2015年11月底至12月月中,我國北方地區經歷了連續幾次霧霾重污染的天氣,北京發出了霧霾重污染紅色預警,霧霾對于北京市民來說已是司空見慣了,重污染猛烈沖擊著人們的心理防線,對工農業生產、城市建設和人民的正常生活造成了嚴重的影響,甚至連數據中心也不能免受其害。

1 霧霾對數據中心造成的危害

霧霾是由于空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子增多,使大氣混濁與霧氣混合。這些灰塵、粉末狀的金屬等顆粒物常常會躲過數據中心的過濾裝置,抵達數據中心的制冷設備、電路系統的表面。即使在非霧霾天,許多數據中心的風扇、多孔地板磚、電纜、設備柜的縫隙里都會積聚著大量的灰塵和臟東西。帶有靜電的灰塵會損壞服務器、網絡或存儲設備。250V的靜電就可能導致數據丟失、設備重啟、微電路的損壞。未密封或者密封不當的地板、暴露的墻面、打印機都會帶來粉塵,造成停機、火災的風險。在霧霾重污染天氣里,有更多的細小漂浮顆粒進入數據中心,會覆蓋在各種電子元器件上,使得機房散熱性能下降。而且其中的腐蝕物質會使線纜間的絕緣電阻下降甚至短路,對于配線架的端口、機箱等都會造成非常大的影響。

霧霾對數據中心的危害有以下幾個方面。

(1)腐蝕電路板,縮短設備的壽命

霧霾中的微小顆粒吸收空氣中的濕氣后,在被微小顆粒污染的設備表面上形成電解層,這對許多金屬會產生腐蝕作用。

如果電解液浸透到導線保護層形成腐蝕點,并且該腐蝕點所處位置的導體有不同的電壓,則在導線與導體之間就可能產生電弧,這樣的電弧通常會燒壞元器件。

(2)堵塞防塵網,影響IT設備的散熱效率

夾帶在霧霾中的灰塵通過機房內部氣流的交換,進入網絡設備內部,積塵會導致機房IT設備防塵網的堵塞,造成散熱器的散熱性能變差,大功率器件溫度急劇上升,設備風扇受控轉動更快,影響散熱效果,導致局部元器件的溫度上升,甚至會使IT設備因過熱導致宕機、損壞等情況的發生。

(3)降低機房電路與元器件的絕緣性能

隨著機房IT設備電器元件性能的提高,其對環境參數的要求和對大氣污染的敏感性也越來越高。如果機房密閉效果不好,落在設備上或吸附在人體上的灰塵,就會通過數據中心內的氣流交換進入網絡設備內部,這些金屬離子與潮濕空氣結合,就會降低電路與元器件的絕緣性能。

為了防止或降低霧霾對數據中心的影響,各數據中心都有自身的防范措施,更重要的是重視并開展環境監測工作。但這些均為被動的應對措施,消除霧霾,減少和杜絕污染天氣的發生才是最根本之策。

霧霾產生的原因很多,其中一個重要的原因是能源結構不夠合理,我國發電以火力發電占主要比例,目前至少有67%左右是燒煤,清潔煤技術的推廣還不普及,有很多設施運行的不好,環境治理不到位。所以,清潔能源的利用是消除霧霾的一個重要手段。數據中心是耗電大戶,清潔能源在數據中心中的應用具有現實意義。冷熱電三聯供是否能在數據中心得到應用呢?這已成為業界普遍關心的問題。

2 冷熱電三聯供的結構和工作原理

分布式能源是相對于傳統的集中供電方式而言,是指將冷熱電系統以小規模、小容量(數千瓦至50MW)、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近,可獨立地輸出冷、熱、電能的系統。分布式能源的先進技術包括太陽能利用、風能利用、燃料電池和天然氣冷熱電三聯供等多種形式。

隨著分布式能源技術的不斷發展,以天然氣為主要燃料,推動燃氣輪機或內燃機發電,再利用其發電余熱為用戶制冷或供熱的燃氣冷熱電三聯供,即CCHP(CombinedCooling,HeatingandPower)系統已成為分布式能源的一種主要形式。也就是說,CCHP是一種以燃氣為一次能源用于發電,并利用發電后產生的余熱進行制冷或供熱,同時向用戶輸出電能、熱(冷)的分布式能源供應系統。CCHP的典型結構如圖1所示。

