开发银行燃气冷热电三联供系统可行性研究报告.doc

开发银行燃气冷热电三联供系统开发银行燃气冷热电三联供系统 可行性研究报告可行性研究报告 2009 年 9 月 目录 I 目 录 1总论1 1.1项目概况1 1.2编制依据1 1.3编制范围2 1.4设计原则2 2负荷需求分析4 2.1建筑概况4 2.2负荷分析条件4 2.3负荷分析6 2.3.1设计负荷要求6 2.3.2办公区6 2.3.3机房区7 3系统方案8 3.1本项目能源站方案分析8 3.1.1能源站方案基本要求8 3.1.2三联供系统适用性分析8 3.2设备选型9 3.3方案说明10 4电力接入11 4.1开发银行供电概况11 4.2电气系统设计原则12 4.3电气接入方案13 4.4配电室布置13 5三联供系统运行方案14 目录 II 5.1电气系统运行方案14 5.1.1燃气发电系统运行方式14 5.1.2可靠性分析16 5.2空调系统运行方案17 5.2.1余热空调系统运行方式18 5.2.2可靠性分析18 5.3方案主要技术指标比较19 6其它关键环节22 6.1燃气供应22 6.2平面布置22 6.3消防22 6.4环保23 6.4.1大气污染物排放23 6.4.2噪声污染控制23 6.5劳动定员23 6.6工程进度24 6.7节能和环境效益分析24 7经济评估26 7.1投资估算26 7.2项目财务评价结论27 8结论和建议28 8.1结论28 8.2建议28 9附录一：三联供技术简介29 9.1基本原理29 9.2国际三联供的市场发展29 目录 III 9.3国内三联供的市场发展30 9.4CCHP 在国外数据中心的应用 31 9.4.1美国高通（Qualcomm）公司32 9.4.2威瑞森（Verizon）公司通信交换站.33 9.5美国网络应用公司（NETWORK APPLIANCE, INC）.34 10附录二：能源站工艺流程图35 11附录三：能源站布置平面图35 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 1 1总论总论 1.1 项目概况项目概况 国家开发银行 XX 数据中心坐落于 XX 创新园地块，是国家开发银行在 XX 金融服务区建设的金融后台。本数据中心总建筑面积 3.4 万平米，其中机房面 积 1.5 万平米，办公面积 1.9 万平米。 金融后台建成后将满足银行今后 10 年的 IT 发展需求，包括各集团分公司 的需求、与中小金融合作的需求等，并保证一定的发展余量。本金融后台还包 括各种银行后台业务的办公区，其中包括软件开发测试、结算清算、票据中心、 网络银行、呼叫中心、卡中心职能部门。 随着国家对节能减排的重视以及对新能源技术的支持，燃气冷热电三联供 系统已经在国内各类公共建筑中得到实际应用，如上海浦东机场、北京燃气集 团控制中心、北京火车南站和广州大学城等大型公建都采用了三联供技术。国 外三联供系统还大量应用在数据中心等重要场合，根据美国能源部的统计， 2008 年美国已经有数十家数据中心采用了三联供系统。已有实践表明，三联供 系统是一种适合数据中心负荷变化特点、运行安全稳定、经济性较好的能源高 效利用技术。本报告将深入论证燃气冷热电三联供在本项目中的适用性。 1.2 编制依据编制依据 主要编制依据如下： （1）中国电气、燃气、安全、建筑等相关设计规范，包括： 计算站场地技术要求(GB/T2887-2000) 采暖通风与空气调节设计规范GB50019-2003； 公共建筑节能设计标准DBJ01-621-2005； 建筑设计防火规范GB50016-2006； 城镇燃气设计规范GB50028-2006 分布式供能系统工程技术规程（试行） DGJ08-115-2005； 民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92； 供配电系统设计规范GB50052-95； 低压配电设计规范GB50054-95； 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 2 建筑物防雷设计规范GB50057-97（2000 年版） ； 人防防空地下室设计规范GB50038-2005； 10KV 及以下变电所设计规范GB50116-98； 民用建筑照明设计标准GBJ133-90； 通用用电设备配电设计规范GB50055-93； 爆炸及火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92； 建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范GB/T 50311-2000 等。 