數據中心天然氣分布式能源系統供電方案設計

沈洪流

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

0 引言

分布式能源系統是指安裝在用戶端的能源綜合利用系統。天然氣分布式能源系統是以天然氣作為能源，將制冷、供熱（采暖和供熱水）及發電一體化的多聯產系統。

IDC（互聯網數據中心）機房設備的用電量和發熱量都很高，需要常年不間斷運行，具有電、冷負荷需求大而且波動相對較小的特點；同時空調系統通常采用電制冷機組，其用電量占整個機房用電量的比例高達40%以上，能源效率低。而且，傳統數據中心僅采用柴油發電機作為應急電源來保障供電的可靠性，柴油發電機在電網供電穩定的情況下長期處于停機狀態，未給數據中心帶來任何經濟效益，反而增加了工程造價和運維成本，造成了不小的資源浪費。

目前在經濟發達地區，傳統數據中心由于能耗問題已很難通過當地政府的節能評估審核。因此引入天然氣分布式能源系統就地向數據中心提供電力和制冷量，不僅有利于提高數據中心的可靠性，更關鍵是實現了能源梯級利用和電力就地消納，有效地降低能源消耗，對提高區域能源綜合利用率具有積極作用。

由于數據中心對供電可靠性的要求很高，本文以建設中的浙江某互聯網數據中心天然氣分布式能源示范項目為例，從設計角度對其供電方案進行研究和分析。

1 數據中心天然氣分布式能源系統簡介

應用天然氣分布式能源系統的數據中心通常分為能源站、IDC樓、變電站三大部分，其中能源站由燃氣內燃機發電機組、煙氣-熱水型溴化鋰制冷機組（以下簡稱“溴機”）、離心式電制冷冷水機組（以下簡稱“電制冷”）、柴油發電機組以及相關輔助設備組成。

燃氣內燃機發電機組以天然氣為燃料，在發電的同時提供熱能（高溫煙氣和中溫缸套冷卻水）作為溴機的制冷熱源，制取冷凍水供應給數據中心空調系統，滿足數據中心的冷量需求。

能源站的正常運行方式采用“以冷定電”，即燃氣內燃機發電機組與市電并網運行，其出力根據數據中心冷量需求的變比進行調節，所發電量扣除能源站自用電后通過變電站10 kV母線送至IDC樓，基本可以滿足IDC樓約80%尖峰電力負荷的需求，IDC樓電力缺額部分由市電補充。當市電失去時，由能源站內的燃機氣內燃發電機組和應急柴油發電機組共同為整個數據中心提供應急電源。具體電力、冷能供應流程見圖1。

圖1 數據中心天然氣分布式能源系統框圖

通過對天然氣一次能源的梯級利用，整套系統的能源綜合利用率可達到85%以上，遠遠超過常規發電系統的效率。

表1 各級數據中心總體要求

2 數據中心可靠性要求

依據ANSI/TIA-942《數據中心通信基礎設施標準》[1]及Uptime Institute《數據中心現場基礎設施分級標準：拓撲》[2]，數據中心按其基礎設施的可持續運行能力分為4個級別，相關要求見表1。

由于T1及T2等級的可靠性較低，T4等級的建設成本又太高，近期已投運或在建的公共數據中心絕大多數為T3等級或可靠性介于T3與T4之間的T3+等級。本文案例中的某數據中心即為T3+等級，項目業主在建設前期階段就提出該數據中心的供電系統可用率須達到“五個九”（即99.999%）的高標準要求。

3 機組配置方案

數據中心能源站的機組配置及運行方式，要求能在任何可能的工況條件下，均須滿足數據中心的電力及冷量供應需求。以某數據中心為例，其IDC樓的冷負荷需求見表2。

表2 某IDC樓冷負荷需求匯總

按照“以冷定電”原則，能源站根據數據中心冷負荷確定的裝機方案為：9臺4 275 kW燃氣內燃發電機組+9臺4 505 kW溴機，同時配備9臺4 571 kW電制冷作為溴機的備用（即制冷主機采用“2N”冗余配置）。

整個數據中心的用電負荷需求見表3，其應急電源的配置有以下兩個方案：

（1）全部采用柴油發電機組方案。若全部采用柴油發電機組作為應急電源，此時溴機由于燃氣內燃機發電機組不啟動而全部停運，數據中心的冷能供應保障需要全部依靠電制冷。根據表3中的用電負荷需求，按照每12臺必須備用1臺的原則，需要配置36臺1 820 kW柴油發電機組，具體匹配詳見表4。

表3 某數據中心用電負荷需求匯總

（2）采用燃氣內燃機發電機組+柴油發電機組方案。由于能源站內已配備的燃氣內燃機發電機組同樣具備作為應急電源的功能，只是啟動時間及帶載特性不如柴油發電機組，在采取了統一并機控制系統、同型號自動負載分荷控制器以及選擇合適的黑啟動控制邏輯等措施后，完全可以實現多臺燃氣內燃機發電機組和柴油發電機組在孤網狀態下同時啟動、依次并網、并機運行和自動分配負載的功能，在市電失去情況下共同為整個數據中心提供應急電源。因此，在能源站已有9臺4 275 kW燃氣內燃機發電機組的情況下，需要再配置11臺1 820 kW柴油發電機組，具體匹配詳見表4。

表4 某數據中心發電機組應急供電能力匹配

由以上分析可見，對于應用天然氣分布式能源系統的數據中心，采用燃氣內燃機發電機組和柴油發電機組共同為整個數據中心提供應急電源的方案，可減少柴油發電機組配置25臺，不僅節約工程造價約6 900萬元，且降低了運維費用。

