燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)在IDC機(jī)房的適用性研究

許偉明， 代 勇， 梁永建

（1.北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司，北京 100101；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，即CCHP（Combined Cooling，Heatingand Power），屬于分布式能源，是將電力、熱力、制冷等技術(shù)按照“梯級(jí)利用”原理，將每種技術(shù)的冗余限制在最低狀態(tài)，利用效率發(fā)揮到最大狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)約資金的目的。

我國(guó)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國(guó)外，其主要原因有二：一是缺乏充足的天然氣資源；二是受電力系統(tǒng)管理體制的制約。隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及天然氣在能源利用中比重的不斷增加，我國(guó)以天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)建設(shè)已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性開發(fā)實(shí)施階段，在北京、上海、廣州等大城市有一批熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)示范工程投運(yùn)。如北京燃?xì)饧瘓F(tuán)指揮監(jiān)控中心、北京清華科技園（文津國(guó)際公寓）、北京會(huì)議中心、北京火車南站、北京蟹島生態(tài)園區(qū)、上海浦東機(jī)場(chǎng)、上海舒雅健康休閑中心、廣東鋁業(yè)集團(tuán)、成都深蘭綠色能源站等國(guó)內(nèi)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供的工程[1]。

本文結(jié)合北京地區(qū)某IDC機(jī)房工程案例對(duì)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供在IDC機(jī)房應(yīng)用情況進(jìn)行安全可靠性分析，探索燃?xì)饫錈犭娙?lián)供在IDC機(jī)房的適用性，以期將該三聯(lián)供供能方式合理的利用到IDC機(jī)房領(lǐng)域。

1 項(xiàng)目建設(shè)情況

項(xiàng)目建設(shè)的北京地區(qū)某IDC機(jī)房總建筑面積約為3萬(wàn)m，包括IDC主機(jī)房、輔助區(qū)和設(shè)備支持區(qū)。IDC主機(jī)房主要用于存放數(shù)據(jù)機(jī)柜、交換和傳輸設(shè)備等，其布置了普通機(jī)柜、高密機(jī)柜共2500面。

該IDC機(jī)房按照《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》A級(jí)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè)，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)作為IDC機(jī)房的能源供應(yīng)設(shè)施，為IDC機(jī)房提供必要的冷電需求，在保證IDC機(jī)房的正常安全穩(wěn)定運(yùn)行下，向周圍建筑物提供冷、熱供應(yīng)。建設(shè)的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)要配合IDC機(jī)房整體設(shè)計(jì)要求和理念，建設(shè)成為可靠、安全、高效、節(jié)能、低污染的現(xiàn)代化供能中心[2]。

表1 對(duì)于A級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)要求

2 負(fù)荷分析及要求

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)常年為IDC機(jī)房提供用電及用冷需求，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的供電系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)均應(yīng)滿足《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2008）要求。

2.1 用電負(fù)荷特點(diǎn)與供電要求

IDC機(jī)房主要用電包括主機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、通訊設(shè)備、專用空調(diào)、應(yīng)急照明、消防用電等，利用eQUEST軟件分析測(cè)算IDC機(jī)房全年總用電量波動(dòng)范圍較?。?.9～1）。

按照A級(jí)IDC機(jī)房的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，供給IDC機(jī)房的用電電源有兩路和有冗余的備用電源系統(tǒng)。且雙路電源?？照{(diào)系統(tǒng)配電，確?？照{(diào)系統(tǒng)供冷的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2.2 冷負(fù)荷特點(diǎn)與空調(diào)要求

IDC機(jī)房的冷負(fù)荷由主要工藝設(shè)備的散熱形成冷負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成冷負(fù)荷、新風(fēng)引起冷負(fù)荷、照明散熱和人體散熱形成冷負(fù)荷組成。

IDC機(jī)房中主要工藝設(shè)備散熱量大且集中，主要為設(shè)備的顯熱，即使在冬季也需要供冷，因而供冷負(fù)荷隨季節(jié)變化波動(dòng)不大，全年均需供冷。利用eQUEST軟件分析計(jì)算，IDC機(jī)房冷負(fù)荷受外界氣候等條件影響很小，冷負(fù)荷變化幅度為0.9～1。

