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大連普陽

數據中心機房新型發電技術分析

發電是數據機房和網絡機房高可用性供電系統的關鍵組成部分。盡管IT系統依靠電池或飛輪發電機也能堅持工作數分鐘甚至幾小時,但若要達到"五個九"的可用性水平,必須具備本地發電的能力。在供電情況較惡劣的地方,也必須進行發電,使可用性達到99.99%或99.9%。要解決該問題,傳統的辦法是采用備用柴油機或燃氣發電機與UPS相結合,在可用性要求很高的應用中,可使用此類備用發電機的N+l陣列。
  
  也有人提出,燃料電池和微型燃氣輪機是網絡機房和數據機房發電方案的上乘之選。這類系統不僅可以持續為網絡機房或數據機房供電,還可以產生超額的電力以用于其它負載或反饋給市電網絡。其系統可用性和總擁有成本因系統的使用方式而異,下面將對此進行論述。
  
 1.發電機工作模式
  
  (1)備用模式
  
  該模式采用交流市電作為主要的供電電源,本地發電只是作為計劃中的斷電或交流主電源出現故障時的后備電源。備用系統啟動時,將使用UPS作為系統啟動延時的過渡。對于擁有本地發電機的網絡機房和數據機房,有99%以上采用這種工作模式。
  
  (2)持續模式
  
  該模式采用本地發電作為主要的供電方式,而將市電作為斷電或本地發電出現故障時的后備電源。負載由本地發電機供電,并在系統切換過程中采用UPS作為延時的過渡。本地發電機只為關鍵負載供電,如果本地發電機的功率超出負載功率,則可能末充分利用發電系統,或其工作效率處于效率曲線上某個較低的點。
  
  (3)市電交互模式
  
  該模式采用本地發電作為主要的供電方式,而將市電作為斷電或本地發電出現故障時的后備電源。本地發電機與市電并聯,這樣可以將產生的超出關鍵負載功率的電能反饋給市電。在該模式中,超出的電量可能只是被系統中其它的非關鍵負載所消耗,也可能逆向流入市電網絡。通常,需要采用UPS來為關鍵負載提供緩沖保護,以免受到供電變化的影響。正常情況下,發電系統工作于其效率曲線上經濟效益最高的點。
  
 2.容錯模式
  
  無論采用何種技術或模式,都可以通過以下方法來提高可用性。
  
  (1)雙路結構
  
  若采用雙路結構,則整個發電系統都將處于冗余保護下。理想情況下,冗余性應遍及整個電源系統,并且一直延伸到關鍵負載,關鍵負載本身應配置為可接受雙路電源輸入。
  
  (2)N+1結構
  
  在該結構中,發電系統中可靠性最低的組件由多個并聯設備構成,以便在其中一個出現故障后,其它設備可以繼續為關鍵負載供電。
  
 3.總擁有成木(TCO)
  
  在選擇發電系統時,成本問題雖然不一定起決定作用,但始終是一個至關重要的考慮因素。發電系統的總擁有成本(TCO)由以下成本構成:○1工程設計成本;○2投資成本;○3安裝/啟動成本;○4維護成本;○5燃料成本;○6節能(用于減少燃料成本)。
  
  在實際應用中,以下因素會對TCO的計算結果造成較大的影響:○1燃料成本與電力成本:
  
  ○2市電閑置費或備用電源費;○3反向饋電價格和管理費;○4供電系統的負載百分比。
  
  我們可以構建一個模型來估算各種技術與工作模式的總擁有成本。對于傳統的備用發電機,計算所需的數據很容易獲得,估算結果也比較可靠。對于燃料電池和微型燃氣輪機,我們基于行業未來3~5年的規劃對設備成本進行了估算,這一前瞻性的結果可以為這些技術未來的經濟效益提供有益的指導。
  
  給定設備成本、安裝成本、維護成本和能量數據,可以很容易計算出一個使用壽命為10年的典型數據機房的TCO,此處不再贅述。
  
  分析得出以下基本結論。
  
  (1)前期成本與使用壽命期間的能源成本相當。
  
  (2)燃料電池和微型燃氣輪機節約的能源成本不足以抵消因采用這些技術而提高的前期成本。
  
  (3)假定通常情況下數據機房的利用率遠遠低于100%,那么與備用模式或市電交互模式相比,持續本地發電是最不經濟的模式。

  (4)本地發電的低效率抵銷了采用低成本燃料所帶來的大部分好處。
  
  4.其它注意事項
  
  從經濟的角度而言,數據機房發電系統采用燃料電池和微型燃氣輪機并不比采用備用發電機更具優勢。不過在考慮到其它一些實際情況之后,采用燃料電池或微型燃氣輪機技術也不失為一個值得嘗試的選擇,以下對此進行了詳細論述。
  
  (1)排放物
     當地的法令法規或公司的規章制度有可能對排放物做出了限制。在眾多本地發電系統方案中,面臨排放物困擾最為嚴重的是柴油發動機。支持將柴油機作為備用發電機的觀點認為,雖然其單位時間的排放量較大,不過工作時間很短,因而總的排放量較低。不過實際上備用柴油機在啟動時會產生大量的可見煙塵,尤其是當柴油機作為備用電源要在瞬間承擔起負載時更是如此。因此柴油機在啟動時往往會遭到周圍居民的抱怨,從而可能導致事后遭到有關法規的管制這樣一個非常旭忱的局面。
  
