CN111963315B - 数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法 - Google Patents

数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111963315B
CN111963315B CN202010723434.XA CN202010723434A CN111963315B CN 111963315 B CN111963315 B CN 111963315B CN 202010723434 A CN202010723434 A CN 202010723434A CN 111963315 B CN111963315 B CN 111963315B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
flue gas
energy
data center
cold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010723434.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111963315A (zh
Inventor
郭鸿浩
冷慧
郭前岗
向思明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Posts and Telecommunications filed Critical Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202010723434.XA priority Critical patent/CN111963315B/zh
Publication of CN111963315A publication Critical patent/CN111963315A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111963315B publication Critical patent/CN111963315B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B33/00—Steam-generation plants, e.g. comprising steam boilers of different types in mutual association
    • F22B33/18—Combinations of steam boilers with other apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
    • F25B15/02—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas
    • F25B15/06—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas the refrigerant being water vapour evaporated from a salt solution, e.g. lithium bromide
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H02J3/322—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means the battery being on-board an electric or hybrid vehicle, e.g. vehicle to grid arrangements [V2G], power aggregation, use of the battery for network load balancing, coordinated or cooperative battery charging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems
    • Y02B30/625—Absorption based systems combined with heat or power generation [CHP], e.g. trigeneration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

本发明公开了数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法，属于能源优化领域，包括燃气轮机发电系统、蒸汽轮机发电系统、市电网与数据中心通过第二交流母线相连；电动汽车换电站和市电网连接到第一交流母线；第一交流母线和第二交流母线由并网开关连接；溴化锂制冷机和电制冷机生产冷能；高温烟气分流器实现对烟气的分流控制。本发明补充了余热锅炉‑蒸汽轮机发电系统，对燃气轮机产生的高温烟气进行分流，调节三联供系统输出的冷、电功率比例，以适应数据中心对冷能和电能的需求比例，同时实现了能源的梯级利用。考虑依托电动汽车换电站建设数据中心，将换电站的动力电池作为数据机房可靠的储能设备，为数据中心的稳定供电提供了进一步的保障。

