开发银行燃气冷热电三联供系统可行性研究报告Word文档下载推荐.docx
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《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
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。
2负荷需求分析
2.1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负荷分析条件
北京空调设计室外参数如下所示。
表21北京室外气象计算参数
地名
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）
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°
48′
116°
28′
31.2
1020.4
998.6
45
78
64
4.8
2.8
1.9
年平均温度
（℃）
室外计算（干球）温度（℃）
夏季空气调节室外计算湿球温度
最热月平均温度（℃）
采暖
空气调节
最低日平均
通风
空气调节日平均
计算日较差
11.4
-9
-12
-15.9
-5
30
33.2
28.6
8.8
26.4
25.8
图21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：
20－25℃；
相对湿度：
40％－55％；
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0.5μm的灰尘粒子浓度≤18000粒/升。
2）直径大于5μm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）。
2.3负荷分析
2.3.1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22开发银行建设项目设计负荷指标
不同功能
面积
冷负荷
热负荷
电负荷
热水负荷
m2
kW
机房
15000
7735
12000
办公
19000
1615
1330
1000
50
合计
34000
9350
13000
2.3.2办公区
办公区设计日负荷变化曲线如下图所示：
图22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。
2.3.3机房区
机房区设计日负荷变化曲线如下图所示：
图23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。
3系统方案
3.1本项目能源站方案分析
3.1.1能源站方案基本要求
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
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
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31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
一期投入1台
3
柴油发电机组
4000kW
缸套水换热器
板式换热器,Q=1300kW
5
缸套水散热器
中冷水散热器
板式换热器,Q=150kW
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。
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
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。
4电力接入
4.1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TIA－942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TierIII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。
图41电气系统一次接线图
4.2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。
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
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
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。
5三联供系统运行方案
5.1电气系统运行方案
5.1.1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。
图51一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
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
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；
5.1.2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
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