由圖1可見,冷熱電三聯供主要由兩部分組成——發電系統和余熱回收系統。發電部分以燃氣內燃機、燃氣輪機或微燃機為主,近年來還發展有外燃機和燃料電池。余熱回收部分包括余熱鍋爐和余熱直燃機等。小型冷熱電三聯供系統中的燃氣輪機或其他發電裝置燃燒天然氣做功,首先是將其中約35%的能量轉化為電能,這部分自發電和市電同時向自身用戶供電;其余大部分能量是在煙氣余熱和缸套水介質中,這些熱量被余熱系統回收用來產生所需冷和熱。系統可由高度智能化的控制系統集中控制,實現發電機組和余熱回收系統的連鎖運行,對不同的冷熱電負荷情況下按不同的運行方式運行,同時還可接入樓棟控制系統;也可實現無人值守,通過電話線與遠程控制站相連,實現遠程控制。

CCHP系統建立在能量梯級利用概念基礎上,將供熱(采暖和供熱水)、制冷及發電過程有機結合在一起,三聯供系統的一些特性與數據中心負荷波動較小、用電和用冷量大、常年需要供冷的用能特點較匹配,因此在數據中心中具有較高的應用可行性。

CCHP的基本原理是溫度對口、梯級利用,如圖2所示。首先潔凈的天然氣在燃氣發電設備內燃燒產生高溫高壓的氣體用于發電做功,產出高品位的電能,發電做功后的中溫段氣體通過余熱回收裝置回收利用,用來制冷、供暖,其后低溫段的煙氣可以通過再次換熱供生活熱水后排放。通過對能源的梯級利用使能源利用效率從常規發電系統的40%左右提高到80%左右,大量節省了一次能源。

3 CCHP系統的優勢

CCHP系統具有節能、減排、經濟、安全、削峰填谷、促進循環經濟發展等多種不可替代的優勢。

(1)提高能源綜合利用效率

CCHP系統的節能不是單純的設備或工藝的節能,而是整個供能系統的節能。由于系統建在用戶現場或鄰近,減少了能源傳輸運過程的損失。以供電為例,大型電廠遠離用戶,通過高壓輸變電網的逐級降壓后進入配電網,再分配給低壓用戶,遠距離輸電損失一般占到總發電量的5%～10%,配電網中的電能損耗更大。CCHP系統避免了輸配電損失,還應用了能量梯級利用原理,先發電,再利用余熱,體現了由能量的高品位到低品位的科學用能,且使一次能源綜合利用效率和效益大幅度提高。

一般普通的火力發電系統,輸入熱量按100%計算,扣除送電損失約2%、未利用的排熱約60%、其發電效率約38%。而對清潔能源天然氣冷熱電聯供系統,同樣輸入熱量按100%,發電占25%～40%,排熱利用占40%～50%,如果把用電和用熱分配好,綜合效率可以達到70%～80%,而沒利用的排放熱僅為20%～30%。因此,天然氣冷電熱聯供系統由于增加了排放余熱的利用,其綜合效率比普通的火力發電系統高約30%～40%。

(2)降低排放,保護環境

由于采用清潔燃料,大量減少了煙氣中溫室氣體和其它有害成分,一次能源綜合利用率的提高和當地的各種可再生能源的利用進一步起到減排效果。據測算,在滿足同樣電熱負荷的條件下,CCHP系統供能方式與傳統燃煤發電分供方式比較,CO2排放可降低約50%。近年來,脫氮及溫室氣體捕獲利用技術的發展可以使CCHP系統供能系統滿足各種嚴格的環保標準。

(3)良好的經濟性

天然氣燃燒可得到1500℃的高溫能源,將這部分能源由高到低進行多階段的利用,可以把制冷、采暖、電力和衛生熱水等優化整合為一個新的、統一的能源系統,可實現不同形式、不同能量的梯級利用,以獲得整個系統最佳能量綜合利用效果。

(4)有利于電力負荷的調峰

天然氣冷熱電聯供系統可作為傳統電力系統的補充調峰,更好地保證電力供應。在用電高峰時,能使電力負荷平均化。

夏季城市大量使用電力空調時,電力負荷會在一段時間內出現負荷高峰,同時夏季也是用氣的低谷時期,有富余的供氣能力。通過利用天然氣冷熱電聯供可在滿足高峰用電的同時,還可以利用排放余熱來制冷,也可減少電力調峰裝置投資和運行費用,用電負荷得以改善,更好更充分地發揮天然氣基礎設施的功能。

CCHP系統對電力與燃氣供應的削峰填谷是其重要的功能。如北京等大城市夏季多采用電制冷,冬季用燃氣鍋爐供熱,電力及燃氣供應存在很大的季節性峰谷差,以2007年以來的北京為例,采暖季天然氣耗量可占全年用氣量的80%,冬夏燃氣供應量峰谷差達到8:1以上,而制冷季空調耗電占總電負荷的40%,電力峰谷差接近2:1。采用CCHP系統后,發電余熱可用于供熱和制冷,既能減小電空調造成的供電高峰,又填補了燃氣供應在夏季的低谷,緩解了各自的峰谷差,是供能需求側管理的有效手段,有利于能源供應的可持續發展。