Description

数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法
技术领域
本发明属于能源优化技术领域，具体涉及数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法。
背景技术
以燃气轮机为核心的冷热电三联供系统，以天然气为分布式能源摒弃了大容量远距离输送高压输电线的建设，减少了因为长距离输送线路造成的电能损耗。天然气是一种纯净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生的二氧化碳低于其他化石燃料，因而能从根本上改善环境质量。
冷热电三联供系统可为用户同时提供冷、热、电三种形式的能量，通过对能源的梯级利用，提高了一次能源的利用率，减少了污染气体的排放，已经获得全世界范围内的关注与应用。
数据中心需要大量的冷能来控制机房环境温度，以保障数据设备的运行可靠性。常规的数据中心制冷方案多为电制冷机制冷，考虑到数据设备本身大都是大功率设备，所以数据中心的常规运行将消耗大量电能，这给数据中心前期的供电建设造成较大挑战，也造成数据中心后期高额的运行费用。
数据中心能源供应的稳定性是十分重要的，所以数据中心往往需要配置储能电池，来应对在电网的突发停电事故。但是，数据中心的储能电池存在容量不足、后期老化等因素，给数据中心的稳定供电造成隐患，若扩大储能电池的容量，将增加初期的建设成本和长期的维护费用。
数据中心对能耗的需求包括：(1)机房设备电能负荷；(2)用于机房散热的空调供冷负荷；(3)对热能的需求仅体现在数据中心配套附属办公区域在冬季的供暖。其中数据设备的电能负荷常年都比较平稳，空调冷负荷仅和气温变化有一定关系。以夏季为例，数据中心对电能和冷能的需求总体较为平稳。
冷热电三联供系统应用于数据中心的经济性价值，取决于数据中心需求的冷负荷和电负荷的比例以及负荷需求平稳性，考虑到受纬度影响的气候变化和受季节影响的气温变化，数据中心对冷负荷、电负荷的需求比例有很大差异，根据数据中心需求的冷负荷和电负荷的实际比例来设计冷热电三联供系统是十分必要的。
数据中心燃气机组的容量选择取决于数据中心的总冷量、总电量以及燃气机组的冷电比。有文献提到，以燃气轮机为基础的三联供系统的冷电比一般在1.4，某华北数据中心的夏季总冷电比约为0.87，如果采用以冷定电的方式设计燃气内燃机的容量，机组发电的容量将不能满足数据中心电负荷的需要，发电不足的部分可利用市电进行补充。采用以冷定电的模式可以充分利用发电机组，系统的整体经济性高，但如果市电完全中断，三联供系统的发电容量无法满足数据中心整体的用电容量，系统的可靠性略低。由此可见，调控三联供系统本身的输出冷电比，以适应数据机房对冷电比的实际需求是十分必要的。
部分就近利用水电，以及光伏、风电等新能源供电的城市在供电稳定性上给数据中心带来较大挑战，数据中心对电功率和冷功率的供应可靠性要求很高，需要多重措施保障数据中心的供电、供冷。
电动汽车换电站包含大规模的充电设施，可同时为大量动力电池充电。换电站的优点是可通过V2G技术接入微网并对其充放电进行控制，从而对微网起到削峰填谷的作用。
发明内容
发明目的：为了解决以上问题，本发明提出数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法，目的是为了提高数据中心的能源需求稳定性和经济性。具体技术方案如下：
数据中心多重能源保障三联供系统，包括燃气轮机，所述的燃气轮机与城市天然气管道和烟气分流器分别相连，所述的烟气分流器包括烟气管道A和烟气管道B，所述的烟气管道A与余热锅炉相连，余热锅炉通过高温蒸汽管道与蒸汽轮机相连，蒸汽轮机与第二发电机相连；所述的烟气管道B与汽水换热器相连；所述的蒸汽轮机与第二发电机相连后接入第二交流母线，所述的燃气轮机与第一发电机相连后接入第二交流母线，所述的第二交流母线与数据中心和市电网分别相连，所述的第二交流母线与第一交流母线由并网开关连接，所述的第一交流母线与电动汽车换电站和市电网分别相连。
进一步地，所述的汽水换热器通过热能管道与溴化锂制冷机和附属建筑相连；所述的溴化锂制冷机和电制冷机通过冷能管道，向数据中心和附属建筑供冷。
所述的数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、确定数据中心在夏季对冷功率和电功率的需求大小以及冷电比；
S2、调节烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例α；使三联供系统输出的冷功率QAC和总发电量PT的冷电比与数据中心的冷电比一致；
S3、在α确定的情况下，由燃气轮机的发电功率PGT、蒸汽轮机的发电功率Py，根据公式PT＝PGT+Py，得到三联供系统的总发电量PT；根据数据中心的总用电量可以确定燃气轮机所需的燃气燃烧量；由于三联供系统的冷电比与数据中心的冷电比实现匹配，三联供系统输出的冷功率和电功率都能满足数据中心的需求；
