天然气分布式能源系统在数据中心的应用研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 I 目 次 1 研究背景 . 1 2 天然气分布式能源市场发展 . 1 3 天然气分布式能源技术发展 . 4 4 数据中心应用分析 . 9 5 存在的风险 . 12 6 相关法规政策 . 13 7 投资建设及运维模式 . 16 8 典型案例 . 18 9 研究结论 . 20 II 研究报告 要点 本 研究报告的 主要 内容 为天然气分布式能源 及其 在数据中心 应用的 相关 市场 情况、 技术发展 、 政策法规 和 典型 案例。 报告 第 1、 2、 3章 主要 介绍天然气分布式能源 的 基本 概念 、 在中国 和其他国家 的市场 状况 以及相关技术发展情况 ； 第 4、 5 章 从 正反两 个方面分析了 天然气分布式能源 在 数据中心 应用的 优势 和风险；第 6、 7、 8章 从政策法规、 建设 和运维模式 两 方面介绍了天然气分布式能源的应用过程中需要重点考虑的问题，并 列举了 典型的应用案例 ； 第 9章 给出了 本研究 报告的结论。 通信电源与通信局站工作环境技术工作委员会 研究单位：中国联合网络通信集团有限公司、中国信息通信研究院 、 中国移动通信集团设计院有限公司 、 维谛技术 有限公司 、 中兴通讯股 份有限公司 、 华为技术有限公司 、 中达电通股份有限公司 、 中国电信 集团 有限 公司 、 深圳市 永智机电 设备有限公司 项目负责人：李浩铭 项目参加人： 王殿魁 、 齐曙光、郭武 、 彭怀东 、 王 沁灰 、周 传 凌、 沈晓东 、 孙文波、魏思思 完成日期 ： 2018年 10月 26日1 天然气分布式能源系统在数据中心的应用研究 1 研究 背景 天然气 分布式能源 是国家鼓励产业， 国家发展 改革委、 财政部 、 住房城乡建设部 和 国家能源局四部委 于 2011年 10 月 9日 发布了关于发展天然气分布式能源的指导意见，并规划于 “ 十二五 ” 期间建设 1000个分布式能源示范项目，到 2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机容量达到 5000万千瓦，并拟建设 10 个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。国家电网公司于 2013年 11 月 29 日发布了国家电网公司关于印发分布式电源电网相关意见和规范（修订版）通知进一步鼓励和推动天然气分布式能源的发展。上述政策的出台其目的是要加快我国分布式能源项目开发，优化调整电源结构，促进节能减排，推动地方经济发展。 数据中 心 是为集中放置的 电子信息设备 提供运行环境 的 建筑场所 ， 是国家推行 “ 互联网+” 战略发展的重要支撑平台 。 在国家 “ 互联网 +” 战略的推动下，近几年来，我国数据中心发展迅猛，总量已超过 40万个，年耗电量超过全社会用电量的 1.5%。 近年来 ，国家 开始加快推进建设 绿色数据中心 试点 项目 ， 而作为清洁能源 代表的天然气分布式能源系统 ， 在 数据中心 这种 全年 电、冷负荷需求 相对 稳定 的 应用 场景下 ， 能够 更好的 发挥其 高效、节能、环保的 优势 ， 具有 一定 的 应用潜力。 数据中心行业 用户 在天然气 分布式能源项目 的应用决策 中， 还 应 重点关注项目的经济性、相关配套法规政策 以及 国家层面的扶持机制 等 问题。 2 天然气 分布式能源 市场发展 2.1 发展历程 自 1998 年第一个项目 在国内建成 开始 ，天然气分布式能源 经过 十多年的探索和发展，但仍处于起步阶段 ， 其发展历程 大致 可分为 以下 几个阶段： 阶段 一： 自发探索 阶段（ 1998-2011 年 ） 。 这一阶段 ， 国家没有出台针对性政策， 地方上只有上海出台专项补贴方法。项目 主要 分布在北京、上海、 广东 等地，多 是 示范性项目，以2 楼宇项目为主，项目规模较小 。 阶段二 ：政策推动阶段（ 2011-2013 年 ） 。 2011 年 10 月， 国家发展改革委、财政部、住房城乡建设部 、国家能源局 联合发布 关于发展 天然气分布式能源的指导意见 ， 明确了天然气分布式能源的发展目标和具体的政策措施。 2013 年 9 月 ，国务院发布 大气污染防治行动计划 ， 制定了我国未来五年大气污染防治的时间表和路径图。 全国 各地政府据此制定了 煤改气 行动计划。由于 政策 引领，全国开始大范围推广建设示范项目，出现了快速增长的态势 ，项目出现多元化细分市场，如数据中心、大型公建等。 但 由于缺乏财政补贴和电力并网等政策支持，行业发展受到限制。 阶段 三：停滞阶段（ 2013-2015） 。 