集成式发电站及数据中心 |
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| 申请号 | CN201380039637.5 | 申请日 | 2013-06-04 | 公开(公告)号 | CN104508932A | 公开(公告)日 | 2015-04-08 |
| 申请人 | K2IP控股有限责任公司; | 发明人 | R.克里兹曼; E.E.克恩; | ||||
| 摘要 | 提供了一种具有热电联合(CHP)站形式的发电站，其可与 数据中心 共置以提供冗余的电 力 。CHP站和数据中心可作为 孤岛 、与本地公用 电网 分开操作。该CHP站可具有冗余 燃料 源连接以减少用于CHP的燃料的不可用性和提高数据中心的正常运行时间。该CHP站可包括 涡轮 机和 发动机 来管理该数据中心内的变化的负荷。该发电站可包括多个具有高可用性配置的配电总线以向数据中心提供高可靠性的且高 质量 的电力。在发电站设计中对于这些元件的 定位 提供了规模的经济性并消除了在数据中心配置中常见的单点故障，提高了数据中心的可靠性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种装置，包括： |
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| 说明书全文 | 集成式发电站及数据中心[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求提交于2012年6月4日的第61/655,205号名称为“COMBINATION HIGH AVAILABILITY CHP AND HIGH DENSITY DATA CENTER”的美国临时专利申请的优先权的权益，在此结合其全部内容作为参考。 技术领域[0003] 本公开内容涉及电源。本公开内容更具体地涉及用于数据中心的冗余的且高可靠性的电源。 背景技术[0004] 数据中心容纳了大量信息技术(IT)的设备，例如服务器、数据存储装置和网络设备。该设备具有消耗功率超过600瓦/平方英尺(SF)的能力。为降低IT设备占用的有效区(real estate)的数量，将设备存放在机架或机壳中以便能够将大量的设备压缩在较小的占地区域中。但是，当前数据中心的密度，例如IT设备的紧密度，受限于用于支持IT设备和IT设备机电冷却装置的充足、冗余且可靠的公共可用电力的可用性。因此，数据中心容量通常受限于可由本地公用电网提供的功率的数量。在压力大的地区以及城区环境中，功率限制可在20至25兆伏安(MVA)的范围内。但是，许多高密度数据中心的功率负载为180MVA或更大。在许多地区，公共公用电网不能提供这种数量的功率。而且，数据中心已经成为许多企业和互联网服务供应商(ISP)的中枢集群(nerve cluster)，这些数据中心是必须在供电质量和冗余量两方面都能防止数据中心断电的关键部件。因此，即使公共公用电网能够提供充足的功率，提供必须的供电质量和所需冗余量所需要的物理空间量也将是极大的，在物理尺寸和成本上都令人望而却步。 [0005] 图1是示出了常规数据中心供电装置的框图。数据中心100可包括连到本地公用电网的连接102和104。电供给(electrical service)分别由连接102和104供应给变电站106和108。在正常操作情况下，来自变电站106和108的电力同时向信息技术(IT)设备提供电力。流向IT设备的正常能流(power flow)是从变电站106和108分别通过UPS114和116，再分别通过PDU 118和120，到达供电板(RPP)。在公共电功率丢失时，可激活发电机110和112以向IT设备供应电功率和防止在数据中心内供电的丢失。归因于发电机110和112的启动时间，不间断电源(UPS)114和116被连接在线路中在IT设备和发电机110和112之间。