按照A級(jí)IDC機(jī)房的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，要求空調(diào)系統(tǒng)常年為IDC機(jī)房提供冷量，維持IDC機(jī)房的溫度恒定。要求配置冗余的空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組、冷凍和冷卻水泵。

2.3 熱負(fù)荷特點(diǎn)與空調(diào)要求

由于IDC機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備常年散熱，常年無(wú)需采暖。冬季采暖僅滿足周邊的辦公及相關(guān)配套建筑。

2.4 系統(tǒng)總?cè)萘?/h3>

為滿足IDC機(jī)房總用電和用冷需求和設(shè)計(jì)規(guī)范，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)配置見表2[3]：

在滿足IDC機(jī)房全部用電量和用冷量的同時(shí)，由于系統(tǒng)配置總制冷能力遠(yuǎn)大于IDC機(jī)房需冷量，可考慮為IDC機(jī)房周邊建筑提供冷量約為16.8MW，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。其系統(tǒng)中燃?xì)鉄崴仩t與余熱直燃機(jī)可為IDC機(jī)房周邊建筑提供采暖需求，預(yù)計(jì)采暖面積約為48萬(wàn)m2。

表2 設(shè)備類型、容量及冗余率

3 設(shè)備配置分析

3.1 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)配置原則

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的設(shè)備配置原則如下：（1）燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為主電源，發(fā)電設(shè)備的設(shè)置臺(tái)數(shù)按N+1考慮。

（2）雙路市電備用：要求供給IDC機(jī)房的備用電源為雙路，且兩路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

（3）雙路冗余UPS供電：若燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組全部受到損壞，切換到市電的過程中，可由UPS提供短暫的電源。

（4）余熱直燃機(jī)按100%補(bǔ)燃考慮，在發(fā)電機(jī)停運(yùn)時(shí)，可以通過補(bǔ)燃保證冷供應(yīng)。

（5）設(shè)置備用電制冷機(jī)，在余熱直燃機(jī)停運(yùn)時(shí)，可以用電制冷機(jī)帶全部冷負(fù)荷。

（6）水泵、冷卻塔等臺(tái)數(shù)設(shè)置均按N+1考慮。

3.2 常規(guī)供能系統(tǒng)的設(shè)備配置原則

常規(guī)供能系統(tǒng)是指市政電力作為IDC機(jī)房電源，電制冷機(jī)組提供IDC機(jī)房冷源。常規(guī)供能系統(tǒng)的設(shè)備配置原則如下：

（1）雙路市電作為主電源，其各自帶50%負(fù)荷，且兩路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

（2）柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，設(shè)置臺(tái)數(shù)按N+1考慮。

（3）雙路冗余UPS供電：若雙路市電全部受到損壞，切換到柴油發(fā)電機(jī)組的過程中，可由UPS供電。

（4）配置N+1的電制冷機(jī)組，且兩路電源，其中至少一路為應(yīng)急電源，即備用柴油發(fā)電機(jī)組作為電制冷機(jī)組的應(yīng)急電源。

（5）水泵、冷卻塔等臺(tái)數(shù)設(shè)置均按N+1考慮。

3.3 兩種供能系統(tǒng)的安全性對(duì)比

為備用電源。

現(xiàn)在，又一個(gè)浪頭打了來，木桶最終還是經(jīng)不住大浪，被打了個(gè)底朝天，等孔老一把木桶再翻轉(zhuǎn)過來時(shí)，潘云早沒了身影。

燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的10kV電送入其10kV母線，并分別饋出1路電源至IDC機(jī)房變配電室的10kV母線，帶IDC機(jī)房的用電負(fù)荷。根據(jù)電力公司接入系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定和要求，要求在并網(wǎng)線路10kV線路側(cè)不允許潮流返送，在開關(guān)站所帶負(fù)荷需就地平衡。為防止向系統(tǒng)返送潮流造成對(duì)系統(tǒng)以及其他用戶的影響，在開關(guān)站并網(wǎng)線路上需加裝逆功率保護(hù)。