天然气 价格 自 2010 年 起进入快速上升通道， 2014 年出现大幅 上涨 ，不仅新建项目陷入停滞状态，已有项目也多停运， 市场发展 遭受打击。 以 当时的 终端 气价，如果没有优惠气价或气价补贴，几乎所有的城市的项目均不具备经济性。 阶段四 ： 新发展 契机阶段（ 2015 至今 ） 重新 启动的电力体制改革和下一步以 “管道网运分开 ”、 “放开 竞争性环节政府定价 ”、 “放开 下游环节竞争性业务 ”作为 改革重点的油气体制改革， 将为 分布式能源的发展扫清制度障碍 ， 创造一个更为自由、平等的市场环境。 2015年 天然气价格改革日益推进，上半年实现了存量气与增量气价格并轨，大幅降低了天然气分布式能源系统的燃料成本和市场风险， 大大改善了天然气分布式能源项目的经济性 。 2.2 市场 情况 据 不完全统计，截止到 2015 年 底，我国天然气分布式能源项目（ 单机 规模小于或等于20 兆瓦 ，总装机容量 200 兆瓦 以下） 共计 288 个 ，总装机超过 11123 兆瓦 。其中 已建项目127个 ，装机 1405.5兆瓦 ；在建项目 69 个 ，装机 1603.2 兆瓦 ；已建 在建 项目合计装机 3008.6兆瓦 ；筹建项目 92个 ，装机 8114.8兆瓦 。与 关于 发展 天然气分布式 能源的指导意见 中设定的 “ 十二五 ” 期间 建设 1000个 左右天然气分布式能源项目 、 并拟建设 10个 左右各类典型特征的分布式能源示范区域的目标相差甚远。 表 1 重点 用户市场天然气分布式能源项目情况 重点 用户 市场 项目数量 （ 个 ） 数量占比 （ %） 装机容量 （ kW） 装机容量 占比（ %） 工业园区 81 28.13 8486298 76.29 其它园区 26 9.03 1256184 11.29 综合商业体 21 7.29 425194 3.82 数据中心 16 5.56 387707 3.49 3 学校 13 4.51 170110 1.53 交通枢纽 9 3.13 158049 1.42 其他 14 4.86 106879 0.96 办公楼 63 21.88 71565 0.64 医院 32 11.11 49379 0.44 酒店 13 4.51 12080 0.11 表 2 重点 区域市场发展状况 京津冀鲁 长三角 珠三角 川渝地区 其他地区 项目 数量（ 个 ） 70 99 22 39 58 数量占比 （ %） 24.31 34.38 7.64 13.54 20.14 装机规模 （ kW） 1346307 2609704 1725506 2768668 2673260 装机占比 （ %） 12.10 23.46 15.51 24.89 24.03 “十二五 ”期间， 我国一共建设了五个国家级天然气分布式能源示范项目，但是项目 实际建设 、 运营情况 与项目距计划目标差距较大，个别项目甚至终止。国家级 示范项目 在建设、运营中遇到的问题具有一定的代表性，是长期 限制 、困扰天然气分布式能源行业快速健康发展的重要因素，需要引起政府、从业企业 各 相关方的重视。天然气 分布式 能源在 “ 十三五 ”期间的 发展，离不开政府制度建设和政策引导，扫清困扰行业发展的不公平、不合理的限制条件；也离不开相关从业企业的业务能力建设 和 从业水平的 提高， 有力 控制项目开发、建设、运营中的各项风险因素，提高整个行业的竞争力和生命力。 2.3 与国外发展情况 的对比 据 美国能源信息署（ EIA） 预测 ，许多国家选择天然气发电来满足未来的电力需求， 而不是 选择更 昂贵 或碳排放密集型的电力来源。到 2040 年 ，全球天然气发电量占比将从 22%增长至 24%。其中 ，经济合作与发展组织国家 天然气发电量占比增幅较高，将从 23.3%增长至 30.3%，美国天然气发电占比将达到 31%。 我国 天然气发电主要用于调峰电厂、热电厂和热电冷联产用户。 天然气发电用户 所占比例由 2006年的 12.3%提高到 2010年 的 18.6%， 2011年 开始 小幅 下降， 2014年 天然气发电用气比例由 2013年 的 16.3%下 降到 14.7%。 4 欧洲 已投入运行的天然气分布式能源项目电力供应占欧洲电力装机的 18%左右（ 其中丹麦 、芬兰和荷兰已达到 30%以上） ， 项目规模从几千瓦到几百兆瓦不等，二氧化碳减排量达到 1.5亿 吨。德国 是 欧洲最大的天然气分布式能源市场，目前分布式能源 装机容量 约为 2084万 千瓦，占总装机容量的 19.8%。在 日本国内 ，从 1980 年代 开始导入热电联产， 2013 年 装机容量已经达到 1000万 千瓦以上。 截止到 2015年 底，我国天然气分布式能源项目（ 单机规模 小于或等于 50 兆瓦， 总装机容量 200兆瓦 以下） 共计 288个 ， 总装机 超过 1112万 千瓦。