电子信息系统机房设计规范GB50174-2008 电子信息系统机房工程设计与安装09DX009 （2）甲方提供的初步方案说明、建筑设备平面图等相关资料。 1.3 编制编制范围范围 本报告编制范围为开发银行规划建筑燃气冷、热、电三联供能源站，能源 站为 1.5 万 m2新建机房区提供提供全年冷负荷，为 1.9 万 m2新建办公区提供提 供全年冷、热以及热水负荷。编制范围包括能源站内工艺、电气、自控、燃气 供应系统。编制范围不包括能源站室外 1.0 米以外的所有管线配套工程；能源 站以外的电气、空调系统末端工程。 1.4 设计原则设计原则 三联供能源站作为开发银行新建建筑的配套设施，要配合银行整体设计理 念，将其建设成为安全、高效、节能、低污染的现代化供能中心。本项目在考 虑能源中心建设项目时除了遵照国家及有关部委制订的标准、规范进行项目实 施以外，还将遵循以下主要原则： 1. 保障数据中心的供能安全是首要原则。三联供能源站直接关系到供应范 围内用户用电、用冷和用热的安全性。对于开行数据中心来说，供能的安全性 至关重要：空调中断会影响服务器的正常运行，增加出现故障的可能性；供电 中断造成的数据丢失更会给银行造成难以估量的损失。因此在开行数据中心的 能源方案设计中供能安全性将放在首要位置，所有重要负荷的供能均设置备用， 空调采用设备冗余、风冷和水冷两种供冷系统、空调末端双管路设置等备用方 式，供电更是采用两路市电、UPS、柴油发电机组等三级备用。三联供能源方 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 3 案应以不降低原供能系统的安全性为第一应遵循的原则，力求不改变原方案的 供能安全保证体系，并力求通过三联供系统的引入增加系统的供能安全可靠性。 2. 紧密结合现有供能系统方案。开行数据中心前期已经做了大量调研、方 案论证和设计工作，并形成了能源供应方案。新建的三联供系统将以原建筑方 案和供能系统方案为基础，不改变原方案的末端设计，仅在空调冷热源和备用 发电机组方面作出调整。通过与原有供能系统的有机结合，增强三联供系统的 可实施性。 3 结合实际发展要求，进行总体规划、分步实施。结合开发银行的规划要 求，根据项目发展的实际情况进行总体规划，能源建设在与项目相适应的前提 下逐步扩大、适度超前，以满足实际需求为目的。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 4 2负荷需求分析负荷需求分析 2.1 建筑概况建筑概况 开发银行项目总计建筑面积 3.9 万 m2，其中机房面积 1.5 万 m2，办公面积 1.9 万 m2，因此能源中心需要满足机房的全年冷需求，办公的冬季供热、夏季 制冷以及全年的生活热水需求。 2.2 负荷分析负荷分析条件条件 北京空调设计室外参数如下所示。 表 2-1 北京室外气象计算参数 站台位置大气压力hPa 室外计算相对湿 度（%） 室外平均风速 （m/s） 地名 北纬东经 海拔 （m） 冬季夏季 最 冷 月 平 均 最 热 月 平 均 最热 14时 月平 均 冬季最 多风向 平均 冬 季 平 均 夏 季 平 均 北京39°48116°2831.21020.4998.64578644.82.81.9 室外计算（干球）温度（） 冬季夏季年平 均温 度 () 采 暖 空气 调节 最低日 平均 通风 通 风 空气 调节 空气调 节日平 均 计算 日较 差 夏季空气 调节室外 计算湿球 温度 （） 最热 月平 均温 度 （） 11.4-9-12-15.9-53033.228.68.826.425.8 2月8日3月20日4月29日6月8日7月18日8月27日10月6日11月15日 12月25日 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 日干球温度统计 干球温度（） 日期 日平均温度（） 日最高温度（） 日最低温度（） 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 5 图 2-1 全年日平均温度分布 2. 室内计算参数 机房室内环境参数要求 （1）主设备区环境参数要求 温度：2025； 相对湿度：4055； 最大露点：21° C； 温度变化率：5/h,并不得结露； （2）配套房间环境参数要求 UPS 室温度：27； 电力室温度：28； 电池室温度：25； 无湿度限制； （3）机房洁净度要求 机房内灰尘粒子应为非导电、非导磁及无腐蚀的粒子。 