常年散热,冷负荷巨大,需要24小时不间断制冷以维持机柜的正常运行。在该项目立案及可行性研究之后,明确本项目采用燃气冷热电分布式能源系统,以减少该项目对城市电网的冲击及过度依赖,缓解市政电网压力,提高数据机柜运行的安全性及可靠性。

根据数据中心的工艺布置,该数据中心大楼拟放置3000台数据机柜,每台机柜的耗电量为4.5KW,PUE值为1.6,则数据中心大楼空调冷负荷可按3000x4.5=13500KW考虑,全年稳定,该项目各单体设计计算负荷汇总详见表4-1。

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用

表4-1 设计负荷汇总表

 

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736-2012)第8.9.2条,采用燃气冷热电三联供系统时,以冷、热负荷确定系统发电量。这里提到的冷、热负荷不是指设计冷、热负荷,而应根据经济技术比较后,选取相对稳定的基础冷、热负荷,这对于整个建筑来说具有很好的经济效益。一期工程若按照总冷负荷来确定燃气冷热电分布式能源系统的容量,则选择四台功率为4300kW天然气内燃发电机组,对应的余热溴化锂机组制冷量为5000KW,系统总装机规模17200kW,总制冷量20000 kW。在夏季,4套机组正常运行,满足整个项目供冷、供电需求;在冬季,4套机组正常运行,其中3套余热溴化锂机组给数据中心供冷、1套余热溴化锂机组给办公楼供热,满足系统冷、热、电需求。对于过渡季节,此能源系统就不能充分利用。在春季和秋季,除了数据中心的稳定冷负荷,1#和3#办公楼甚至没有冷热负荷需求,就会使整个系统处于低效运行状态或部分停运状态,降低了系统的效率和使用率,机房占地及系统投资也比较大,不能充分体现燃气冷热电分布式能源系统的优越性。

该工程以数据中心空调冷负荷13500 KW为基准,配置三台功率为4300kW天然气内燃发电机组,对应的余热溴化锂机组制冷量为5000KW,系统总装机规模12900 kW,总制冷量15000 kW。发电机组发出的电力供内部使用,发电同时产生的烟气和缸套水由余热溴化锂机组转换后向数据中心提供冷负荷,使整个系统一直处于高效稳定的运行状态,也能降低系统的初投资。数据中心电力及冷负荷优先由分布式供能系统提供,电力和冷负荷不足部分由市电和电制冷机组提供。本工程燃气冷热电分布式能源系统流程图如图4-1。

 

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用

图4-1燃气冷热电分布式能源系统流程图

 

另外,为保障数据机柜常年24小时运行的可靠性,考虑到市政燃气故障或内燃机检修时需要由其他方式提供制冷,该工程设置了2台400RT螺杆式冷水机组和3台1600RT离心式冷水机组(其中1台为备用)。当燃气故障时开启两大两小四台冷水机组,总制冷量约为14000KW供数据中心使用,此制冷总量也能满足项目二期的投入运行。由于分布式能源系统的总装机规模仅满足数据中心的供电、供冷需求,不能同时满足办公楼的制冷、制热需求,所以冷水机组均采用双工况机组,给办公制冷时,供回水温度为6℃/12℃,给数据中心供冷时,供回水温度为12℃/18℃。另外配置2台2100KW的热水真空锅炉供一期办公楼冬季空调使用,锅炉房内预留机组安装空间便于项目二期的扩容。由于峰谷电差价的政策,白天用电高峰期,采用燃气冷热电分布式能源系统给数据中心供冷,仅开启一大一小两台冷水机组供一期办公使用;晚上电价低谷期,采用电制冷机给数据中心制冷,开启两大两小四台冷水机组。

 

系统运行控制策略

空调系统的运行策略,需要综合考虑空调设备性能、是否存在峰谷电价,是否有燃气优惠条件、是否存在节能补贴等因素。

另外,新的《上海市天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法》中对分布式供能项目按照1000元/kW给予设备投资补贴,对年平均能源综合利用效率达到70%及以上且年利用小时在2000h及以上的分布式供能项目再给予2000元/kW的补贴。每个项目享受的补贴金额最高不超过5000万元。燃气供应企业要优先保障天然气供应,实施优惠气价。

在充分评估以上原则之后,该项目具体的系统运行控制策略见下表5-1。

 