S4、数据中心的电能和冷能优先由三联供系统供应，假如三联供系统突然停机，第二交流母线将从市电网取电，数据中心的电能由市电网提供，冷能由备用电制冷机提供；当三联供系统和市电网均被切断时，电动汽车换电站和数据中心自身的储能电池可作为储能单元给第二交流母线提供电能。
进一步地，所述的燃气轮机的发电功率PGT为
PGT＝ηGT·β·Vg
式中：ηGT为燃气轮机发电效率，β为单位气态天然气热值，PGT为燃气轮机发电功率，Vg为燃气轮机运行时输入天然气体积；
燃气轮机排放出大量的高温烟气，燃气轮机排放的高温烟气余热功率HGT为
Figure BDA0002600835900000031
式中：HGT为燃气轮机排放的高温烟气余热回收功率，ηrec为燃气轮机排放的余热回收效率。
进一步地，所述的烟气分流器的烟气管道A输出的高温烟气中的高品质热能被余热锅炉回收利用并产生高温蒸汽，烟气管道A输出的高温烟气余热热功率HHA为
HHA＝α·HGT
式中，HHA为烟气管道A输出的高温烟气余热热功率，α为烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例；烟气管道A输出的高温烟气余热被余热锅炉回收的可用热功率HHD为
HHD＝ηg·α·HGT
式中，HHD为烟气管道A输出的高温烟气余热被余热锅炉回收的可用热功率，ηg为余热锅炉高压蒸汽效率；
蒸汽轮机发电功率Py为
Py＝ηy·HHD＝ηy·ηg·α·HGT
式中，Py为蒸汽轮机的发电功率，ηy为蒸汽轮机的发电效率；
通过烟气管道B输出的高温烟气中的热能直接被汽水换热器回收，烟气管道B输出的高温烟气余热热功率HHB为
HHB＝(1-α)·HGT
HHB为烟气管道B输出的高温烟气余热热功率。
进一步地，所述的烟气管道A输出的高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能被汽水换热器回收；余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能可利用热功率为
HLA＝ηla·HHA＝ηla·α·HGT
式中，HLA为余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能可利用热功率，ηla为余热锅炉排放的低温烟气余热回收效率；高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，变成低温烟气；该低温烟气与B管道输出的高温烟气的热能在汽水换热器中被回收；汽水换热器回收余热生产出的可用热功率为
HHE＝ηHE·(HLA+HHB)＝ηHE·(1-α+ηla·α)·HGT
式中，HHE为汽水换热器回收余热生产出的可用热功率，ηHE为换热器换热效率。
进一步地，所述的溴化锂制冷机和电制冷机通过冷能管道，向数据中心和其他附属建筑供冷；溴化锂制冷机将系统中生产出的热能转换成冷能，溴化锂制冷机的制冷量为
QAC＝COPAC·HAC
＝COPAC·αAC·HHE
＝COPAC·αAC·ηHE·(1-α+ηla·α)·HGT
式中，QAC为溴化锂制冷机的制冷功率，HAC为溴化锂制冷机的消耗热能，COPAC为溴化锂制冷机制冷系数；HAC＝αAC·HHE，αAC为HAC占HHE的比率。
进一步地，所述的燃气轮机的发电功率PGT和蒸汽轮机的发电功率Py构成电能输出，三联供系统的总发电量PT表示为：
PT＝PGT+Py；
溴化锂制冷机的冷能输出功率为QAC，三联供系统的冷电比可表示为
Figure BDA0002600835900000051
式中，
Figure BDA0002600835900000052
KE为三联供系统输出冷功率和电功率的冷电比，PT为三联供系统的总发电量，QAC为溴化锂制冷机的冷能输出功率；根据上述公式，α是冷电比KE唯一的变量，对α的静态调节，控制三联供系统的冷电比。
所述三联供系统采取的运行方式为并网不上网。通过调节三联供系统输出冷功率和电功率的冷电比，来适应数据中心对冷功率和电功率需求的冷电比，在满足数据中心需求的前提下，三联供系统的运行效率是最高的，此时也不需要从市电网取电。只有当三联供系统停止运行时，第二交流母线才会从市电网取电。
所述三联供系统，数据中心的能源供应稳定性由多重供电、供冷系统或储能设备保证，保障措施如下：首先，数据中心的日常供电由燃气轮机发电系统(包括蒸汽轮机发电)保障，供冷由溴化锂制冷机保障。当冷热电三联供系统故障时，第二交流母线将从市电网取电，电制冷机也可以保障冷能供应。当外部供电均不可靠时，数据中心自身储能电池、以及电动汽车换电站动力电池储能可以作为储能设备，保障数据中心持续的电能需求。
有益效果：与现有技术相比，本发明加入了余热发电系统(余热锅炉-蒸汽轮机-发电机)，特别的，通过烟气分流器对燃气轮机产生的高温烟气进行分流。这将可以调节三联供系统输出的冷、电功率比，在满足数据中心对冷功率、电功率需求的前提下，使三联供系统最大程度地适应了数据中心的实际冷能、电能需求比例。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明实施例中所述数据中心多重保障三联供系统及其控制方法流程框图示意。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1-2所示，数据中心多重能源保障三联供系统，包括燃气轮机发电系统、烟气分流器、蒸汽轮机发电系统、溴化锂制冷机、电制冷机、余热锅炉、汽水换热器、电动汽车换电站和市电网；其中，燃气轮机发电系统、蒸汽轮机发电系统、市电网均通过第二交流母线与数据中心分别相连；电动汽车换电站和市电网连接到第一交流母线；第一交流母线与第二交流母线由并网开关连接，当第二交流母线突发断电时，利用V2G技术，电动汽车换电站的动力电池将储能通过第一交流母线调配到第二交流母线。
