2015年11月底至12月月中,我国北方地区经历了连续几次雾霾重污染的天气,北京发出了雾霾重污染红色预警,雾霾对于北京市民来说已是司空见惯了,重污染猛烈冲击着人们的心理防线,对工农业生产、城市建设和人民的正常生活造成了严重的影响,甚至连数据中心也不能免受其害。

1 雾霾对数据中心造成的危害

雾霾是由于空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子增多,使大气混浊与雾气混合。这些灰尘、粉末状的金属等颗粒物常常会躲过数据中心的过滤装置,抵达数据中心的制冷设备、电路系统的表面。即使在非雾霾天,许多数据中心的风扇、多孔地板砖、电缆、设备柜的缝隙里都会积聚着大量的灰尘和脏东西。带有静电的灰尘会损坏服务器、网络或存储设备。250V的静电就可能导致数据丢失、设备重启、微电路的损坏。未密封或者密封不当的地板、暴露的墙面、打印机都会带来粉尘,造成停机、火灾的风险。在雾霾重污染天气里,有更多的细小漂浮颗粒进入数据中心,会覆盖在各种电子元器件上,使得机房散热性能下降。而且其中的腐蚀物质会使线缆间的绝缘电阻下降甚至短路,对于配线架的端口、机箱等都会造成非常大的影响。

雾霾对数据中心的危害有以下几个方面。

(1)腐蚀电路板,缩短设备的寿命

雾霾中的微小颗粒吸收空气中的湿气后,在被微小颗粒污染的设备表面上形成电解层,这对许多金属会产生腐蚀作用。

如果电解液浸透到导线保护层形成腐蚀点,并且该腐蚀点所处位置的导体有不同的电压,则在导线与导体之间就可能产生电弧,这样的电弧通常会烧坏元器件。

(2)堵塞防尘网,影响IT设备的散热效率

夹带在雾霾中的灰尘通过机房内部气流的交换,进入网络设备内部,积尘会导致机房IT设备防尘网的堵塞,造成散热器的散热性能变差,大功率器件温度急剧上升,设备风扇受控转动更快,影响散热效果,导致局部元器件的温度上升,甚至会使IT设备因过热导致宕机、损坏等情况的发生。

(3)降低机房电路与元器件的绝缘性能

随着机房IT设备电器元件性能的提高,其对环境参数的要求和对大气污染的敏感性也越来越高。如果机房密闭效果不好,落在设备上或吸附在人体上的灰尘,就会通过数据中心内的气流交换进入网络设备内部,这些金属离子与潮湿空气结合,就会降低电路与元器件的绝缘性能。

为了防止或降低雾霾对数据中心的影响,各数据中心都有自身的防范措施,更重要的是重视并开展环境监测工作。但这些均为被动的应对措施,消除雾霾,减少和杜绝污染天气的发生才是最根本之策。

雾霾产生的原因很多,其中一个重要的原因是能源结构不够合理,我国发电以火力发电占主要比例,目前至少有67%左右是烧煤,清洁煤技术的推广还不普及,有很多设施运行的不好,环境治理不到位。所以,清洁能源的利用是消除雾霾的一个重要手段。数据中心是耗电大户,清洁能源在数据中心中的应用具有现实意义。冷热电三联供是否能在数据中心得到应用呢?这已成为业界普遍关心的问题。

2 冷热电三联供的结构和工作原理

分布式能源是相对于传统的集中供电方式而言,是指将冷热电系统以小规模、小容量(数千瓦至50MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近,可独立地输出冷、热、电能的系统。分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和天然气冷热电三联供等多种形式。

随着分布式能源技术的不断发展,以天然气为主要燃料,推动燃气轮机或内燃机发电,再利用其发电余热为用户制冷或供热的燃气冷热电三联供,即CCHP(CombinedCooling,HeatingandPower)系统已成为分布式能源的一种主要形式。也就是说,CCHP是一种以燃气为一次能源用于发电,并利用发电后产生的余热进行制冷或供热,同时向用户输出电能、热(冷)的分布式能源供应系统。CCHP的典型结构如图1所示。