灰尘粒子浓度应满足： 1）直径大于 0.5m 的灰尘粒子浓度18000 粒/升。 2）直径大于 5m 的灰尘粒子浓度300 粒/升。 （4）机房正压要求 主设备区较室外高：10Pa。 3. 供能时间 根据北京市的气候条件和银行的建筑特性，除机房要求全年制冷外，考虑 开发银行办公区每年采暖期 5 个月（11 月 1 日次年 3 月 31 日） ，制冷期 5 个 月（5 月 1 日9 月 30 日） 。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 6 2.3 负荷分析负荷分析 2.3.1设计负荷要求设计负荷要求 根据业主及设计院提供的设计资料，确定开发银行项目的设计负荷： 表 2-2 开发银行建设项目设计负荷指标 面积冷负荷热负荷电负荷热水负荷 不同功能 m2kWkWkWkW 机房15000773512000 办公1900016151330100050 合计34000935013301300050 2.3.2办公区办公区 办公区设计日负荷变化曲线如下图所示： 24681012141618202224 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 冷负荷 热负荷 电负荷 热水负荷 负荷/kW 时间/h 图 2-2 办公区设计日负荷变化曲线 上图所示为 100%负荷情况下的预测的办公区的冷、热、电及生活热水日负 荷变化规律。可以看出负荷均在上班期间较大，随后随着人员作息变化，到傍 晚下班后负荷逐渐降低，其中热负荷在刚上班后达到峰值，而冷负荷则在下午 三点左右达到峰值。夏季夜间冷负荷很少，而冬季夜间室外气温较低，有部分 热负荷需求。热水负荷则随着餐饮、人员活动规律特点变化。 由于设计负荷通常必须保证建筑物最大的冷、热、电负荷需求，参照同类 建筑的运行情况，办公区的实际冷负荷大多在 50W/m2左右，因此夏季制冷期 的冷负荷需求平均在 1000kW；办公区的实际热负荷大多在 40W/m2左右，因此 夏季制冷期的冷负荷需求平均在 800kW；而实际电负荷需求平均在 500kW。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 7 2.3.3机房区机房区 机房区设计日负荷变化曲线如下图所示： 24681012141618202224 0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 7200 8000 夏季冷负荷 夏季电负荷 冬季冷负荷 冬季电负荷 负荷/kW 时间/h 图 2-3 机房区设计日负荷变化曲线 上图所示为 100%负荷情况下的预测的机房区冬夏季冷负荷和电力日负荷变 化规律。机房区全年冷负荷变化小，因此要求全年制冷运行，冷负荷随季节变 化有一定幅度的波动，夏季平均负荷约在 7500kW，冬季平均负荷约在 5800kW，总体上看全年均维持在较高水平。 机房一期供电共有两段 10kV 高压母线，两段 10k 母线互相备用，在一段 母线故障时才使另一段母线承担最大 10000KVA 的负载，日常运行时每段母线 最大负荷 5000kVA，约合 4000kW。考虑到一定的设计余量及同时系数，预计 各段母线实际运行负荷在 2500kW 左右。二期供电系统配置与一期相同。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 8 3系统系统方案方案 3.1 本项目能源站方案分析本项目能源站方案分析 3.1.1能源站方案能源站方案基本要求基本要求 三联供系统主要由发电设备、余热利用设备、空调调峰设备及相关主辅设 备构成。目前三联供系统中应用较多的发电机形式有燃气轮机、燃气内燃机和 微燃机。余热利用设备有各种形式的余热吸收式空调机组，与发电机组相结合 可以组成不同的三联供系统工艺形式，如发电机组的烟气和缸套水直接进入余 热吸收式空调机组，或发电机组的烟气和缸套水先通过余热锅炉产生蒸汽或热 水再进入蒸汽或热水型吸收式空调机组等。 上述各种设备及工艺组合均已经发展成熟，在目前国内外的三联供项目中 都有不同程度的应用，并且在国外有许多数据中心也采用了各种形式的三联供 系统。国内三联供系统在数据中心的应用起步较晚，因此本报告将结合本项目 具体特点，重点论述燃气冷热电在本项目中的适用性。论述中将遵循以下基本 要求： 1. 以提高供能安全可靠性为第一原则，新增燃气发电供能系统及余热供冷 系统应提高系统供电和供冷的安全性。 