燃气轮机发电系统包括燃气轮机和第一发电机；燃气轮机与城市天然气管道和烟气分流器分别相连，天然气送进燃气轮机燃烧室时，与被加压的空气混合后燃烧，产生的高温高压燃气推动燃气轮机透平做功，同时带动第一发电机发电。燃气轮机与第一发电机相连后接入第二交流母线。
蒸汽轮机发电系统包括蒸汽轮机和第二发电机。烟气分流器的主要作用是对燃气轮机产生的高温烟气进行分流控制，烟气分流器包括烟气管道A和烟气管道B，烟气管道A与余热锅炉相连，余热锅炉通过高温蒸汽管道与蒸汽轮机相连，蒸汽轮机与第二发电机相连，高温蒸汽被送入到蒸汽轮机的高压缸做功，并带动第二发电机发电。通过烟气管道A输出的高温烟气中的高品质热能被余热锅炉回收利用并产生高温蒸汽，随后被送入到蒸汽轮机。
烟气分流器通过烟气管道B与汽水换热器相连，通过烟气管道B输出的高温烟气中的热能直接被汽水换热器回收。
汽水换热器回收余热有两部分组成：1、烟气管道A输出的高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，烟气中剩余的低品质热能被汽水换热器回收；2、同时烟气管道B输出的高温烟气直接被汽水换热器回收。汽水换热器回收余热产生的热功率，通过热能管道将热能中的一部分提供给溴化锂制冷机生产冷能，另一部分用于数据中心附属建筑的冬季供暖。溴化锂制冷机和电制冷机通过冷能管道，向数据中心和附属建筑供冷。
虽然机房消耗冷能和电能的冷电比和季节变化是相关的，而本发明的分析方法适用于不同季节中的机房运行调节。这里以四季分明的华北地区的夏季为例，参阅图2具体说明该三联供系统的运行方式
S1、确定数据中心在夏季对冷功率和电功率的需求大小以及冷电比；
S2、调节烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例α；使三联供系统输出的冷功率QAC和总发电量PT的冷电比与数据中心的冷电比一致；
S3、在α确定的情况下，由燃气轮机的发电功率PGT、蒸汽轮机的发电功率Py，根据公式PT＝PGT+Py，得到三联供系统的总发电量PT。根据数据中心的总用电量可以确定燃气轮机所需的燃气燃烧量。由于三联供系统的冷电比与数据中心的冷电比实现匹配，三联供系统输出的冷功率和电功率都能满足数据中心的需求；
S4、数据中心的电能和冷能优先由三联供系统供应。假如三联供系统突然停机，第二交流母线将从市电网取电，数据中心的电能由市电网提供，冷能由备用电制冷机提供；当三联供系统和市电网均被切断时，电动汽车换电站和数据中心自身的储能电池可作为储能单元给第二交流母线提供电能。
三联供系统采取的运行方式为并网不上网，通过调节三联供系统输出冷功率和电功率的冷电比，来适应数据中心对冷功率和电功率需求的冷电比，在满足数据中心需求的前提下，三联供系统的运行效率是最高的，此时也不需要从市电网取电，只有当三联供系统停止运行时，第二交流母线才会从市电网取电。
燃气轮机与城市天然气管道相连，天然气送进燃气轮机燃烧室时，与被加压的空气混合后燃烧，产生的高温高压燃气推动燃气轮机透平做功，同时带动第一发电机发电。燃气轮机的发电功率PGT为
PGT＝ηGT·β·Vg
式中：ηGT为燃气轮机发电效率(％)，β为单位气态天然气热值(kWh/m3)，PGT为燃气轮机发电功率(kW)，Vg为燃气轮机运行时输入天然气体积(m3)。
燃气轮机排放出大量的高温烟气，燃气轮机排放的高温烟气余热功率HGT为
Figure BDA0002600835900000081
式中：HGT为燃气轮机排放的高温烟气余热回收功率(kW)，ηrec为燃气轮机排放的余热回收效率(％)。
烟气分流器的主要作用是对燃气轮机产生的高温烟气进行分流控制，烟气管道A输出的高温烟气中的高品质热能被余热锅炉回收利用并产生高温蒸汽。烟气管道A输出的高温烟气余热热功率HHA为
HHA＝α·HGT
式中，HHA为烟气管道A输出的高温烟气余热热功率(kW),α为烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例(％)。
高温烟气经过烟气分流器，A管道输出高温烟气中的高品质热能被余热锅炉回收利用并产生高温蒸汽，随后被送入到蒸汽轮机的高压缸做功，并带动第二发电机发电。烟气管道A输出的高温烟气余热被余热锅炉回收的可用热功率HHD为
HHD＝ηg·α·HGT
式中，HHD为烟气管道A输出的高温烟气余热被余热锅炉回收的可用热功率(kW),ηg为余热锅炉高压蒸汽效率(％)。
蒸汽轮机发电功率Py为
Py＝ηy·HHD＝ηy·ηg·α·HGT
式中，Py为蒸汽轮机的发电功率(kW)，ηy为蒸汽轮机的发电效率(％)。
烟气分流器的主要作用是对燃气轮机产生的高温烟气进行分流控制，通过烟气管道B输出的高温烟气中的热能直接被汽水换热器回收。烟气管道B输出的高温烟气余热热功率HHB为
