東數西算——關于新建三峽數據中心的構想

一、引言
　　
　　2018年,全國數據中心總耗電量1500億千瓦時,達到了社會總用電量的2%。預計到2025年,占比將增加一倍,達到4.05%。而數據中心的主要用戶集中在京津冀、長三角和大灣區,故國內的數據中心也主要分布在這三個區域,這三個區域又是用電需求最大的區域,故對新建數據中心的能評審批提出了更高的要求。為此,包括呼哈基地和貴安基地的建設在內的東數西算已經成為國家的政策導向。東數西算,是指把東部的數據流動到西部存儲、計算。國家“東數西算”產業聯盟于2020年9月26日在甘肅省蘭州市成立。該產業聯盟將搭建東西部算力供需對接平臺,優化我國東中西部算力資源協同發展格局,有助于形成自由流通、按需配置、有效共享的數據要素市場。
　　
　　東數西算,首要的是利用西部地區(廣義的西部地區包括西南、西北、華北和東北等發展中區域)富裕的能源資源,其次是利用這些地區天然的氣候優勢,降低電力的輸送成本和冷卻成本。目前,西部地區的數據中心在電氣架構上并沒有重大的突破,在暖通架構方面主要是利用自然冷卻方式,雖然PUE已經做到了1.3以下,但數據中心的總投資并沒有下降,PUE低于1.1的數據中心極少,與歐美發達地區的差距依然較大。新建三峽數據中心,不僅有利于節能減排和降低投資,還可以在技術上實現突破。
　　
　　二、三峽數據中心選址分析
　　
　　2.1三峽庫區資源分析
　　
　　眾所周知,三峽電廠裝機32臺70萬kW的水輪發電機組,這些發電機組發出來的電都是20kV的。數據中心可以由三峽電廠直供20kV的電,因為三峽電廠是國家電網骨干發電單位,三峽電廠的直供電本身在可靠性方面優于電網直供電。另外,水力發電成本本來就低于火電成本,再加電廠直供電降低了電力輸送過程中升壓再降壓的環節,不僅輸電成本大幅降低,輸電可靠性還進一步提高。故新建三峽數據中心,電力資源優于中西部其他地區。
　　
　　三峽水庫初設175米蓄水方案,庫容高達393億立方米。綜合防洪、發電和航運等多方面的因素,枯水期長江委推薦使用155米蓄水方案,這一水位時庫容約165億立方米。故即便在枯水期,數據中心的用水對于三峽庫容也是可以忽略的。有研究表明,當湖面水溫在22.8℃時(遠高于宜昌地區年均氣溫),湖面以下13.7米時,水溫低至13.9℃,湖面18米以下時,湖水溫度低于12℃。15℃及以下的水溫,目前已經是數據中心冷凍水精密空調主流水溫。三峽大壩上下游水位落差高至110米,即便在枯水期,水深也遠遠超過18米。故新建三峽數據中心,有豐富的水資源可用。另外,三峽地區空氣質量優良,新風質量也優于大部分火力發電區域。
　　
　　2.2三峽數據中心初步選址
　　
　　通過以上庫區的電力和水資源分析,三峽數據中心要想利用電廠直供電和水庫低溫水,選址須在三峽大壩下游,且不宜距離三峽大壩太遠。經過本人的實地勘察,認為三峽數據中心初選位置如圖1所示,位于三峽大壩下游西側。
　　
　　選址雖然距離長江較近,但初步勘察不存在地震、山體滑坡、江堤垮塌及江水淹沒等風險,也不影響三峽電廠的運營。
　　
　　項目可以分期進行,一期可利用土地面積超過10萬平方米,二期可以用土地面積超過30萬平方米。
　　
　　三、方案可行性分析
　　
　　3.1 數據中心容量分析
　　
　　一期可利用土地面積超過10萬平方米,建筑使用面積按照5萬平方米保守估算,可以建5棟占地數據中心樓,每棟占地約1萬平方米,按照兩層設計,每棟樓可以部署4000個8～10kW的機柜,一期可以部署2萬個機柜。同理,二期可以建15棟數據中心樓、部署6萬個機柜。總共可以部署超過8萬個機柜、200萬臺服務器。建成后,將成為華中地區乃至全國最大的數據中心園區。
　　
　　3.2 數據中心供電分析
　　
　　GB50174-2017已經明確規定,供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路,可作為備用電源。綜合三峽電廠供電可靠性分析,除了正常使用的兩路電源,本項目可用第三路電源替代后備柴油發電機組,供電標準完全可以達到A級機房標準。由于沒有柴油發電機設備,主要電氣設備為20kV中壓系統、20kV/380V變配電系統和不間斷電源。
　　
　　暖通設備主要使用三峽水庫中溫直供水,故主要用電設備是水冷精密空調末端和恒濕機及新風機等功耗較低的設備,沒有冷水機組、水泵、冷卻塔等大功率設備。故暖通設備配電架構也大大簡化,可以為一路市電直供和一路不間斷電源。
　　
　　本項目還可以根據電廠直供電的可靠性,結合客戶的需求,不間斷電源電池的備電時間在10~15分鐘之間靈活調整,也可以采用一路市電直供加一路不間斷電源的方案。