4 電氣系統接線方案

為滿足T3或T3+等級數據中心的可靠性要求，數據中心整個電氣系統的設計至少應避免單點故障或某一設備維護時影響對IDC樓內設備負載的供電或制冷系統的運行。基于這一原則，考慮數據中心內各區域的電氣系統接線方案如下，其中市電、主變壓器（以下簡稱“主變”）、配電變壓器、各級電壓母線以及各重要供電線路均按100%冗余設計，相應電氣系統接線見圖2。

4.1 110 kV變電站

數據中心變電站采用雙路110 kV市電電源，分別通過獨立線路引自附近2個220 kV變電站的110 kV母線，以保證市電電源的可靠性。站內配置2臺容量100%冗余的110/10 kV主變，110 kV部分采用內橋接線，10 kV部分采用單母線分段接線，每段10 kV母線均設1回至能源站的聯絡線以及6回至1~3號IDC樓的饋線。正常2臺主變分列運行，110 kV橋開關及10 kV分段開關均設有備自投裝置。

4.2 IDC樓

IDC樓內電氣交流負荷均為低壓。每幢IDC樓設2套中壓配電系統，每套中配由兩段10 kV母線組成，單母線接線，不設聯絡開關。每段10 kV母線各設1路單電源進線，分別引自110 kV變電站內不同10 kV母線段，正常兩路電源同時工作。

每套中壓配電系統下設4對互為備用的低壓工作變壓器及相應4套低壓配電系統（以下簡稱“低配系統”）。低配系統采用單母線分段接線。每對低壓工作變分接于中配不同10 kV母線段上，正常分列運行，當其中1臺變壓器停運時，低壓母聯開關自動/手動閉合，由另一臺承擔所有低壓負荷供電。

4.3 能源站

能源站設置兩段10 kV發電機母線，采用單母線分段接線，9臺4 300 kW燃氣內燃機發電機和11臺1 800 kW應急柴油發電機分別接至兩段10 kV發電機母線。能源站每段10 kV發電機母線各通過1回聯絡線分別接入數據中心變電站的兩段10 kV母線，聯絡線采用共箱封閉母線。正常兩段發電機母線分列運行，10 kV分段開關設備自投。

能源站另設置兩段10 kV站用母線，均采用單母線接線，供能源站站內用電負荷。每段10 kV站用母線設2回進線電源（1主1備且自動切換），分別引自能源站內兩段10 kV發電機母線。雖然接于10 kV站用母線的10 kV電制冷為單電源供電，但是由于能源站內制冷主機（溴機+電制冷）為“2N”冗余配置，且溴機電源由低配供給，因此當一段10 kV站用母線停運時，系統仍能保障至少一半電制冷及全部溴機的供電。

能源站設2對互為備用的低壓廠變及2套低壓配電系統。低配系統采用暗備用動力中心和電動機控制中心的供電方式[4]，PC（動力中心）為單母線分段接線，MCC（電動機控制中心）設雙路電源進線（1用1備），分接于不同PC段上。每臺電制冷配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相關輔機采用獨立MCC供電，該MCC采用雙回路供電并設ATS（自動轉換開關電器）。

能源站內控制系統、火災報警系統、關鍵閥門等重要負荷采用UPS（不間斷電源）或直流供電，UPS及直流系統均為“2N”冗余配置。保障連續供冷的二次泵采用獨立UPS供電，所配套的蓄電池組能保證二次泵滿負荷運行15 min。

5 供電可靠性分析

5.1 可靠性數據及其來源

由于缺乏110 kV電氣設備及輸電線路的可用率統計數據，本文暫根據2008—2017年某省10 kV城市用戶供電可靠性指標數據[5]，分析得出數據中心變電站每路10 kV市電電源的年平均可用率為99.958 8%，年平均停電時間為3.605 h。10 kV及380 V系統主要變配電設備可靠性數據及其來源見表5。

5.2 發電機組可用率估算

圖2 某數據中心電氣系統接線

表5 主要設備可靠性數據及其來源

取單臺燃氣內燃發電機組可用率為97.5%。根據IEEE 493-2007相關數據，取單臺應急柴油發電機組可用率為99.826 5%[3]。取發電機組群加載并網控制系統可用率為99%。在燃氣內燃發電機組為8+1臺冗余、應急柴油發電機組為10+1臺冗余情況下，計算可得整套應急電源可用率為 96.903 74%。

5.3 估算結果

依據以上系統及設備可用率數據以及整個數據中心的電氣系統接線，對各級母線的供電可用率進行初步估算[6-9]，估算結果見表6，其中向電氣負荷供電的380 V配電母線可用率均達到T3+等級數據中心“五個九”的要求。

表6 各級母線供電可用性估算結果

6 結語

隨著大數據和云計算應用的快速發展，大規模、高等級數據中心的建設需求日益增長，然而由于傳統數據中心高耗能的缺點，項目在經濟發達地區的落地已十分困難，天然氣分布式能源系統的應用為解決這一難題提供了一種新的途徑[9-15]。在此類項目中，對于如何將數據中心高可靠性要求與天然氣分布式能源電氣系統設計理念兩者有機結合，本文給出了一種較為完善的供電系統解決方案，主要可歸納為以下幾點：

（1）采用燃氣內燃發電機組和柴油發電機組共同為整個數據中心提供應急電源。

（2）市電、主變壓器、配電變壓器、各級電壓母線以及各重要供電線路均按100%冗余設計。

（3）每臺電制冷配套的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相關輔機采用獨立MCC供電，該MCC采用雙回路供電并設ATS。

（4）能源站內UPS及直流系統采用“2N”冗余配置。

（5）保障連續供冷的水泵采用獨立UPS供電，所配套的蓄電池組能保證水泵滿負荷運行15 min。