UPS 114和116包括电池，其在丢失电连接102和104时提供瞬时电力。 [0006] 但是，电池和支持设备的体积与IT设备的数量和IT设备的负载成正比增加。例如，数据中心100也必须包括并联传动装置，其被耦合至发电机110和112，以在公共电力断供的期间支持切换。而且，被耦合至UPS 114和116的开关(switch)114A和116A需要分别在UPS 114和116发生故障的期间支持切换。由电池和支持设备所占用的有效区不允许构建大型高密度数据中心。而且，发电机110和112的数目和大小与IT设备的电气负载和冷却负载成比例，进一步抑制了高密度数据中心的发展，因为空气许可和空间要求随发电机的数量和大小而增长。最后，对公共电气供给102和104以及现场发电机110和112的依赖需要使用复杂的功率调节系统、不间断电源(UPS)114和116，以及配电单元(PDU)118和120，来为IT设备调节功率和配电。发明内容 [0007] 数据中心可通过可靠性高的发电站来供电，该发电站可配置成热电联合(combined heat and power)(CHP)站装置，使得数据中心并不依赖于公共公用电网作为主电源或第三级电源。来自CHP发电站的供电和冷却分配可具有双输出路径配置的形式，以提供供给数据中心的供电和冷却的冗余。在一个实施例中，数据中心可分成模块，模块进一步被分成舱(pod)，使得电力和冷却分配系统可为了冗余和可用性而被分段。在一个实施例中，CHP发电站可与数据中心共置。 [0008] 发电站可通过将发电产生的废热输出到其它处理过程来提高燃料源发电效率，这增加了燃料源的每英热单位(BTU)的效率。在发电站内可配置多种类型的多个发动机，以允许发电站组件并行维护而不影响维护期间的可用性和冗余。在一个实施例中，发电站可具有冗余的燃料源连接，使得发电站的单一故障点并不会降低数据中心的供电和冷却的可用性。发动机可被连接至分段式总线。该总线可被配置成具有瞬时电涌抑制以及功率下降保护的冗余式总线并具有用于冗余和多样性的多个配电管脚。 [0009] 现场发电可提供大水平的高质量电力来为数据中心供电。现场发电提供了优于公共公用供电的优点，例如允许在数据中心中减少或消除功率调节设备和系统；允许减少或消除用于数据中心后备电力的所有后备柴油发电机和燃油存储；由于没有可能出现中断或中途短路的高架电线而提高了供电质量；因为没有其它的耗电器会影响供电质量而减少了电压骤降、谐波，或功率因子校正需求；降低了在峰值使用期间由于电网压力而发生的节电或断供；降低了公共共用电网传输和配电损失，和/或因为电负荷是由天然气而不是煤炭产生的，并且发电站不必产生额外的功率来克服典型的传输和配电损失(估计在15％至20％)，而降低了总体环境排放，并且因为冷却负荷是由排出的热量流而不是由电驱动马达驱动的，所以需要产生的总体电力更低。天然气发电站可具有高于75％的总体效率，而化石燃料公用发电站的效率仅为约30％。虽然在本文中描述了烧天然气的发电站，但是其它燃料源也可被用在现场发电站中。 [0010] 当发电站与数据中心共置时，可减少或消除从公用发电站到现场的能量损耗。由于减低或消除了本地公用电网上典型的电传输和配电损耗，发电站共置可明显节省发电所需的初始能量的数量。 [0011] 在一些实施例中，发电站可产生超量的电力，其可被售予本地公用电网或其它承购者。在一个实施例中，与本地公用电网同步的能力可提供额外的系统电稳定性。可对电能流进行控制以提高数据中心和公用电网的需求之间的效率。IT设备使用稳定的机械和电负荷，这允许通过特定算法来优化控制，该特定算法导致最大化在数据中心的整个操作范围内电和冷冻水(或蒸汽)的产量。例如，在天热时冷冻水的产量可能比蒸汽的产量更受关切。在另一个示例中，如果电力负荷需求高而冷却负荷低，可通过蒸汽驱动的发电机来产生额外的电力。在与供电需求相比冷却负荷高的时候，蒸汽可被转移以产生额外冷却。