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用  表5-1 分布式能源系统运行控制策略及故障应对策略

 

故障响应措施

电网、气网、供能模块均正常电价峰、平时段,3台发电机组满负荷发电运行且市电同时供电,市电仅保持最低输入状态;电价谷时段,发电机组停机,由市电提供全部电力电价峰、平时段,由溴化锂机组供冷;电价谷时段,电制冷机组供冷。

电网正常气网正常,供能模块有一套故障:

未发生故障的2套供能模块运行发电,由市电补充不足电负荷正常运行的发电机组对应2台溴化锂机组制冷,供数据中心使用,不足部分由电制冷机组补充。

气网正常,供能模块有两套及以上故障:

未发生故障的供能模块满负荷运行,由市电补充不足电负荷正常运行的发电机组对应的溴化锂机组运行制冷,启动办公楼电制冷机组为数据中心补充冷量。

气网故障市电供应全部电负荷:

启动办公楼电制冷机组为数据中心补充冷量,办公楼停止供冷。

电网故障气网、供能模块均正常:

发电机组提供数据中心全部电负荷溴化锂机组满负荷运行为数据中心供冷。

气网正常、供能模块有1套故障:

未发生故障的2套供能模块运行发电,起动柴油发电机组补充不足电负荷正常运行的发电机组对应2台溴化锂机组制冷,供数据中心使用,另一台补燃型溴化锂机组由燃气启动供冷。

气网正常、供能模块有2套故障:

未发生故障的供能模块满负荷运行,启动柴油发电机组补充不足电负荷正常运行的发电机组对应的溴化锂机组运行,另两台补燃型溴化锂机组由燃气启动供冷。

电网、气网均故障全部由柴油发电机组供电:

启动办公楼电制冷机组为数据中心供冷,办公楼停止供冷。

燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目中的运用

该工程以数据中心空调冷负荷来确定分布式能源系统的装机容量,结合上述表格的运行策略,可以计算得到,系统最大年利用小时数为365x16=5840h,远远大于2000h,系统能保证很高的满负荷运行小时数,使发电机组运行在发电效率较高的工况。发电机年满负荷运行小时数越高,系统投资经济性越明显。也满足《燃气冷热电三联供工程技术规程》中明确要求装机规模小于等于15MW的燃气冷热电分布式能源系统的年平均能源综合利用率大于70%的要求,实现余热的梯级利用。通过合理利用调峰设备和调峰方式,提高了数据中心供电、供冷的稳定性,根据用户负荷的变化,在保证发电系统设备及余热利用设备得以充分利用的前提下,实现费用最低的调峰运行模式,大大提高项目的经济效益。

 

设计分析及结论

燃气冷热电分布式能源系统经济性的实现有赖于最大限度地发挥系统自发电以及发电余热的利用效率,因此在燃气冷热电分布式能源系统设计中需要注意以下几个问题:

1)需要紧密结合建筑功能,分析冷、热负荷的特点,特别是过渡季负荷的变化。全面、准确、细致的负荷分析是燃气冷热电分布式能源系统设计的必要条件,如果对建筑的负荷计算不够细致,就会对系统产生相当大的影响。

2)应根据供能对象的冷、热、电负荷特性确定发电设备容量,一般以热定电为原则。以热定电是保证发电机组余热在基本全部被利用的情况下确定发电机组容量,发电和余热量与需求匹配良好,没有过度的发电能力或余热量的浪费,此时可以实现最大的综合能源利用效率。按照以电定热模式设计的系统一般将导致发电机组装机容量偏高,能源的综合能源利用效率不能达到最高。

3)要认真研究国家层面及地方政府出台的鼓励燃气分布式能源发展的支持政策,包括天然气价格优惠、税收优惠政策、财政补贴、上网电价等问题,以此作为系统运用及运行的先决条件。

在数据中心项目中,存在常年稳定的电力及制冷需求,燃机的余热能被充分利用,能保证较高的满负荷运行小时数,这为燃气冷热电分布式能源系统提供了很好的运用条件。通过设备容量的合理选择、运行策略的精心制定,系统的高效性、安全性、经济性等优点都能很好的体现出来,这为燃气冷热电分布式能源系统在数据中心项目的推广提供了良好的应用前景。

 

来源:朱云《工程建设标准化》

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