2015年11月底至12月月中,我國北方地區(qū)經(jīng)歷了連續(xù)幾次霧霾重污染的天氣,北京發(fā)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設和人民的正常生活造成了嚴重的影響,甚至連數(shù)據(jù)中心也不能免受其害。

1 霧霾對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的過濾裝置,抵達數(shù)據(jù)中心的制冷設備、電路系統(tǒng)的表面。即使在非霧霾天,許多數(shù)據(jù)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(wǎng)絡或存儲設備。250V的靜電就可能導致數(shù)據(jù)丟失、設備重啟、微電路的損壞。未密封或者密封不當?shù)牡匕?、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(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)生電弧,這樣的電弧通常會燒壞元器件。

(2)堵塞防塵網(wǎng),影響IT設備的散熱效率

夾帶在霧霾中的灰塵通過機房內(nèi)部氣流的交換,進入網(wǎng)絡設備內(nèi)部,積塵會導致機房IT設備防塵網(wǎng)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(zhuǎn)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(fā)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(huán)境參數(shù)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(shù)據(jù)中心內(nèi)的氣流交換進入網(wǎng)絡設備內(nèi)部,這些金屬離子與潮濕空氣結(jié)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(shù)據(jù)中心的影響,各數(shù)據(jù)中心都有自身的防范措施,更重要的是重視并開展環(huán)境監(jiān)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(fā)生才是最根本之策。

霧霾產(chǎn)生的原因很多,其中一個重要的原因是能源結(jié)構(gòu)不夠合理,我國發(fā)電以火力發(fā)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(huán)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(shù)據(jù)中心是耗電大戶,清潔能源在數(shù)據(jù)中心中的應用具有現(xiàn)實意義。冷熱電三聯(lián)供是否能在數(shù)據(jù)中心得到應用呢?這已成為業(yè)界普遍關心的問題。

2 冷熱電三聯(lián)供的結(jié)構(gòu)和工作原理

分布式能源是相對于傳統(tǒng)的集中供電方式而言,是指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量(數(shù)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(tǒng)。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(lián)供等多種形式。

隨著分布式能源技術的不斷發(fā)展,以天然氣為主要燃料,推動燃氣輪機或內(nèi)燃機發(fā)電,再利用其發(fā)電余熱為用戶制冷或供熱的燃氣冷熱電三聯(lián)供,即CCHP(CombinedCooling,HeatingandPower)系統(tǒng)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(fā)電,并利用發(fā)電后產(chǎn)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(tǒng)。CCHP的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見,冷熱電三聯(lián)供主要由兩部分組成——發(fā)電系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)。發(fā)電部分以燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機或微燃機為主,近年來還發(fā)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(lián)供系統(tǒng)中的燃氣輪機或其他發(fā)電裝置燃燒天然氣做功,首先是將其中約35%的能量轉(zhuǎn)化為電能,這部分自發(fā)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(zhì)中,這些熱量被余熱系統(tǒng)回收用來產(chǎn)生所需冷和熱。系統(tǒng)可由高度智能化的控制系統(tǒng)集中控制,實現(xiàn)發(fā)電機組和余熱回收系統(tǒng)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(tǒng);也可實現(xiàn)無人值守,通過電話線與遠程控制站相連,實現(xiàn)遠程控制。

CCHP系統(tǒng)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(fā)電過程有機結(jié)合在一起,三聯(lián)供系統(tǒng)的一些特性與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)電設備內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓的氣體用于發(fā)電做功,產(chǎn)出高品位的電能,發(fā)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(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右,大量節(jié)省了一次能源。

3 CCHP系統(tǒng)的優(yōu)勢

CCHP系統(tǒng)具有節(jié)能、減排、經(jīng)濟、安全、削峰填谷、促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展等多種不可替代的優(yōu)勢。

(1)提高能源綜合利用效率

CCHP系統(tǒng)的節(jié)能不是單純的設備或工藝的節(jié)能,而是整個供能系統(tǒng)的節(jié)能。由于系統(tǒng)建在用戶現(xiàn)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(wǎng)的逐級降壓后進入配電網(wǎng),再分配給低壓用戶,遠距離輸電損失一般占到總發(fā)電量的5%～10%,配電網(wǎng)中的電能損耗更大。CCHP系統(tǒng)避免了輸配電損失,還應用了能量梯級利用原理,先發(fā)電,再利用余熱,體現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng),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(fā)電效率約38%。而對清潔能源天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),同樣輸入熱量按100%,發(fā)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(lián)供系統(tǒng)由于增加了排放余熱的利用,其綜合效率比普通的火力發(fā)電系統(tǒng)高約30%～40%。