　　
　　預計一棟數據中心機房樓IT用電4000×8kW=32000kW,PUE按照1.1初步估算,總用電量約35200kW,需從電廠配電房引入兩主一備共三路20kV電源,每路容量36000kVA左右。
　　
　　3.3 數據中心制冷分析
　　
　　數據中心制冷擬用冷凍水精密空調,冷源為庫區14℃中溫水,出水按照20℃設計。一棟數據中心樓最大用水需求為35200/[1.163×(20-14)]=5044m3/h。
　　
　　整個園區一期二期共20棟機房樓總用水需求為100880m3/h,可以建兩條DN1200的保溫水管,利用大壩上下游落差和虹吸效應,自然供水,每條水管按照25m/s的最大流速(遠低于三峽泄洪水流速度35m/s),供水能力超過101700m3/h,滿足總用水需求。由于兩條水管互為備用,實際使用時每條水管的流量不超過50500萬m3/h,水流速度低于12.5m/s,可以接受。
　　
　　考慮到水冷精密空調的水流速度通常在2m/s左右,需要在園區和機房樓建二級減壓、分水和過濾系統,最后變成較為潔凈的水,經過若干DN40～DN80支管直供空調,經過空調換熱后,通過人工渠散熱和分流,最后變成低于20℃的水，再排至長江。
　　
　　DN1200水管取水源自三峽水庫約140米深水位,施工方面,可以通過翻壩、人工隧道或者泄洪通道引致園區。
　　
　　3.4 PUE估算
　　
　　由于數據中心采用三峽庫區直供水,數據中心制冷系統主要用電設備為水冷精密空調、恒濕機、新風機、電動閥等低功耗設備,暖通設備PUE因子可以低至0.05;配電設備,也取消了動力配電系統及水泵UPS、柴發配電及啟動電池充電等,IT設備采用高效UPS或者一路市電直供+一路不間斷電源,電氣設備PUE因子也可以低至0.05。整個項目,PUE低至1.1是完全可能的。
　　
　　3.5 環保初步分析
　　
　　由于水冷精密空調排出的水達到了20℃,且直排長江,業界不少人士擔心對長江產生污染。宜昌地區年平均氣溫在16.9℃,夏季空氣調節室外計算濕球溫度達28.1℃,故排出的20℃的中溫水經過人工渠散熱后分散排至長江,水溫可以低于18℃。
　　
　　在長江枯水最嚴重的2至3月份,三峽水庫的出庫流量又明顯高于入庫流量。在平均入庫流量不到4000立方米/秒的情況下,出庫流量始終保持在4850立方米/秒以上,而數據中心用水量不到三峽枯水期出庫水量的0.6%。所以,無論是水溫還是水量,對當地氣候和長江水溫都不會造成生態污染。
　　
　　由于水進空調前未進行任何化學凈化,水冷空調盤管需要定期進行除垢,這個時候需要用到化學藥劑清洗,排污后應該集中處理,達到標準后方可用于中水系統或者再排至長江。
　　
　　業界這樣的案例也不少,比如,華東某數據中心利用湖水制冷,IBM也有數據中心利用密西西比河水制冷,還有海底數據中心,都能有效的解決人與自然和諧共處的問題。
　　
　　3.6 投資分析
　　
　　以一棟機房樓為單位,相對西部地區傳統方案,主要可以從建設投資和運營費用兩個方面進行分析。
　　
　　1.本方案建設期間可節省的投資包括:
　　
　　1)22臺1800kW的柴油發電機組及其供油系統;
　　
　　2)1200RT的離心冷水機組12臺及其對應的冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵及水處理設備;
　　
　　3)動力設備變配電系統等;
　　
　　4)部分中壓供電工程;
　　
　　5)建筑面積減少2000m2
　　
　　2.需要增加的投資包括:
　　
　　1)DN1200翻壩水管100米×2(按20棟樓平均分攤);
　　
　　2)供水系統減壓分水過濾系統;
　　
　　3.運營費用:
　　
　　1)PUE從1.3降至1.1,年節電約5600萬kWh;
　　
　　2)柴發運維成本降低;
　　
　　3)制冷系統運維成本降低。
　　
　　預計一棟機房樓可以降低建設靜態投資超過6000萬,每年節省用電5600度(相對于PUE1.3的先進數據中心),節省電費及運維費用可達2500萬(按照西部地區優惠電價),整個園區,可以降低建設投資12億,年節省電費和運維費用5億。
　　
　　3.7 重難點分析
　　
　　選址范圍屬于三峽庫區,在庫區施工,無論是電廠直供電還是庫區直供水,都需要經過長江委乃至國務院批準,能否得到相關機構的批準,是本項目的最大難點,也是重中之重。但如果本項目升級成國家戰略,國家組織相關機構深入研究和評估,相信實施的可行性還是有的。