  為了進行TCO分析,我們假設用天然氣或丙烷燃料的備用發電機來替代廣泛使用的柴油發電機。這些發電機的成本要比柴油發電機的成本高出大約30%,但極大地減少了排放物,尤其是可見排放物。如果主要目的是為了減少排放物,有數據顯示,以天然氣或丙烷為燃料的發電機要比電池材料或微型燃氣輪機經濟得多。
  
  (2)可用性
  
  對于許多數據機房和網絡機房而言,停機成本十分昂貴。有人曾提出,與備用發電機相比,燃料電池和微型燃氣輪機可以提高系統的總體可用性。人們經常會提及一個統計數據,即各用發電機在需要啟動時只有90%的成功概率。
  
  要評定此論點是否正確,需要燃料電池和微型燃氣輪機的可靠性數據,以及故障模式的特性及其所需的修理時間,目前還無法獲得這些數據。
  
  我們能夠肯定的是,在容錯方面進行投資可以提高任何供電系統的可用性。例如,前面討論過的N+l結構和雙路結構。此外,加強同步維護設計、改進狀態監控以及增強維護等措施都可以提高可用性。目前有證據表明,如果將備用發電機系統所節約的TCO用于提高此類系統的可用性,則可以抵銷燃料電池或微型燃氣輪機的任何可能的(及尚未證實的)可用性優勢。
  
  (3)取消其它設備
  
  許多有關燃料電池和微型燃氣輪機的討論都認為,采用新技術后,供電系統中其它某些設備可以取消,從而可能會降低成本、提高可用性及效率,去掉UPS或電池是討論得較多的一個話題。若采用市電交互模式,則仍然需要采用UPS來隔離關鍵負載與市電。若采用持續模式,也仍然需要采用UPS來為關鍵負載提供緩沖保護,使之免受其它負載(如空調裝置)的影響。若采用備用模式,很顯然,在發電機能夠運轉之前必須用UPS為關鍵負載供電。
  
  在持續模式或市電交互模式中使用時,UPS的后備時間原則上要比用在備用模式中的后備時間短,因而其電池可以更小。不過,縮短特定負載的電池運行時間,會給電池造成更大的壓力,并降低系統可靠性。采用目前的電池技術,不可能將電池的大小縮小至運行時間低于5分鐘。如果在持續模式或市電交互模式下采用帶飛輪的UPS,那么發電系統可以不用電池。不過,沒有數據表明該措施會給TCO帶來任何益處。此外,實際數據機房的故障數據顯示,電池所提供的后備時間可以為在發生異常故障時進行人為干預提供時間,從而防止停機。
  
  (4)從交流電轉換為直流電
  
  某些關于燃料電池和微型燃氣輪機的討論認為,數據機房和網絡機房采用這些技術后可以不再需要交流電源。其觀點是,采用直流電源為關鍵負載供電可以減少電力轉換步驟,而燃料電池和微型燃氣輪機產生的都是直流電,因而有可能直接采用。
  
  這種觀點實際上不切實際。首先,數據機房或網絡機房運營所需的許多設備都需要交流電,讓這些設備改為采用直流電幾乎是不可能的。這些設備包括照明設施、空調裝置、辦公設備,甚至個人計算機。其次,認為直流電比交流電效率更高或更具優勢的觀點無疑是錯誤的。
  
  (5)熱電聯產
  
  無論何種發電系統,除了產生電能之外,還會產生更多的熱能。如果能將這部分熱量轉化為有用的能源,從而取代其它必需的熱源,那么有可能大大降低成本。但很可惜,數據機房本身所產生的熱量已經足夠多了,并不帶要多余的熱能。因此,在將節約成本的構想付諸現實之前,必須先找到持續熱能的用武之地,雖然這樣的應用環境難以找到。但有數據顯示,在此類特殊環境中市電交互熱電聯產發電系統的TCO要低于備用供電系統的TCO。
  
  請注意,當采用熱電聯產時,有數據顯示,以天然氣為燃料的發動機的TCO仍比燃料電池或微型燃氣輪機低許多。
  (6)冷電聯產
  
  發電過程中所產生廢熱的另一個用途是通過名為"吸收式制冷機"的設備來驅動制冷裝置。此時,廢熱實際上轉換為數據機房所需的制冷能源。由于一般的數據機房在運行制冷系統方面所需的電能并不少于關鍵負載所需的電能,因此這種方法帶來了雙重好處:既降低了電力負載,又提高了發電系統的效率。從理論上而言,這會顯著減少數據機房的TCO。
  
  就目前而言,在不損失優勢的情況下為冷電聯產系統提供容錯功能仍然是一個尚未攻克的技術難題。
  
  廢熱的溫度越高,采用吸收式制冷機的冷電聯供系統的性能也越高。因此。PEM等燃料電池技術不適合采用吸收式制冷機。因為其工作溫度太低,而微型燃氣輪機的廢熱溫度最適合冷熱聯產方案。
  
  (7)與市電完全斷開
  
  某些文章中偶爾會提到,采用燃料電池或微型燃氣輪機的數據機房可以徹底與市電網絡斷開。這樣一來,便無需備用費用或其它市電費用,這也使得可以將數據機房建在無法取得交流市電增容許可的地方。
  
  與市電隔絕確實帶來了諸多新的技術問題。例如,發電機的冷啟動、無市電作為后備電源的損失等等。此外,設施還要依賴于通過管道或汽車運送的燃料,因而可能會面臨供應不暢問題。燃氣設備也可能在緊急關頭停止運行,例如,在遇到罕見寒冷天氣而急需燃氣時,燃氣壓力卻在下降。
  
  有數據顯示,如果不得不完全與市電斷開,那么傳統發電機組的TCO仍然要低于燃料電池或微型燃氣輪機的TCO。

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