由图1可见,冷热电三联供主要由两部分组成——发电系统和余热回收系统。发电部分以燃气内燃机、燃气轮机或微燃机为主,近年来还发展有外燃机和燃料电池。余热回收部分包括余热锅炉和余热直燃机等。小型冷热电三联供系统中的燃气轮机或其他发电装置燃烧天然气做功,首先是将其中约35%的能量转化为电能,这部分自发电和市电同时向自身用户供电;其余大部分能量是在烟气余热和缸套水介质中,这些热量被余热系统回收用来产生所需冷和热。系统可由高度智能化的控制系统集中控制,实现发电机组和余热回收系统的连锁运行,对不同的冷热电负荷情况下按不同的运行方式运行,同时还可接入楼栋控制系统;也可实现无人值守,通过电话线与远程控制站相连,实现远程控制。

CCHP系统建立在能量梯级利用概念基础上,将供热(采暖和供热水)、制冷及发电过程有机结合在一起,三联供系统的一些特性与数据中心负荷波动较小、用电和用冷量大、常年需要供冷的用能特点较匹配,因此在数据中心中具有较高的应用可行性。

CCHP的基本原理是温度对口、梯级利用,如图2所示。首先洁净的天然气在燃气发电设备内燃烧产生高温高压的气体用于发电做功,产出高品位的电能,发电做功后的中温段气体通过余热回收装置回收利用,用来制冷、供暖,其后低温段的烟气可以通过再次换热供生活热水后排放。通过对能源的梯级利用使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右,大量节省了一次能源。

3 CCHP系统的优势

CCHP系统具有节能、减排、经济、安全、削峰填谷、促进循环经济发展等多种不可替代的优势。

(1)提高能源综合利用效率

CCHP系统的节能不是单纯的设备或工艺的节能,而是整个供能系统的节能。由于系统建在用户现场或邻近,减少了能源传输运过程的损失。以供电为例,大型电厂远离用户,通过高压输变电网的逐级降压后进入配电网,再分配给低压用户,远距离输电损失一般占到总发电量的5%～10%,配电网中的电能损耗更大。CCHP系统避免了输配电损失,还应用了能量梯级利用原理,先发电,再利用余热,体现了由能量的高品位到低品位的科学用能,且使一次能源综合利用效率和效益大幅度提高。

一般普通的火力发电系统,输入热量按100%计算,扣除送电损失约2%、未利用的排热约60%、其发电效率约38%。而对清洁能源天然气冷热电联供系统,同样输入热量按100%,发电占25%～40%,排热利用占40%～50%,如果把用电和用热分配好,综合效率可以达到70%～80%,而没利用的排放热仅为20%～30%。因此,天然气冷电热联供系统由于增加了排放余热的利用,其综合效率比普通的火力发电系统高约30%～40%。

(2)降低排放,保护环境

由于采用清洁燃料,大量减少了烟气中温室气体和其它有害成分,一次能源综合利用率的提高和当地的各种可再生能源的利用进一步起到减排效果。据测算,在满足同样电热负荷的条件下,CCHP系统供能方式与传统燃煤发电分供方式比较,CO2排放可降低约50%。近年来,脱氮及温室气体捕获利用技术的发展可以使CCHP系统供能系统满足各种严格的环保标准。

(3)良好的经济性

天然气燃烧可得到1500℃的高温能源,将这部分能源由高到低进行多阶段的利用,可以把制冷、采暖、电力和卫生热水等优化整合为一个新的、统一的能源系统,可实现不同形式、不同能量的梯级利用,以获得整个系统最佳能量综合利用效果。

(4)有利于电力负荷的调峰

天然气冷热电联供系统可作为传统电力系统的补充调峰,更好地保证电力供应。在用电高峰时,能使电力负荷平均化。

夏季城市大量使用电力空调时,电力负荷会在一段时间内出现负荷高峰,同时夏季也是用气的低谷时期,有富余的供气能力。通过利用天然气冷热电联供可在满足高峰用电的同时,还可以利用排放余热来制冷,也可减少电力调峰装置投资和运行费用,用电负荷得以改善,更好更充分地发挥天然气基础设施的功能。

CCHP系统对电力与燃气供应的削峰填谷是其重要的功能。如北京等大城市夏季多采用电制冷,冬季用燃气锅炉供热,电力及燃气供应存在很大的季节性峰谷差,以2007年以来的北京为例,采暖季天然气耗量可占全年用气量的80%,冬夏燃气供应量峰谷差达到8:1以上,而制冷季空调耗电占总电负荷的40%,电力峰谷差接近2:1。采用CCHP系统后,发电余热可用于供热和制冷,既能减小电空调造成的供电高峰,又填补了燃气供应在夏季的低谷,缓解了各自的峰谷差,是供能需求侧管理的有效手段,有利于能源供应的可持续发展。