2. 新增三联供系统应与大电网以及备用发电机组、常规供冷系统有机结合， 不影响原系统的使用。 3. 与已有的开发银行相关建筑的规划、设计方案和工程进度相结合，充分 结合项目的实际需求。 3.1.2三联供系统适用性分析三联供系统适用性分析 传统机房规模较小，其机房供冷多为专用的机房空调系统，冷媒为 R410A 等制冷剂。随着机房规模逐渐扩大和制冷技术的日益成熟，越来越多的大型数 据中心采用了水冷中央空调系统，本项目在设计中也采用了这种高效、节能的 大型空调技术，机房供冷设计供回水温度为 7/12，办公供热设计供回水温度 为 50/40。三联供系统的余热供冷系统为水系统，与传统机房空调较难结合， 但是与水冷中央空调系统在本质上属于同一形式。因此，本项目采用水冷电空 调系统的先进设计理念为实现与三联供系统在空调供应方面的有机结合创造了 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 9 有利条件。 三联供系统将在本项目供电系统中增加燃气发电设备，在故障或运行一定 时间例行维护时会出现燃气发电设备之间或燃气发电设备与市电之间的切换， 随着电力电子技术的发展，STS 静态转换开关的切换时间已经可以达到 8ms 以 内，远小于 IT 系统所要求的的不间断时间为十几毫秒，完全可以满足 IDC 机 房的不间断供电要求，况且数据中心重要负荷一比一配置的 UPS 电源在外电完 全失电的情况下可以可以维持系统运行 20 分钟以上，数据中心本身的这种设备 使得三联供发电设备在数据中心的应用不会对系统造成任何影响。 本项目原设计中在变压器低压侧设置了与各台变压器一一对应的柴油备用 电源，在采用三联供系统后，相当于又增加了一路电源，因此可以适当减少柴 油备用发电机组的设置，并且可以通过采用油气两用的发电机组使得原柴油备 用的可靠性并不降低。柴油备用发电机组的减少使得本项目采用三联供系统的 优势更为突出。 因此，本项目在客观上具有在原方案基础上引入三联供系统的有利条件。 3.2 设备选型设备选型 1. 主要系统配置：燃气内燃发电机，烟气热水型余热直燃机。其中 2 台发 电机共同直接对接 1 台烟气热水型余热直燃机。 表 3-1 各主要设备及技术基本参数 序 号 名称规格型号 单 位 数 量 备注 1油气两用燃气内燃发电机发电量:2370kW,发电效率:40%台4一期投入2台 2烟气热水型余热直燃机制冷量:4652kW,制热量:3582kW台2一期投入1台 3柴油发电机组发电量:4000kW台2一期投入1台 4缸套水换热器板式换热器,Q=1300kW台4一期投入2台 5缸套水散热器板式换热器,Q=1300kW台4一期投入2台 中冷水散热器板式换热器,Q=150kW台4一期投入2台 2. 辅助设备： 水泵、冷却塔等附属设备选型与原设计方案一致，其投入进度与主设备投 入进度相适应。另外保留原设计中 5 台（4 用 1 备）750RT 电制冷机组中的 2 台作为一期余热直燃机供冷的补充和终期停止燃气空调方式的备用。 空调系统管路布置与原设计方案相同，重要负荷设置双管路系统。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 10 本三联供系统采用燃气发电设备直接对接余热型吸收式空调设备的系统构 成方式，燃气发电机组出线电压为 10kV，分别接入一段 10kV 母线；取消原有 的低压侧备用柴油发电机组；余热型吸收式空调机组空调水参数与电制冷机组 相同，按照原设计方式接入空调系统。系统末端设计及能源输配系统的冗余设 计与原设计相同。 3.3 方案说明方案说明 对上述三联供系统方案说明如下： 1 三联供系统中的燃气发电设备虽然替代了柴油发电机组，但是其运行方 式由简单备用变为常用。为提高其运行负荷率，方案中将其接入方式改为在 10kV 高压母线上接入，更有利于根据各变压器所带负荷变化调整发电机组出力。 2 三联供系统设计应优先考虑与市电并网运行，因此将燃气发电设备分为 两组，各自并入一段 10kV 进线。但是同时也应考虑短期内或市电故障情况下 燃气发电系统独立运行满足数据中心负荷的可能，因此从设备选型及接线设计 方面均考虑使得燃气发电机组总容量完全可以满足独立运行保障本项目所有重 要电负荷的要求。 3 本项目建设进度分为一期、二期两个阶段，三联供系统的投入也可分阶 段投入。如前期先投入 2 台油气两用内燃发电机组，后期根据项目负荷情况和 并网接入情况再考虑投入后期的设备；余热利用设备也可采用分期投入，一期 投入 1 台余热直燃机组，二期再投入一台余热直燃机组。 