其中 已建项目 127个 ，装机 140.55万 千瓦 ； 在建项目 69 个 ，装机 160.32万千瓦； 筹建项目 92 个 ，装机 811.48万千瓦 。 3 天然气 分布式能源技术 发展 3.1 技术特点 天然气 分布式能源的前身是热电联产。过去 我国 天然气很少，热电联产主要由火力发电厂来实现。随着天然气 广泛 使用 ， 天然气分布式 能源 出现了，原动机及配套的冷热转换设备的进步使天然气分布式能源 成为了 能源领域的新军，给能源界带来巨大变化。 天然气 分布式能源系统 布置在用户附近，以燃气为一次 能源 ， 同时为用户供电、供冷、供热的分布式能源供应系统。 它 以天然气为主要燃料带动原动机，通过高品位的能量产生的电能满足用户的电力需求， 同时通过余热利用 设备回收发电所产生的烟气、热水等余热，用这些低品位热能 作为热源向用户供热或供冷， 实现 了 能源的梯级和充分利用 。 根据中华人民共和国 城镇 建设工程行业标准 CJJ145-2010燃气冷热电三联供工程技术规程相关规定，燃气冷热电联供系统应能 达到 年平均能源综合利用率大于 70%的 水平 。 5 能源梯级利用3 0 1 4 0 0 1 2 0 0 5 0 0 1 8 0 高 温 热 能中 温 热 能低 温 热 能环 境 温 度燃 气 发 电 机电 能吸 收 式 制 冷 机 组余 热 锅 炉制 冷制 热换 热 器 辅 助 采 暖 / 热 水图 1 能源 梯级利用 示意图 作为 新一代的能源供应模式，天然气分布式能源 技术 还具有以下特点： a) 系统集成度高 ，多目标优化 天然气分布式能源 系统集成技术与时俱进，针对用户具体需求（ 高效 、可靠、经济、环保、可持续发展等） 的 集成方式多种多样，层出不穷，具有很明显的个性特点 。 通过 选用 合适的技术，经过系统优化和整合，可以 更好 的同时实现多个技术目标，满足用户的特殊需求。 b) 系统不可复制 性，贴近用户 分布式能源系统 根据用户侧需求设置系统容量及规模，不同的用户需求对系统的能源需求不同，既有能源种类的不同又有能源需求量的不同 。 建筑特性不同 ， 用户对电力、冷、热、生活热水、蒸汽等需求也不同，分布式能源通过多样化的 集成系统 适应不同户用需求， 具有鲜明的 个性化特征，复制性比较差。 c) 系统 开放程度高，多能源耦合能力强 随着 可再生能源的积极推广应用， 技术渐趋成熟 ，可供选择的能源种类日益增多。天然气 分布式 能源作为一种开放性的能源系统 ， 可实现与可再生能源 耦合 ，实现太阳能、地热能、生物质能、风能的输入，形成互相补充的综合利用系统，增强能源供 应可靠性和稳定性 。 6 3.2 系统结构 天然气 分布式能源是一种 能源利用方式 ，是综合终端 供能 系统。这个 系统 有明确的终端用户，系统的设计者对于这些终端用户的用能负荷需要 明了于心 ，在基本的数据 之上 量身定制个性化系统 。图 2是一个典型 的天然气分布式能源系统 框图。 天 然 气原 动 机 发 电机 组 （ 燃气 内 燃 机 /燃 气 轮 机 ）余 热 利 用 设 备（ 吸 收 式 制 冷 机组 / 余 热 锅 炉 ）供 冷电 网供 电电 力 负 荷备 用 电 源备 用 电 源主 电 源柴 油 发 电机 组电 制 冷机 组主 冷 源备 用 冷 源冷 负 荷供 热主 热 源余 热热 负 荷辅 助 采 暖 / 热 水换 热 器尾 部 余 热图 2 天然气 分布式能源系统框图 在 图 2所示系统中 ， 利用燃气 内燃机或燃气轮机发电提供主用电源， 发电 余热（ 烟气 、缸套水等 ） 通过吸收式 制冷机组或余热锅炉 吸收利用 后作为主用 冷源 和 热源 ，最后 尾部的余热还可以通过 换热器供给 辅助采暖或生活热水 。另外电网和柴油发电机组作为备用电源，电制冷机组作为备用冷源。 3.3 主要设备 及发展 状况 天然气 分布式能源系统的主要设备包括原动机、发电机、吸收式 制冷机组 、 余热锅炉 等。原动机 与 发电机配备控制管理、辅助系统组成发电机组 。 天然气 发电机组 主要分为两种，一种是 燃气 轮机，一种是燃气内燃机。 a) 发电机组 燃气轮发电机组的原动机为燃气轮机。它是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。 与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而 轻。 由于多方面 原因，我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在较大差距，尚未形成真正的产业。 轻型 燃气轮机的国产化和自主研发取得了较大进展并开始示范应用。