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)中直燃機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、冷卻塔及其它用電設(shè)備等分別由低壓0.4kV系統(tǒng)接入。

當(dāng)市電停電時(shí)，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)為燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)配有EPS電源，以滿足一臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)自身啟動(dòng)時(shí)所需電力需要。當(dāng)一臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)

表3 兩種供能系統(tǒng)的安全性對(duì)比

由表3對(duì)比可知，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的供能保障度不低于常規(guī)系統(tǒng)。

（1）燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)對(duì)外部市政條件依賴程度小。唯有市政電力和燃?xì)馔瑫r(shí)出現(xiàn)故障，才致使三聯(lián)供系統(tǒng)無(wú)法正常供能。

（2）系統(tǒng)之間的設(shè)備互備率高。燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的同類型設(shè)備之間的互備率高，且發(fā)電機(jī)組與市電組成互備，余熱直燃機(jī)與電制冷組成互備，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

4 供能模式

4.1 供電模式

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組采用4用1備配置方式，并網(wǎng)運(yùn)行方式。燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組全年運(yùn)行，全年為IDC機(jī)房提供電、冷。發(fā)電機(jī)組作為常用電源，年運(yùn)行約8000h，為IDC機(jī)房提供電負(fù)荷，雙路市電作電機(jī)啟動(dòng)以后再依次啟動(dòng)其余燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)。

4.2 供冷模式

由于燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)全年運(yùn)行，優(yōu)先利用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的煙氣與缸套水余熱制冷。其中余熱直燃機(jī)也采用4用1備配置方式。

過渡季和夏季，余熱直燃機(jī)利用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)燃燒天然氣產(chǎn)生的煙氣余熱和高溫缸套水余熱進(jìn)行制冷，以滿足IDC機(jī)房冷量需求。

冬季，由于室外溫度較低，采用自然冷卻方式（免費(fèi)制冷方式）為IDC機(jī)房提供冷量，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱可對(duì)周邊建筑供暖。

正常情況下，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的煙氣和缸套水進(jìn)入余熱直燃機(jī)制冷為IDC機(jī)房提供冷量。同時(shí)，系統(tǒng)備用的電制冷機(jī)處于備用狀態(tài)，為提高備用電制冷機(jī)的利用率，考慮利用備用電制冷機(jī)向周邊建筑供冷，也提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)余熱直燃機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備用的電制冷機(jī)可及時(shí)切換保證IDC機(jī)房的供冷連續(xù)性。

4.3 供熱模式

由于IDC機(jī)房冬季的全年散熱量穩(wěn)定，冬季也需要制冷，利用自然冷卻方式（免費(fèi)制冷方式）為IDC機(jī)房提供冷量，不僅大大降低系統(tǒng)的電耗，而且提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)型。

同時(shí)，余熱直燃機(jī)利用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)的余熱進(jìn)行制熱，可滿足周邊建筑冬季采暖負(fù)荷需求。配置燃?xì)忮仩t用于周邊建筑采暖負(fù)荷調(diào)峰。

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)冬季供暖模式延長(zhǎng)了燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，余熱利用最大化，提高系統(tǒng)整體能源利用率，節(jié)省了周邊建筑的市政設(shè)施投入。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過分析研究燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)在IDC機(jī)房運(yùn)行中的安全可靠性和節(jié)能減排的效果。按照電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范要求配置系統(tǒng)設(shè)備，滿足電源和冷源的冗余要求，通過分析對(duì)比三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)供能系統(tǒng)的安全性，得出在IDC機(jī)房領(lǐng)域的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的安全性不低常規(guī)供能系統(tǒng)，滿足IDC機(jī)房用能要求，其節(jié)能效果明顯，同時(shí)也充分證明燃?xì)饫錈犭娐?lián)產(chǎn)在IDC機(jī)房具有普遍適用性。

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[1]朱成章.美國(guó)冷熱電聯(lián)產(chǎn)綱領(lǐng)及啟示[J].中國(guó)電力，2000，33（9）：91～94.

[2]楊建新，徐成，王如松.產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[M].氣象出版社，2002，6.

[3]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置及應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社，2010，2.