因为冷却设备可首先被用与冷却非潜伏性(non-latent)负荷，所以可调节冷冻水温度以提供电站的最大效率和最佳平衡。 [0012] 在具有以冗余方式配置的发电站的实施例中，电站可被配置成具有N+y的配置形式，其中N为主要单元的个数，且y为冗余单元的个数。该y个冗余单元可操作成在任意主要单元发生丢失时提供备用容量。该y个冗余元件还可操作成产生额外的电力，以用于输出给电网或本地承购者。当产生过量的电能的时候，来自原动机(prime-mover)废气排放的热量可转化成蒸汽，其将被用于产生额外电容量以及提高工作效率。 [0013] 与数据中心共置的发电站可被配置成在孤岛式操作模式下工作，在这种模式下，发电站通过使用各种发电组件和瞬时负荷吸收组件来保持所需的电力质量。在这种配置下，发电站可与公用电网断开连接并继续向数据中心提供不间断供电和冷却。而且，来自发电站的涡轮机和发动机的废气热量可通过使用吸收式冷冻器被回收以产生冷冻水，进一步通过消除电驱动的冷冻器减少系统所需的电能产生总量。 [0014] 使用专门的电力和冷冻水站能够实现在当前由于可用电力供应不足和/或供应不上而无法构建或很难构建数据中心的地址处构建数据中心。 [0015] 在一个实施例中，一设备中可包括热电联合(CHP)站，其具有冗余的电源和/或提供冗余发电。例如，CHP站可具有不同的双天然气输入。在另一个示例中，CHP站可具有冗余发动机和涡轮机以用于发电。冗余电源，在CHP站的输入处或者在CHP站内，降低了CHP站内单点故障的可能性。该设备还可包括耦合至发电站的数据中心。该数据中心可与发电站共置在同一实体物业内。 [0016] 在进一步实施例中，一方法可包括接收第一燃料源。该方法还可包括接收与第一燃料源不同的第二燃料源。该方法可进一步包括在与数据中心共置的站内由第一燃料源和第二燃料源中的至少一个来产生电力。该方法还可包括为数据中心供电。 [0017] 前面的说明已经相当广泛地概述了本公开内容的特定的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面的详细描述。在下面将说明权利要求书中的主题的附加特征和优点。那些本领域普通技术人员应该体会到，所揭示的特定实施例可易于用作修改或设计出执行相同或相似目的的其它结构的基础。还应该认识到这样的等价结构并不背离如随附的权利要求书中阐述的本公开内容的精神和范围。新颖性特征被认为形成了特性，无论是作为其组织还是操作方法，连同进一步的目标和优点一起，将在结合附图的同时，从以下说明中更好地理解。但是应该明确理解的是，每个附图仅用于提供说明和描述的目的，而不旨在作为限制本发明的限定范围。 附图说明[0018] 为了更完整地理解所揭示的系统和方法，现在结合附图来参考以下的说明。 [0019] 图1是示出常规数据中心供电装置的框图。 [0020] 图2是示出依据本公开内容一个实施例的具有与热电联合(CHP)站共置的数据中心的系统的框图。 [0021] 图3是示出依据本公开内容一个实施例的在具有与热电联合(CHP)站共置的数据中心的系统内的连接的框图。 [0022] 图4是示出依据本公开内容一个实施例的用于以冗余的方式产生电力的N个天然气涡轮机和M个引擎的配置的框图。 [0023] 图5是示出依据本公开内容的一个实施例冷却数据中心的模块的框图。 [0024] 图6是示出依据本公开内容的一个实施例在每个舱(pod)内电力分配的框图。 具体实施方式[0025] 一种热电联合(CHP)站可包括电力和机械供给(service)。就容量来说，数据中心的所生成的电负载和电冷却负载需求可相对于CHP发电站的电力和机械供给来被平衡，以及提供超过75％的总发电站效率。这种高效率可通过例如对来自涡轮机和发动机发电站的废气流使用选择性热回收设备来达到。 [0026] 图2是示出依据本公开内容一个实施例的具有与热电联合(CHP)站共置的数据中心的系统的框图。在具有与数据中心312共置的发电站302的系统200中，数据中心302可提供两条独立的电供给总线(electric service bus)306A和306B。