HHB＝(1-α)·HGT
HHB为烟气管道B输出的高温烟气余热热功率(kW)。
烟气管道A输出的高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能被汽水换热器回收。余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能可利用热功率为
HLA＝ηla·HHA＝ηla·α·HGT
式中，HLA为余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能可利用热功率(kW)，ηla为余热锅炉排放的低温烟气余热回收效率(％)。
高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，变成低温烟气；该低温烟气与B管道输出的高温烟气的热能在汽水换热器中被回收。汽水换热器回收余热生产出的可用热功率为
HHE＝ηHE·(HLA+HHB)＝ηHE·(1-α+ηla·α)·HGT
式中，HHE为汽水换热器回收余热生产出的可用热功率(kW)，ηHE为换热器换热效率(％)。
溴化锂制冷机和电制冷机通过冷能管道，向数据中心和其他附属建筑供冷。溴化锂制冷机将系统中生产出的热能转换成冷能，溴化锂制冷机的制冷量为
QAC＝COPAC·HAC
＝COPAC·αAC·HHE
＝COPAC·αAC·ηHE·(1-α+ηla·α)·HGT
式中，QAC为溴化锂制冷机的制冷功率(kW)，HAC为溴化锂制冷机的消耗热能(kW)，COPAC为溴化锂制冷机制冷系数(％)。HAC＝αAC·HHE，αAC为HAC(溴化锂制冷机的消耗热能)占HHE(汽水换热器回收余热产生的可用热功率)的比率(％)。
电能输出来自于两方面，燃气轮机的发电功率PGT(kW)和蒸汽轮机的发电功率Py(kW)，三联供系统的总发电量PT(kW)表示为：
PT＝PGT+Py。
溴化锂制冷机的冷能输出功率为QAC(kW)，三联供系统的冷电比可表示为
Figure BDA0002600835900000101
式中，
Figure BDA0002600835900000102
KE为三联供系统输出冷功率和电功率的冷电比(％)，PT为三联供系统的总发电量(kW)，QAC为溴化锂制冷机的冷能输出功率(kW)。根据上述公式，α是冷电比KE唯一的变量，对α的静态调节，可以控制三联供系统的冷电比。
烟气分流器对燃气轮机产生的高温烟气进行分流。烟气分流器可以调节三联供系统输出的冷功率和电功率的冷电比，保持和数据中心冷电比的相对匹配，在满足数据中心对冷功率、电功率需求的前提下，可以有效提高三联供系统输出的能量利用效率。
第一交流母线汇聚了市电网的电能和电动汽车换电站通过V2G技术回馈的电能；第二交流母线汇聚了市电网的电能、燃气轮机发电的电能、蒸汽轮机发电的电能。
实施例1
本发明提出的数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法，具体运行方式需要考虑到不同纬度地区的气温差异和季节变化的气温差异，气温的变化影响了数据机房对冷能的需求，三联供系统需要根据数据机房的具体负荷需求，及时调节输出的冷能和电能冷电比。虽然机房消耗冷能和电能的冷电比和季节变化是相关的，而本发明的分析方法适用于不同季节中的机房运行调节。这里以四季分明的华北地区的夏季为例，参阅图2具体说明该三联供系统的运行方式：
S1、确定数据中心在夏季对冷功率和电功率的需求大小以及冷电比。
S2、调节烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例α，使三联供系统输出的冷功率QAC和电功率PT的冷电比与数据中心的冷电比一致；
S3、在α确定的情况下，由燃气轮机的发电功率PGT、蒸汽轮机的发电功率Py，根据公式PT＝PGT+Py，得到三联供系统的总发电量PT。根据数据中心的总用电量可以确定燃气轮机所需的燃气燃烧量。由于三联供系统的冷电比与数据中心的冷电比实现匹配，三联供系统输出的冷功率和电功率都能满足数据中心的需求；
S4、数据中心的电能和冷能优先由三联供系统供应。假如三联供系统突然停机，第二交流母线将从市电网取电，数据中心的电能由市电网提供，冷能由备用电制冷机提供；当三联供系统和市电网均被切断时，电动汽车换电站和数据中心自身的储能电池可作为储能单元给第二交流母线提供电能。
结合上述，本发明中数据中心的能源供应稳定性由多重供冷、供电系统或储能设备保证，保障措施如下：首先，数据中心的日常供电由燃气轮机发电系统(包括蒸汽轮机发电)保障，供冷由溴化锂制冷机保障。当冷热电三联供系统故障时，第二交流母线将从市电网取电，电制冷机也可以保障冷能供应。当外部供电均不可靠时，数据中心自身储能电池、以及电动汽车换电站动力电池储能可以作为储能设备，保障数据中心持续的电能需求。
本发明中数据中心的能源控制策略是，本发明加入了余热发电系统(余热锅炉-蒸汽轮机-第二发电机)，特别的，通过烟气分流器对燃气轮机产生的高温烟气进行分流。这将可以调节三联供系统输出的冷、电功率比，在满足数据中心对冷功率、电功率需求的前提下，使三联供系统最大程度地适应了数据中心的实际冷能、电能需求比例。