4 燃气轮机方案的最大优势在于系统简单，机房占地面积较少，但是由于 采用高压燃气在机房选址、消防安全等方面要求较高，因此本报告暂以燃气内 燃机方案为主论述本项目中三联供系统的实施方案。 5 原方案设计中采用的蓄冷系统是一种先进的能源技术，原设计理念是利 用夜间低谷电价蓄冷，对于三联供系统来说，蓄冷更可以起到调节发电和余热 利用平衡的重要作用，因此在方案中仍采用了与原设计相同的蓄能系统。 6 本报告以下方案论述及技术经济性分析主要针对项目一期采用 2 台燃气 内燃机、1 台烟气热水型余热直燃机和 1 台备用柴油发电机组组成三联供系统 的情况。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 11 4电力电力接入接入 4.1 开发银行供电概况开发银行供电概况 在前期开发银行的方案设计中，数据中心报装容量为 20000kVA，从两个 110kV 变电站引来四路 10kV 进线，分两期引入两个 10kV 开闭站内。下端配有 16 台 2000kVA 变压器 1 用 1 备接入 400V 低压母线，同时备用 9 台 2500kVA 柴油发电机接入 400V 低压系统，在市电故障情况下供应数据中心负荷需求。 根据上述资料并参照 TIA942 建设标准，以及电子信息系统机房设计 规范在保障配电系统整体水平不低于 Tier III 标准设计的基础上，电气系统一次 接线图如下，并在此基础上进行三联供系统设计。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 12 图 4-1 电气系统一次接线图 4.2 电气系统设计原则电气系统设计原则 为充分发挥三联供系统的经济性，三联供系统设计应以并网运行为基本原 则，同时应保证不向电网反送电。在目前的电力政策及并网技术下，制定和选 择三联供系统并网方案主要考虑以下因素： 1 较好的电力主接线方式，它不仅决定了下一步的电气设计和施工可行性， 而且它还直接影响系统投运后的运行方式优化和运行维护工作的难度，继而直 接关系到运行成本和收益。 2 根据目前的电力政策，不允许三联供系统配电末端向电网反向送电，因 此必须增加防有功倒送措施，以防止低负荷时发电机过剩的电能被送到网上。 3 当在配电末端增加一个较大电源时，继电保护必须作相应的调整，主要 考虑两个方面，一是电网的保护增设和整定，二是发电机的保护配置。 4 国家对电源的管理有严格规定，虽然对燃气小机组还没有明确的要求， 但是从安全角度出发，应有必要的安全管理和电量管理措施。 5 设计三联供系统后要和供电部门关于电能的计量协商一致，维护电力公 司和用电单位的利益。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 13 根据本项目发电设备选型、变配电设备及负荷分配特点，具体考虑本三联 供系统电气系统设计并网原则如下： 1 由于所选发电机组容量较大，出线电压为 10kV，所以本项目主要考虑 10kV 高压并网。 2 本项目用电需求大，变压器数量较多，在电气系统设计阶段即应考虑与 三联供系统充分配合，使得燃气发电机组的供电范围尽量扩大。 根据上述原则及园区高低压接线和变压器设置情况初步考虑本项目发电机 组并网方案如下所示。 4.3 电气接入方案电气接入方案 三联供系统将与市电并网运行，但发电机组所发电力全部在本项目范围内 消耗，不允许向电网反送电力。考虑到并网实施过程可能较长或者实际运行中 电网故障等问题，在并网方案中也将考虑三联供系统独立运行的可行性。 此接入方案不改变开发银行 XX 数据中心原有电力接入方式，作为三联供 方案只是在 10kV 开闭站引入了两路市电外的第三路冗余电源，并且发电机组 采用柴油/天然气双燃料机型以提高系统可靠性，另外仍设置柴油设备用机组。 系统运行时发电机组与市电一起作为常用电源，大大提高了 XX 数据中心的供 电可靠性。 在并网运行模式下，各有一组燃气内燃机与单个开闭站的一段母线并网， 当该段外网供电故障时，可通过倒闸操作与另外一段母线并网。同时另外设有 备用机组，当市网发生故障时投入使用。 如暂时不能实施并网运行，则两台燃气发电机组并机运行后独立承担一段 10kV 母线的全部负荷，此时以市电作为该段母线的备用电源。另一段母线负荷 仍由市电满足。 4.4 配电室布置配电室布置 采用三联供系统后，机房配电系统需要增加两台开关柜和一个并机柜。并 机柜应布置在便于监视的地方，如控制室。