与大型天然气集中发电,特别是与燃煤电厂相比,CCHP系统首先用天然气生产了高价值的电力,又将余热用于供冷、供热或工业蒸汽负荷,创造了比前者更加显著的经济效益。如果站在国家宏观能源经济的层面上,同时考虑优化能源结构,为电力和天然气供应消峰填谷,以及增强城市电网供电安全性等方面的贡献,CCHP系统所带来的附加经济价值是可观的。

(5)提高能源供应的安全性

传统的集中供电依赖于大电网、高电压输变电系统,系统中一处故障可能造成严重影响,也可能引起大面积的停电。近年来我国的低温雨雪冰冻灾害和美国、欧洲、东南亚地区发生的大面积停电事故,不断提高人们对供能安全重要性的认识。CCHP类型的分布式能源在大电网出现突发事件时,可以维持当地继续供电,减缓了地方对集中供电系统的过分依赖,还可以根据用户负荷的特殊需求采用调节手段提高供电质量。

冷热电联供系统在保证商业电力电源的同时,也可保证供冷供热设备的多渠道,并且天然气冷热电联供系统可作为防灾设施使用。对原来的用电系统,需配备应急发电机。而天然气冷热电联供系统的发电设备便可作为电力公司供电的应急发电机。在供热方面,天然气冷热电联供系统的排放余热利用可作为供热热源,增加了供给的可靠性。

天然气分布式能源的应用非常广泛,原则上可应用于任何有稳定电、热(冷)负荷和天然气气源供应的地方,无论负荷规模的大小和当地有无公用电网,不同类型用户的CCHP系统等分布式能源在系统规模上有较大差异。根据系统的规模可大致分为楼宇型、区域型两种类型。

①楼宇型系统主要针对楼宇单一类型的用户,建筑规模相对较小,系统比较简单,用户的用能特点和规律差异不大。这类联供系统目前应用数量最多,建筑面积一般在几十万平米以内,用户类型包括办公楼、商场、酒店、医院、学校、居民楼等等。

②区域型指在一定区域内多种功能建筑构成的建筑群,建筑群各组成部分的能量需求有显著差异,不同功能建筑的负荷种类、用能规律、负荷曲线都有所不同。该类型系统规模较大,总建筑面积可以有几十万到一、二百万平米。用户类型包括商务区(含商场、酒店、办公等)、金融区(金融中心、办公等)、机场、火车站、大学、新城(含部分住宅)、综合社区等。

在看到冷热电联供系统的点的同时,也不可忽略它本身不可避免的缺点:一是燃料的限制,只能使用天然气或轻质油品,费用受市场影响;二是冷热电联供系统规模小,只能满足小区域用户的需要,同时又不如家庭用户用电那么方便。

4 CCHP系统在数据中心的应用

CCHP系统是冷、热、电三联供系统,是建立在能量的梯级利用概念基础上的,以天然气为一次能源,产生冷、热、电的联产联供系统。CCHP系统提高了天然气能源利用率,大量节省了一次能源。数据中心负荷波动较小,用电和用冷量大,常年需要供冷,符合CCHP系统的运行特点,能够提高CCHP的经济性。

数据中心使用CCHP系统,应以用电负荷的容量作为设计的依据。通过合理的设计,CCHP系统可满足数据中心机房的供电和供冷需要,保证数据中心用电和用冷的可靠性。市电与CCHP系统的可靠性的比较见表1。从CCHP系统单一环节来看,其可靠性不如市电。所以,至少目前UPS在数据中心中是不可或缺的,UPS不仅保障了不间断供电,还可在一定程度上改善供电质量。

5 结束语

国内外CCHP系统的潜在市场十分广阔,包括居民建筑和公用建筑节能、老电厂与供热厂的设备更新和扩容改造、具有高负荷密度的数据中心、区域供热和制冷、工业园与经济开发区的能源中心等,应用范围向小型化和规模化的两级扩展,以发挥更大的社会效益。我国正处在工业化和城镇化的发展进程中,有利于同步进行区域总体规划和分布式能源规划,建设更多的区域型或大规模的CCHP类型的分布式能源系统,发挥分布能源的规模效益,为实现节能减排目标提供了更有利的条件。

编辑：Harris

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