與大型天然氣集中發電,特別是與燃煤電廠相比,CCHP系統首先用天然氣生產了高價值的電力,又將余熱用于供冷、供熱或工業蒸汽負荷,創造了比前者更加顯著的經濟效益。如果站在國家宏觀能源經濟的層面上,同時考慮優化能源結構,為電力和天然氣供應消峰填谷,以及增強城市電網供電安全性等方面的貢獻,CCHP系統所帶來的附加經濟價值是可觀的。

(5)提高能源供應的安全性

傳統的集中供電依賴于大電網、高電壓輸變電系統,系統中一處故障可能造成嚴重影響,也可能引起大面積的停電。近年來我國的低溫雨雪冰凍災害和美國、歐洲、東南亞地區發生的大面積停電事故,不斷提高人們對供能安全重要性的認識。CCHP類型的分布式能源在大電網出現突發事件時,可以維持當地繼續供電,減緩了地方對集中供電系統的過分依賴,還可以根據用戶負荷的特殊需求采用調節手段提高供電質量。

冷熱電聯供系統在保證商業電力電源的同時,也可保證供冷供熱設備的多渠道,并且天然氣冷熱電聯供系統可作為防災設施使用。對原來的用電系統,需配備應急發電機。而天然氣冷熱電聯供系統的發電設備便可作為電力公司供電的應急發電機。在供熱方面,天然氣冷熱電聯供系統的排放余熱利用可作為供熱熱源,增加了供給的可靠性。

天然氣分布式能源的應用非常廣泛,原則上可應用于任何有穩定電、熱(冷)負荷和天然氣氣源供應的地方,無論負荷規模的大小和當地有無公用電網,不同類型用戶的CCHP系統等分布式能源在系統規模上有較大差異。根據系統的規模可大致分為樓宇型、區域型兩種類型。

①樓宇型系統主要針對樓宇單一類型的用戶,建筑規模相對較小,系統比較簡單,用戶的用能特點和規律差異不大。這類聯供系統目前應用數量最多,建筑面積一般在幾十萬平米以內,用戶類型包括辦公樓、商場、酒店、醫院、學校、居民樓等等。

②區域型指在一定區域內多種功能建筑構成的建筑群,建筑群各組成部分的能量需求有顯著差異,不同功能建筑的負荷種類、用能規律、負荷曲線都有所不同。該類型系統規模較大,總建筑面積可以有幾十萬到一、二百萬平米。用戶類型包括商務區(含商場、酒店、辦公等)、金融區(金融中心、辦公等)、機場、火車站、大學、新城(含部分住宅)、綜合社區等。

在看到冷熱電聯供系統的點的同時,也不可忽略它本身不可避免的缺點:一是燃料的限制,只能使用天然氣或輕質油品,費用受市場影響;二是冷熱電聯供系統規模小,只能滿足小區域用戶的需要,同時又不如家庭用戶用電那么方便。

4 CCHP系統在數據中心的應用

CCHP系統是冷、熱、電三聯供系統,是建立在能量的梯級利用概念基礎上的,以天然氣為一次能源,產生冷、熱、電的聯產聯供系統。CCHP系統提高了天然氣能源利用率,大量節省了一次能源。數據中心負荷波動較小,用電和用冷量大,常年需要供冷,符合CCHP系統的運行特點,能夠提高CCHP的經濟性。

數據中心使用CCHP系統,應以用電負荷的容量作為設計的依據。通過合理的設計,CCHP系統可滿足數據中心機房的供電和供冷需要,保證數據中心用電和用冷的可靠性。市電與CCHP系統的可靠性的比較見表1。從CCHP系統單一環節來看,其可靠性不如市電。所以,至少目前UPS在數據中心中是不可或缺的,UPS不僅保障了不間斷供電,還可在一定程度上改善供電質量。

5 結束語

國內外CCHP系統的潛在市場十分廣闊,包括居民建筑和公用建筑節能、老電廠與供熱廠的設備更新和擴容改造、具有高負荷密度的數據中心、區域供熱和制冷、工業園與經濟開發區的能源中心等,應用范圍向小型化和規模化的兩級擴展,以發揮更大的社會效益。我國正處在工業化和城鎮化的發展進程中,有利于同步進行區域總體規劃和分布式能源規劃,建設更多的區域型或大規模的CCHP類型的分布式能源系統,發揮分布能源的規模效益,為實現節能減排目標提供了更有利的條件。

編輯：Harris

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