开关柜可以根据并网方案布置在与 相应变压器便于接线的位置，如可以在并网变压器后增加适当的进线间隔。其 它开关柜数量根据采用的切换点数量、接线方式等进一步确定。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 14 5三联供系统运行三联供系统运行方案方案 5.1 电气系统运行方案电气系统运行方案 5.1.1燃气发电系统运行方式燃气发电系统运行方式 数据中心供电分为一期、二期建设，一期供电共有两段 10kV 高压母线， 每段母线配有四台 2000kVA 变压器负责数据中心负载，一台 1250kVA 变压器 承担办公负载。一期设计负荷最大约 10000KVA，因为两段 10kV 母线互相备 用，在一段母线故障时另一段母线单独承担全部 10000KVA 负载，因此每段母 线日常最大负荷应为 5000kVA。据此本三联供发电机一期配备 2 台 2370kW 燃 气发电机组，分别在两段 10kV 母线上并网。 并网运行时，正常情况下根据电负荷变化情况调整发电机组出力，在保证 发电机组高效运行的基础上，控制一定比例的电负荷由市电供给，其余由发电 机组供应。 如果暂时不能实现与市电并网运行，则两台燃气发电机组并机后接入一段 10kV 母线上，按照目前的设备选型可以满足全部负荷需求，另一段 10kV 母线 仍由市网供电。如果能争取到 1 路市电作为燃气发电机组独立运行的备用电源， 则当一台发电机组检修或故障时首先切换至市电运行方式，如市电故障可由柴 油发电机组与没有发生故障的油气两用发电机组共同满足电负荷需要；如果没 有市电作为独立备用，则当一台发电机组检修或故障时首先切换至另一路 10kV 供电，如另一路 10kV 也发生故障，则由柴油发电机组与没有发生故障的油气 两用发电机组共同满足电负荷需要，此时可能需要关掉部分不重要的负荷。 当燃气供应系统发生故障、并且市电也发生故障时，由柴油发电机组与三 联供系统的两台油气两用发电机组共同满足项目用电需求，三台机组总容量 10000kW，与原方案中的备用柴油发电机组容量基本相同，可以完全满足独立 带载的要求。备用柴油量与原设计方案相同，以保证柴油发电机组满负荷工作 48h 为宜。储油装置的位置与原设计方案相同。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 15 图 5-1 一期三联供系统一次接线简图 5.1.1.1 发电机并网运行模式分解发电机并网运行模式分解 1、1，2#发电机断路器分别与 1，2#市电断路器并列运行； 2、1，2 段 10kV 母线中发电机日常运行负荷率在 50%以上调节（只开常用 发电机组） ，同时保证有部分电力由市电供应； 3、如 1 路 10kV 市电故障，断开其断路器，闭合两段 10kV 母线母联开关， 由另一路 10kV 市电及两台发电机组共同带载运行； 4、如两路市电均发生故障，启动备用柴油发电机组与两台油气两用发电机 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 16 组共同承担市电负载； 5、如发电机故障，市电可自动加大负载，承担起发电机负载。 6、燃气系统发生故障时，油气两用发电机组以单独燃烧柴油方式运行保证 系统电力供应。 5.1.1.2 发电机独立运行模式分解发电机独立运行模式分解 1、此时的状态为两台油气两用发电机组并机后独立满足一段 10kV 母线负 荷，另一段 10kV 母线负荷仍由市电满足。 2、如仍有 1 路 10kV 市电作为独立运行发电机组的备用，则当发电机组出 线故障时该母线负荷全部切换至备用 10kV 市电。 3、如无 10kV 市电作为备用，本独立运行系统仍可保证供电的安全可靠性。 当一台发电机组出现故障时，将故障发电机组解列，同时投入备用柴油发电机 组，通过调整发电机组出力，使得保留的燃气发电机组出力尽可能高。 4、当一台发电机组出现故障时，也可将三联供系统发电机组均解列，同时 闭合 10kV 母联开关，由另一路 10kV 市电满足全部负荷需要。 5、当市电发生故障时，备用柴油发电机组与两台油气两用发电机组可以共 同承担全部负载； 6、燃气系统发生故障时，油气两用发电机组以单独燃烧柴油方式运行保证 系统电力供应。 