以上仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，其特征在于：数据中心多重能源保障三联供系统包括燃气轮机，所述的燃气轮机与城市天然气管道和烟气分流器分别相连，所述的烟气分流器包括烟气管道A和烟气管道B，所述的烟气管道A与余热锅炉相连，余热锅炉通过高温蒸汽管道与蒸汽轮机相连，蒸汽轮机与第二发电机相连；所述的烟气管道B与汽水换热器相连；所述的蒸汽轮机与第二发电机相连后接入第二交流母线，所述的燃气轮机与第一发电机相连后接入第二交流母线，所述的第二交流母线与数据中心和市电网分别相连，所述的第二交流母线与第一交流母线由并网开关连接，所述的第一交流母线与电动汽车换电站和市电网分别相连，所述的汽水换热器通过热能管道与溴化锂制冷机和附属建筑相连；所述的溴化锂制冷机和电制冷机通过冷能管道，向数据中心和附属建筑供冷；
控制方法包括如下步骤：
S1、确定数据中心在夏季对冷功率和电功率的需求大小以及冷电比；
S2、调节烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例α；使三联供系统输出的冷功率QAC和总发电量PT的冷电比与数据中心的冷电比一致；
S3、在α确定的情况下，由燃气轮机的发电功率PGT、蒸汽轮机的发电功率Py，根据公式PT＝PGT+Py，得到三联供系统的总发电量PT；根据数据中心的总用电量可以确定燃气轮机所需的燃气燃烧量；由于三联供系统的冷电比与数据中心的冷电比实现匹配，三联供系统输出的冷功率和电功率都能满足数据中心的需求；
S4、数据中心的电能和冷能优先由三联供系统供应，假如三联供系统突然停机，第二交流母线将从市电网取电，数据中心的电能由市电网提供，冷能由备用电制冷机提供；当三联供系统和市电网均被切断时，电动汽车换电站和数据中心自身的储能电池可作为储能单元给第二交流母线提供电能。
2.根据权利要求1所述的数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，其特征在于：所述的燃气轮机的发电功率PGT为
PGT＝ηGT·β·Vg
式中：ηGT为燃气轮机发电效率，β为单位气态天然气热值，PGT为燃气轮机发电功率，Vg为燃气轮机运行时输入天然气体积；
燃气轮机排放出大量的高温烟气，燃气轮机排放的高温烟气余热功率HGT为
Figure FDA0003568441130000021
式中：HGT为燃气轮机排放的高温烟气余热回收功率，ηrec为燃气轮机排放的余热回收效率。
3.根据权利要求2所述的数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，其特征在于：所述的烟气分流器的烟气管道A输出的高温烟气中的高品质热能被余热锅炉回收利用并产生高温蒸汽，烟气管道A输出的高温烟气余热热功率HHA为
HHA＝α·HGT
式中，HHA为烟气管道A输出的高温烟气余热热功率，α为烟气分流器A管道输出的高温烟气体积占高温烟气总量的比例；烟气管道A输出的高温烟气余热被余热锅炉回收的可用热功率HHD为
HHD＝ηg·α·HGT
式中，HHD为烟气管道A输出的高温烟气余热被余热锅炉回收的可用热功率，ηg为余热锅炉高压蒸汽效率；
蒸汽轮机发电功率Py为
Py＝ηy·HHD＝ηy·ηg·α·HGT
式中，Py为蒸汽轮机的发电功率，ηy为蒸汽轮机的发电效率；
通过烟气管道B输出的高温烟气中的热能直接被汽水换热器回收，烟气管道B输出的高温烟气余热热功率HHB为
HHB＝(1-α)·HGT
HHB为烟气管道B输出的高温烟气余热热功率。
4.根据权利要求3所述的数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，其特征在于：所述的烟气管道A输出的高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能被汽水换热器回收；余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能可利用热功率为
HLA＝ηla·HHA＝ηla·α·HGT
式中，HLA为余热锅炉排放的低温烟气中剩余的低品质热能可利用热功率，ηla为余热锅炉排放的低温烟气余热回收效率；高温烟气的高品质热能被余热锅炉回收后，变成低温烟气；该低温烟气与B管道输出的高温烟气的热能在汽水换热器中被回收；汽水换热器回收余热生产出的可用热功率为
HHE＝ηHE·(HLA+HHB)＝ηHE·(1-α+ηla·α)·HGT
式中，HHE为汽水换热器回收余热生产出的可用热功率，ηHE为换热器换热效率。
5.根据权利要求4所述的数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，其特征在于：所述的溴化锂制冷机和电制冷机通过冷能管道，向数据中心和其他附属建筑供冷；溴化锂制冷机将系统中生产出的热能转换成冷能，溴化锂制冷机的制冷量为
QAC＝COPAC·HAC
＝COPAC·αAC·HHE
＝COPAC·αAC·ηHE·(1-α+ηla·α)·HGT
式中，QAC为溴化锂制冷机的制冷功率，HAC为溴化锂制冷机的消耗热能，COPAC为溴化锂制冷机制冷系数；HAC＝αAC·HHE，αAC为HAC占HHE的比率。
