温馨提示

实验名称

基于氢气/天然气的数据中心冷电联供虚拟仿真实验

姓名

学号

一、实验目的

1、了解我国新时代能源发展政策，熟悉我国数据中心新基建的前沿科技，提升学生的民族自豪感和使命感，培养科学思维、创新理念和工匠精神；

2、掌握基于氢气/天然气能源的数据中心冷电联供系统架构与工作原理；

3、掌握燃料电池/燃气-蒸汽轮机联合循环机组供电供能设计方法；

4、掌握电力制冷与燃气制冷的实现途径与供冷计算方法；

5、掌握独立供能与复合供能基本原理与设计方法；

6、掌握不同负荷、不同供能方式下能源燃料消耗量计算与储存罐容量设计；

7、掌握不同规模面积机房及其供电电缆布局敷设规则；

8、掌握UPS蓄电池选型与放电性能校验方法；

9、掌握机房供冷计算与分配方法。

二、实验原理

（1）氢气-燃料电池发电实验原理

氢燃料电池含预热加湿、压缩增压、膜电极、质子交换膜等部分。氢氧在增压加湿后分别送入燃料电池阳极和阴极，氢在阳极分解为氢离子，氢离子借助质子交换膜提供的通道迁移到阴极，与氧结合生成水，将化学能转化为电能，通过电极向外供电，经低温直流斩波器升压后输送给超导直流母线，为数据中心供电。

图1 氢燃料电池发电原理图

(2)天然气-燃气-蒸汽轮机组联合循环发电实验原理

燃气-蒸汽轮机组联合循环发电机组由燃气轮机、蒸汽轮机、发电机组和余热锅炉组成，可实现天然气能源的梯级利用和能效最大化。经加热的天然气进入燃烧室与高压空气混合燃烧，产生烟气推动透平机旋转做功，带动同轴发电机发电，实现天然气内能-机械能-电能转化。排出的烟气进入余热锅炉将常温水汽化为高温蒸汽，高温蒸汽推动蒸汽轮机转子旋转做功带动同轴发电机发电。

图2 燃气-蒸汽轮机组联合循环发电原理图

(3)燃气机组供冷实验原理

氢气-燃气制冷以氢为燃料，利用燃气热水制备器燃烧加热制备热水，以驱动热水型溴化锂制冷机组制备冷冻水，对数据中心机房设备与环境供冷，其核心组成部件为燃气热水制备器、换热器和冷凝器。

图3 氢气-燃气制冷原理图

天然气-燃气制冷方式先将天然气进行燃气轮机发电，并将排出的烟气作为热源驱动余热锅炉产生低温蒸汽，低温蒸汽驱动蒸汽型溴化锂制冷机组制备冷冻水为数据中心供冷。

图4 天然气-燃气制冷原理图

（4）电力空调供冷实验原理

电力制冷利用压缩制冷机进行供冷，制冷剂在电压缩机作用下变为高压液体，经蒸发器后迅速汽化释放出大量冷能，再通过热交换器产生冷冻水或冷风为数据中心机房设备与环境供冷。

图5 电力制冷原理图

（5）数据中心机房布局原理

机房布局和机柜设计应满足：

1）符合相关法规和标准要求；

2）合理分布，既分割独立又相对集中，避免相互干扰，协调统一；

3）按设备发热量划分高中低热密度机房，针对性设计、布局和运维管理；

4）从供电、制冷、布线等角度整体布局，确定高热密度设备最佳位置；

5）合理规划布线距离，提高通信效率，减少空调送风障碍，降低投资。

三、实验虚拟设施设备

（1）虚拟设备

1）数据中心机房

冷板式机柜、冷板式IT服务器、列头柜、UPS、机房供电线缆、冷冻水管

2）氢气/天然气冷电联供系统

低温液体储存罐、氢燃料电池、燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉、发电机、换热器、燃气热水制备器、溴化锂吸收式制冷机组、电力压缩式制冷机组等。

（2）预设参数

1）数据中心冷电联供系统供电功率1MW，供冷功率1MW；

2）数据中心每个机柜电负荷5 kW，液冷负荷3 kW，风冷负荷2 kW；

3）液氢储存温度为-253℃，液化天然气储存温度为-162℃，在经汽化处理后温度为0℃；

4）数据中心机房冷冻水供水温度7℃，回水温度12℃。

四、实验过程记录

（请列出“终极挑战”中实例设计求解过程，其他实验过程记录请于“实验管理”界面导出学生版“实验报告”查看。）

你选择的实例设计冷电联供系统架构为

（如：液氢+燃料电池+燃气制冷）

（1）满足供电负荷需要燃料质量为

（2）额外制冷需要总燃料质量为

（3）储存罐容积V为

（4）每个模块分得电流为

供电干线损耗为

（5）1个机柜每天消耗的冷冻水（7℃）质量为：

五、实验结论

（1）请列出本实验冷电联供系统使用的核心设备：

供电设备：

（燃料电池/燃气-蒸汽轮机联合循环机组）

供冷设备：

（溴化锂吸收式制冷机组/电力压缩制冷机组）

（2）请列出数据中心冷电联供系统设计流程：

（如：计算满足电负荷燃料电池耗氢量 —> 计算燃料电池发电产生热水量 —> 计算燃料电池发电制冷功率 —> 计算需要额外增加的制冷功率 —> 计算燃气制冷另需要耗氢量 —> 计算复合供能耗氢速率 —> 计算满足后备时间总耗氢量 —> 设计低温储存罐体积）

（3）请概述在新手训练营、关卡挑战赛、秘境探索队各实验模块涉及的知识点及核心技术，并简要探讨冷电联供技术在数据中心新基建的应用展望。

答：

六、学生实验评价

（请做出“容易”、“较易”、“适中”、“较难”、“很难”评价）

1.通过自主学习和虚拟仿真实验过程中的引导，您觉得完成整个实验难度为：

2.您觉得完成预习部分难度为：

3.您觉得完成冷电联供系统设计部分难度为：

4.您觉得完成机房设计部分难度为：

5.您觉得完成探索挑战部分难度为：

6.针对《基于氢气/天然气的数据中心冷电联供虚拟仿真实验》内容的学习，您存在哪些知识点理解上的的疑问？

答：

七、教师实验评价（学生不填写）

（请做出“优秀”、“良好”、“较好”、“一般”、“较差”评价）

1.通过实验考核，您认为该学生知识内容掌握情况为：

2.通过实验考核，您认为该学生自主学习能力为：

3.针对该生虚拟仿真实验过程中存在的问题，您有哪些建议与指导？

答：