5.1.2可靠性分析可靠性分析 无论是在并网或者独立运行方案的方式下，10kV 出线的三联供发电机安全 可靠性都可满足 IDC 机房的应用条件，主要原因如下： 1、并网条件下相当于在每路 10kV 进线基础上增加了一路电源，经过合理 设置电气保护，新增燃气发电电源的状态变化不会影响原有 10kV 进线的正常 运行，反而在 10kV 进线故障状态下燃气发电电源仍可以采用如上所述的独立 运行方式正常供电，增加了系统可靠性； 2、如果 1#，2#市电全部中断，所配发电机容量可完全满足一、二段母线 的所有负载容量并预留有检修备用容量； 3、在发电机独立运行方案中，发电机故障停机或者启动时需要与市电系统 进行进行一次短暂的无间断切换，数据中心内的电子信息设备的无间断故障时 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 17 间一般在十几毫秒，要求切换开关的转换时间非常小，目前国内 STS 大容量转 换开关的技术已经非常成熟，转换时间可以做到 8 毫秒以下，完全可以做到系 统地无间断切换。 在三联供系统设计中建议燃气发电机组接入 10kV 母线，并取消原有低压 侧的备用柴油发电机组，进一步提高了系统可靠性，主要原因如下： 1、低压备用发电机接在低压母线上，低压系统中的 UPS 可能产生大量的 谐波，会对发电机的运行产生影响，而燃气发电机组接在高压侧，有变压器的 隔离，谐波对发电机的影响将大大减小； 2、低压备用发电机组为日常备用机组，如发电机保养不当，故障不能及时 排除，一旦突然事故发生，可能会因启动后带载故障发生而停机，可能给数据 中心的安全运行事故，而燃气发电机组为日常使用机组，可及时保养并排除故 障，消除备用发电机带载故障隐患； 3、发电机组接在低压，一段母线对应一台发电机组，各段母线负荷分配不 均，发电机整体效率差，而燃气发动机接在高压侧，发电机的出力会根据下级 4 段母线的负荷大小进行调整，且发电机为多台并机，可根据负荷自动调整发 电机台数和负荷大小，使得发电机运行在一个良好的状态下； 4、三联供用发电机全部为燃气/燃油双燃料发电机组，即使在市电/燃气能 源全部故障情况下，依然可以采用燃油启动发电机，保障系统运行。 5.2 空调系统运行方案空调系统运行方案 采用本三联供系统后空调系统的主设备为：两台 4652kW 烟气热水型余热 直燃机、两台 750RT 电制冷水冷机组（与原设计相同） ，其中一期投入 1 台 4652kW 烟气热水型余热直燃机以及两台 750RT 电制冷机组。单台油气两用发 电机组满发运行时，其余热量可以使烟气热水型直燃机出力达到满负荷的 60% 以上。其余蓄能系统设计、空调系统管路设置以及末端设置均与原设计方案相 同。新增的烟气热水型余热直燃机供能参数与电制冷机组相同，因此其接入空 调系统的方式与原冷水机组相同。三联供系统中与原设计相同的部分在本报告 中不做详细论述。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 18 5.2.1余热空调系统运行方式余热空调系统运行方式 5.2.1.1 夏季工况夏季工况 1. 基本运行方式 1）夏季工况下，办公区和机房区都需要制冷，共用一套制冷主机，其中两 台余热直燃机的制冷容量基本能满足总冷量需求。优先采用发电缸套水和烟气 余热，通过余热直燃机提供 7的冷冻水，通过一次泵送往空调分水器，冷冻 水分两路出水，一路送往机房区，另一路单独送往办公区。 2）冬季工况下，办公区需要供热，而机房区仍然需要制冷。优先利用发电 机缸套水余热通过换热器换热满足办公用热的需求，两台发电机组的缸套水热 量可基本满足供热需求。余热直燃机优先利用发电机烟气余热以制冷方式运行， 提供 7的冷冻水通过一次泵送往空调分水器，供一路冷水到机房区。 3）余热不足以满足所有冷需求时，通过部分直接燃烧天然气进行补燃；余 热过多时，通过蓄水池进行蓄冷，调节余热制冷的供需平衡，在冷负荷需求较 高时，再通过蓄水池供冷以减少天然气补燃耗量。 4）通过回收部分余热机的二次排烟热量满足少量的生活热水需求，同时在 冬季也可作为办公区供热的补充。 2. 故障工况下运行模式 1） 发电机组故障，无余热可利用时，由天然气补燃满足空调需求。 2） 一期一台余热机组故障时，两台 750RT 电制冷机组可以补充所需空调 供应。 3）二期两台余热机组均发生故障时，两台 750RT 电制冷机组以及备用风 冷机组可以补充所需冷量。 4）蓄冷系统可以蓄存多余发电余热供冷量，调节三联供系统的运行特性， 还可以增加一路机房供冷系统。 5） 即使在发电机组完全独立运行，电力和机房制冷都处于较高负荷条件 下，多重互补的空调系统也能满足机房的不间断负荷要求。 5.2.2可靠性分析可靠性分析 1. 余热直燃机组设置全补燃功能，即使在没有发电余热的情况下，也可通 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 19 过天然气全部补燃满足供冷需求。设置电水冷机组，当燃气系统故障时仍能保 证供冷需求。 2. 冷却水系统 N+1 设置，并设计冷却水蓄水槽，保障冷却系统可靠运行。 3. 水管路系统选用双系统，任意一路出现故障也能自动切换，同时设计冷 冻水蓄水槽，相当于增加一路冷水供应，多种水路保障。 4. 双冷源（风冷+冷冻水）型机房专用空调系统。机房专用空调内机冷冻 水型与风冷运行方式进行切换，在大多数季节中系统主要启用经济节能的水冷 系统，而在不满足水冷型机组运行的季节或系统发生故障及检修维护时才启用 风冷系统。采用双冷源机组虽然会增加项目的初投资费用，但系统安全可靠性 较高，且运营成本可以大大降低。 5. 根据北京市气象条件特点，在过渡季和冬季多数时段还可以直接利用室 外丰富的自然冷源对机房环境降温，从而可以大大缩短专用空调机组的压缩机 的全年运行时问。这样不但节约了大量的电能，同时也延长了空调机的使用寿 命，减少了空调机组的维护工作量，降低了维护成本。 5.3 方案主要技术指标比较方案主要技术指标比较 按照北京市现行各种能源价格对开行数据中心燃气内燃机三联供方案一期 项目进行简单技术经济计算如下表所示。其中并网运行方案是指两台 2370kW 发电机组分别接入两段 10kV 母线、在峰平电价时段并网运行，夜间低谷电价 时段停机；独立运行方案是指两台发电机组并机后独立负责一段 10kV 母线的 电负荷。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 20 表 5-1 不同方案的比较 三联供系统常规系统 内容单位 并网运行独立运行 空气源热泵 +冷水机组 1年能源供应量 1.1年三联供发电量万 kWh2512.22038.2 1.2年供冷量万 kWh3639.083639.083639.08 其中余热供冷量万 kWh2386.591997.44 蓄冷供冷量万 kWh180180180 电制冷供冷万 kWh7201203459.08 天然气直燃供冷万 kWh352.491341.64 1.3年供热量万 kWh137.22137.22137.22 其中余热供热量万 kWh137.22137.22 1.4年供热水量万 kWh21.6821.6821.68 其中余热供热水量万 kWh21.6821.68 2能源中心能源消耗量 2.1年耗电量万 kWh374.8241.47 1062.46 2.2年耗燃气量万 Nm3747.12 704.39 3能源中心运行成本万元1987.97 1820.86 914.25 3.1天然气支出万元1419.53 1338.34 3.2电支出 229.32181.32 841.47 3.3年维护保养费万元275.13 237.21 72.78 3.4发电容量备用费万元63.9963.99 4年节省购电费用万元2260.981630.56 5初投资费用万元776876683160 6相对常规系统节约费用万元1187.26 723.95 7增量投资回收年年3.88 6.23 注：燃气价格：1.85 元/Nm3（夏季） ，1.95 元/Nm3（冬季） ，燃气热值 8400kcal/Nm3；商业电价：尖峰段 1.3377 元/kWh，峰段 1.2283 元/kWh，平段 0.7785 元/kWh，谷段 0.3539 元/kWh。 由上述计算可见： 1 系统供能方式多样、互相支撑，如下图所示，增加了数据中心供能的安 全性。 开发银行稻香湖数据中心燃气冷热电三联供系统可行性研究报告 21 年供冷量组成 65% 5% 20% 10% 其中余热供冷量 蓄冷供冷量 电制冷供冷 天然气直燃供冷 图 51 三联供系统年供冷量组成 2 上述三联供系统投资估算中除了考虑所增加的油气两用发电机组、余热 利用设备外，还考虑了柴油发电机组以及保留的水冷机组；常规系统投资估算 中也按照原设计方案考虑了 3 台 750RT 水冷机组、冬天供热的空气源热泵机组 和 5 台 2500kVA 的备用柴油发电机组。可以看到开行数据中心一期工程三联供 系统相对于常规空调系统的增量投资约为 4500 万元。 3 上述运行费用估算中考虑了年电耗、气耗以及系统运行维护费用（其中 包括了日常维修维护和人工费用） 。可以看到由于发电耗气量增加，三联供能源 中心每年运行成本比常规系统增加约 1000 万元。但是由于发电带来的收益，每 年三联供系统可以节省 17002200 万元的电费。综合比较，开行数据中心采用 三联供系统后每年可以节省 700120