6.根据权利要求5所述的数据中心多重能源保障三联供系统的控制方法，其特征在于：所述的燃气轮机的发电功率PGT和蒸汽轮机的发电功率Py构成电能输出，三联供系统的总发电量PT表示为：
PT＝PGT+Py；
溴化锂制冷机的冷能输出功率为QAC，三联供系统的冷电比可表示为
Figure FDA0003568441130000041
式中，
Figure FDA0003568441130000042
KE为三联供系统输出冷功率和电功率的冷电比，PT为三联供系统的总发电量，QAC为溴化锂制冷机的冷能输出功率；根据上述公式，α是冷电比KE唯一的变量，对α的静态调节，控制三联供系统的冷电比。
CN202010723434.XA 2020-07-24 2020-07-24 数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法 Active CN111963315B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010723434.XA CN111963315B (zh) 2020-07-24 2020-07-24 数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010723434.XA CN111963315B (zh) 2020-07-24 2020-07-24 数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111963315A CN111963315A (zh) 2020-11-20
CN111963315B true CN111963315B (zh) 2022-05-17

Family

ID=73362889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010723434.XA Active CN111963315B (zh) 2020-07-24 2020-07-24 数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111963315B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112492848A (zh) * 2020-11-27 2021-03-12 长江勘测规划设计研究有限责任公司 综合利用水电站清洁能源的数据中心能源系统
CN113381443B (zh) * 2021-05-24 2022-11-11 中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 一种新能源发电电网负荷波动补偿系统的工作方法
CN113432215B (zh) * 2021-06-03 2023-07-18 南京邮电大学 数据中心机房的三联供系统及分布式散热系统的控制方法
CN113446757B (zh) * 2021-06-16 2022-11-11 国网辽宁省电力有限公司 基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统
CN113623896B (zh) * 2021-07-01 2022-08-30 华电电力科学研究院有限公司 用于数据中心冷却的热电联产余热回收系统及控制方法
CN114300705A (zh) * 2021-12-29 2022-04-08 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 一种燃料电池三联供控制系统及方法
CN114362247B (zh) * 2022-01-14 2023-06-20 华南理工大学 一种近零排放的多能互补联合发电系统及控制方法
CN115347572A (zh) * 2022-10-18 2022-11-15 武汉再来科技有限公司 一种智慧园区能源控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011040456A1 (ja) * 2009-09-30 2011-04-07 三菱重工業株式会社 発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法
CN104197576A (zh) * 2014-07-31 2014-12-10 江苏中核华纬工程设计研究有限公司 一种能源综合利用系统及其运行工艺
CN105569751A (zh) * 2014-10-09 2016-05-11 宝莲华新能源技术（上海）有限公司 一种热能梯级利用的冷热电联产系统
CN205503271U (zh) * 2016-04-12 2016-08-24 江苏凤凰数据有限公司 一种用于数据机房的三联供系统
CN108011402A (zh) * 2017-11-06 2018-05-08 北京科诺伟业科技股份有限公司 一种光气储多能互补冷热电联供系统