(2)降低排放,保護環(huán)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?shù)氐母鞣N可再生能源的利用進一步起到減排效果。據(jù)測算,在滿足同樣電熱負荷的條件下,CCHP系統(tǒng)供能方式與傳統(tǒng)燃煤發(fā)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(fā)展可以使CCHP系統(tǒng)供能系統(tǒng)滿足各種嚴格的環(huán)保標準。

(3)良好的經(jīng)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(wèi)生熱水等優(yōu)化整合為一個新的、統(tǒng)一的能源系統(tǒng),可實現(xiàn)不同形式、不同能量的梯級利用,以獲得整個系統(tǒng)最佳能量綜合利用效果。

(4)有利于電力負荷的調(diào)峰

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可作為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的補充調(diào)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(diào)時,電力負荷會在一段時間內(nèi)出現(xiàn)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(lián)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(diào)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(fā)揮天然氣基礎設施的功能。

CCHP系統(tǒng)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(jié)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(diào)耗電占總電負荷的40%,電力峰谷差接近2:1。采用CCHP系統(tǒng)后,發(fā)電余熱可用于供熱和制冷,既能減小電空調(diào)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(cè)管理的有效手段,有利于能源供應的可持續(xù)發(fā)展。

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

(5)提高能源供應的安全性

傳統(tǒng)的集中供電依賴于大電網(wǎng)、高電壓輸變電系統(tǒng),系統(tǒng)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(qū)發(fā)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(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)事件時,可以維持當?shù)乩^續(xù)供電,減緩了地方對集中供電系統(tǒng)的過分依賴,還可以根據(jù)用戶負荷的特殊需求采用調(diào)節(jié)手段提高供電質(zhì)量。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在保證商業(yè)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(lián)供系統(tǒng)可作為防災設施使用。對原來的用電系統(tǒng),需配備應急發(fā)電機。而天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電設備便可作為電力公司供電的應急發(fā)電機。在供熱方面,天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(wěn)定電、熱(冷)負荷和天然氣氣源供應的地方,無論負荷規(guī)模的大小和當?shù)赜袩o公用電網(wǎng),不同類型用戶的CCHP系統(tǒng)等分布式能源在系統(tǒng)規(guī)模上有較大差異。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模可大致分為樓宇型、區(qū)域型兩種類型。

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

②區(qū)域型指在一定區(qū)域內(nèi)多種功能建筑構(gòu)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(guī)律、負荷曲線都有所不同。該類型系統(tǒng)規(guī)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(qū)(含商場、酒店、辦公等)、金融區(qū)(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(qū)等。

在看到冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(zhì)油品,費用受市場影響;二是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)模小,只能滿足小區(qū)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(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用

CCHP系統(tǒng)是冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng),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(chǎn)生冷、熱、電的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。CCHP系統(tǒng)提高了天然氣能源利用率,大量節(jié)省了一次能源。數(shù)據(jù)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(tǒng)的運行特點,能夠提高CCHP的經(jīng)濟性。

數(shù)據(jù)中心使用CCHP系統(tǒng),應以用電負荷的容量作為設計的依據(jù)。通過合理的設計,CCHP系統(tǒng)可滿足數(shù)據(jù)中心機房的供電和供冷需要,保證數(shù)據(jù)中心用電和用冷的可靠性。市電與CCHP系統(tǒng)的可靠性的比較見表1。從CCHP系統(tǒng)單一環(huán)節(jié)來看,其可靠性不如市電。所以,至少目前UPS在數(shù)據(jù)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(zhì)量。

5 結(jié)束語

國內(nèi)外CCHP系統(tǒng)的潛在市場十分廣闊,包括居民建筑和公用建筑節(jié)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(shù)據(jù)中心、區(qū)域供熱和制冷、工業(yè)園與經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的能源中心等,應用范圍向小型化和規(guī)模化的兩級擴展,以發(fā)揮更大的社會效益。我國正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展進程中,有利于同步進行區(qū)域總體規(guī)劃和分布式能源規(guī)劃,建設更多的區(qū)域型或大規(guī)模的CCHP類型的分布式能源系統(tǒng),發(fā)揮分布能源的規(guī)模效益,為實現(xiàn)節(jié)能減排目標提供了更有利的條件。

編輯：Harris

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