电供给总线306A和306B可分别被耦合至变电站204A和204B。配电系统202可被耦合至变电站204A和204B，以便将从发电站302接收的电力分配给IT设备。 [0027] 图3是示出依据本公开内容一个实施例的具有与热电联合(CHP)站共置的数据中心的系统300的框图。发电站302可向数据中心312提供冷冻水(chilled water)304A和304B。虽然示出了两个冗余供水304A和304B，但是还可向数据中心312提供额外的冷冻水供应。发电站302还可向数据中心312提供电力供给306A和306B。虽然示出了两个电力供给连接306A和306B，但是还可向数据中心312提供额外的电力供给连接。而且，发电站302可向数据中心312提供蒸汽连接308，用于加热、加湿和/或其它机电式生成。发电站302还可将蒸汽连接342和电连接344提供给第三方承购者，用于加热和/或其它机电式生成。在一个实施例中，连接344可提供输出，以将电力卖给附近的其它客户而不需连至电网的连接。 [0028] 发电站302的废气流342可用于产生具有足够的数量和压力的流，以驱动额外的发电站或用于处理对于第三方承购者的应用或适度加热。未被用于直接产生额外的电力或冷却水的剩余热量可被用于预加热锅炉补给以及用于其它次要的加热负载。由于高密度数据中心的大量的且稳定的冷却需求，总体上系统的效率可达到或超过75％有效。 [0029] 发电站302可包括：作为涡轮机和引擎发生器的组合实现的多个天然气驱动的发电单元、功率调节装置(PCD)、作为蒸汽或热水发生单元实现的热回收锅炉、蒸汽涡轮机驱动的发生器，和/或被配置成冗余的且可同时维护的配置结构的吸收式冷冻器。 [0030] 发电站302和数据中心312可以是单个组件，在数据中心312和发电站302的输出之间具有紧耦合的装置。辅助供电和冷却产品可被优化以允许对废热进行更大的利用并通过实施专利控制方案对电力和冷却提供最佳控制。 [0031] 发电站302可通过第一天然气源322和第二天然气源324被耦合至燃料源。这两个天然气源322和324可耦合至独立的天然气站，使得不间断的天然气的可用性提高。发电站302还可包括到本地公共电网的连接326以用于电力的输入和输出。天然气可从不同的路由供给提供，其分别能够在存在供应障碍的情况下提供全负荷容量。虽然在本文中说明了天然气源，但是也可提供其它的燃料源来代替天然气或作为天然气的附加，例如丙烷、甲烷、汽油，和/或柴油。同样地，供给发电站302的水可通过两个源328和330来提供，这两个源可以是来自不同路由源的两个独立的连接，该不同路由源可包括在发电站302附近的自备井(self-contained well)。 [0032] 在一个实施例中，场地300的唯一能量输入可包括不同的双天然气供给322和324。连接326可提供输出以将电能卖给其它客户和为生成的电能提供同步源。连接326可向共用电网、VAR、电压增强或容量提高提供黑色启动功能。计量系统可被耦合至连接236或连接344，以测量提供给其它客户的电力或提供给本地共用电网的电力。 [0033] 发电站302还可提供CO2输出346。在一个实施例中，连接346可提供输出来收集和提炼从废气流发出的CO2以及产生高质量的CO2气体以用于工业和食品业。 [0035] 图4是示出依据本公开内容一个实施例的有N个天然气涡轮机和M个发动机以冗余的方式产生电流的配置的框图。发电站410可包括N个涡轮机412和M个发动机422。涡轮机412和发动机422可提供电能给电气总线432和434。涡轮机412和发动机422还可将废气输出提供给一个或多个热回收单元442(例如锅炉)。热回收单元可产生蒸汽，用于为一个或多个吸收式冷冻器448和/或一个或多个蒸汽涡轮机450提供动力，以生成用于电气总线432和434的额外电能。在一个实施例中，热回收单元442可与吸收式冷冻器 448集成在一起。 [0036] 发动机422可比涡轮机412更迅速地提供对于负载变化的响应。每个发动机422可提供配电给备用的电力总线432和434，使得在一个总线上发生故障时将不会影响另一个总线。来自涡轮机412和发动机422两者的废气流的热量可以蒸汽和热水的形式被回收。产生的蒸汽可以具有高压，以驱动额外的发电操作，例如在涡轮机446处。来自涡轮机412和发动机废气的热量可被回收和传送至吸收式冷冻器448以产生冷冻水。此外，热水可从剩余的排出气体流中提取出，并可被回收利用来预先加热锅炉给水或一些空间加热应用。 [0037] 发电站410向数据中心提供不同的电力供给。通过多个总线432和434相接的多个发动机422可以为冗余和弹性的配置创造条件，这种配置在如果一条路径变得不可用时提供备用的路径。配电总线432和434可包括最小电涌抑制和功率调节设备，以支持总线电压和频率的变化。发电站410可具有在产生的电力超过数据中心消耗量时将超量电力输出给本地共用电网的能力。在一个实施例中，蒸汽可从蒸汽涡轮机的中间过程中吸取出，以向数据中心提供最小的增湿，并且，取决于实际数据中心的负荷，可将蒸汽输出至额外的承购者处。 [0038] 机械发电站可包括以双总线装置方式配置的吸收式冷冻器和离心式冷冻器的组合。当需要额外的冷却负荷用于快速响应冷却负荷的变化时，电驱动的离心式冷冻器(未示出)可补充吸收式冷冻器448。在数据中心冷却负荷减少期间(例如在冬季以及平季时期)，蒸汽和热水可输出至本地非数据中心用户。在冷动器发电站全负荷工作时间较低且湿度水平在容限以内的气候中，冷冻器负荷可由制冷系统替代。 [0039] 数据中心可被配置成模块式配置，在这种配置中构造了多个模块。图5是示出依据本公开内容一个实施例的数据中心的模块的框图。每个模块502可包括多个较小的封装，例如舱504A和504B。在某些实施例中，在一个模块中可具有整整16个舱。每个舱504A和504B可根据具体客户需求，以不同的功率密度和冷却水平操作。舱504A和504B可包括IT设备，例如网络设备、路由器、开关、存储节点，和/或服务器。用于高密度数据中心的主要冷却可包括对外界空气的过滤，并且根据正常的外界空气条件可将该空气用管道输送至数据中心中。在图5的实施例中，舱504A和504B可通过冗余冷冻水连接512和514被冷却，该冗余冷冻水连接512和514分别耦合至空气处理器或热交换器522A和522B。水连接512和514可分别包括补给路径512A和514A以及返回路径512B和514B。 [0040] 虽然未示出，在一个实施例中，舱504A和504B可通过使用DX或类似的非水冷却的系统进行冷却，从而根据具体安装需求而允许产生额外的电力和蒸汽。 [0041] 电力供给还可分布在舱系统中，如针对图5中的冷却水所示的。图6是示出依据本公开内容一个实施例的每一个舱的电力分配的框图。冗余电气总线612和614可向每个舱504A和504B中的IT设备提供冗余且独立的电源。在舱504A和504B内，IT设备可被布置在机架中，例如机架622，其包括与总线612和614的连接。 [0042] 虽然已经详细地说明了本公开内容及其特定的优点，但是应该理解的是，在此可做出各种变化、替换和备选而不背离如随附的权利要求书所限定的本公开内容的精神和范围。而且，本申请的范围并不旨在被限制在本说明书所描述的处理过程、机器、生产、组成方式、器件、方法和步骤的特定实施例中。如一个本领域普通技术人员将能够从本发明、揭示内容、机器、生产、组成方式、器件、方法，或步骤中体会到的，现有的或稍后将要发展的，在本文中说明的相应的实施例执行基本相同的功能或获得基本相同的结果件依照本公开内容被应用。据此，随附的权利要求书意图包括在那样的处理过程、机器、生产、组成方式、器件、方法，或步骤的它们的范围内。 |
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