CN110794684A (zh) * 2019-11-28 2020-02-14 上海电气分布式能源科技有限公司 一种冷热电三联供系统中设备容量的配置方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140265597A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Mondre Energy, Inc. Distributed Energy System Architecture with Thermal Storage

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011040456A1 (ja) * 2009-09-30 2011-04-07 三菱重工業株式会社 発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法
CN104197576A (zh) * 2014-07-31 2014-12-10 江苏中核华纬工程设计研究有限公司 一种能源综合利用系统及其运行工艺
CN105569751A (zh) * 2014-10-09 2016-05-11 宝莲华新能源技术（上海）有限公司 一种热能梯级利用的冷热电联产系统
CN205503271U (zh) * 2016-04-12 2016-08-24 江苏凤凰数据有限公司 一种用于数据机房的三联供系统
CN108011402A (zh) * 2017-11-06 2018-05-08 北京科诺伟业科技股份有限公司 一种光气储多能互补冷热电联供系统
CN110794684A (zh) * 2019-11-28 2020-02-14 上海电气分布式能源科技有限公司 一种冷热电三联供系统中设备容量的配置方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111963315A (zh) 2020-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111963315B (zh) 数据中心多重能源保障三联供系统及其控制方法
CN104716644B (zh) 一种可再生能源冷热电微网系统及控制方法
Li et al. An improved operation strategy for CCHP system based on high-speed railways station case study
WO2019205561A1 (zh) 一种含压缩空气储能的cchp微网结构及其运行方法
CN109474025B (zh) 一种园区级综合能源系统优化调度模型
CN112800619B (zh) 多源异质全可再生能源热电气储耦合系统建模与规划方法
CN113507138B (zh) 一种基于移动式综合能源系统的调度方法
CN108736518B (zh) 一种城市综合体及大型公共建筑群的综合供能系统及方法
CN204407890U (zh) 一种可再生能源冷热电微网系统
CN116316888A (zh) 氢电耦合系统的优化调度方法、系统及装置
CN116231694A (zh) 一种风光互补制氢与冷热电多能互补的综合能源系统
CN112963989A (zh) 一种水源热泵和燃气锅炉耦合的多能互补集中供能站
Zhao et al. CCHP Capacity Optimization with User Demand Characteristics
Shi et al. Research of hybrid integrated energy station based on gas turbine
Wang et al. Distributed combined cooling heating and power system and its development situation in China
CN218993729U (zh) 多能源互补供能系统
CN210624681U (zh) 一种冷、热、电三联供新能源储能供能及调峰系统
CN218159074U (zh) 一种园区级多能互补综合能源系统
CN220567335U (zh) 多种清洁热源形式互补的供热系统
Zhao et al. Comparative Study on Heating and Cooling Systems Integrated with Energy Storage
CN116885789A (zh) 一种基于区域风光储的冷热电联产多能互补供能系统
Li et al. Research on CCHP hydrogen production system coupled with wind and solar renewable energy
CN207865820U (zh) 一种高效液化空气储能系统
CN117569973A (zh) 一种提高可再生能源供能可靠性的系统及方法
Ting et al. Economic Analysis of Integrated Energy Supply System Based on Solid Oxide Fuel Cell

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant