Стремительное развитие цифровых технологий и лавинообразный темп роста объемов новых данных стимулируют развитие сегмента ЦОД. Увеличение потоков информации требует строительства все более мощных и масштабных дата-центров. В этом контексте особое значение приобретают вопросы энергоэффективности, обеспечить которую могут турбодетандерные технологии. 

В рамках реализации национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной 4 июня 2019 года, идет активное создание инфраструктуры для обеспечения развития цифровых технологий. В число стратегических задач данной программы входит развитие системы российских ЦОДов. обеспечивающих предоставление государству. бизнесу и гражданам доступных. надежных, понятных, безопасных и экономически эффективных услуг по сбору, хранению и обработке данных. В рамках развития национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» предусмотрен ряд этапов, демонстрирующих темпы роста и развития, общий объем инвестиций и степень важности данного проекта для нашего государства (табл.)
При этом значительная доля капитальных и эксплуатационных затрат ЦОДов приходится на системы электроснабжения и охлаждения. До 50% всей энергии, потребляемой дата-центром. расходуется на отвод тепла от серверных стоек и инженерных систем.
Дополнительных накладных расходов требуют и задачи, связанные с поддержанием термостабильного режима работы оборудования, обеспечением надлежащего качества воздуха в машинном зале и безопасности ЦОДа

Показатели и индикаторы	2020	2021	2022	2023	2024
Наличие опорных ЦОДов в федеральных округах, шт.	4	5	6	7	8
Мощность российских ЦОДов. тыс. стойко-мест	45	50	55	65	80
Доля России в мировом объеме оказания услуг по хранению и обработке данных. %	1.5	2	3	4	5
Доля информационных систем и ресурсов органов государственной власти и местного самоуправления, перенесенных в государственную единую облачную платформу. %	40	55	55	55	55
Доля сертифицированных ЦОДов. предоставляющих услуги органам государственной власти и местного самоуправления. %	30	50	70	90	100

В соответствии с СН 512-78 в помещении дата-центра должны поддерживаться оптимальные для безотказной работы оборудования параметры воздуха: температура 22 (+/-2) °C и относительная влажность воздуха 50% (+/-5). Электронное оборудование очень чувствительно к изменению температуры и относительной влажности. Чем больше температура в помещении отклоняется от оптимальной, тем меньше срок службы и надежность функционирования сложного оборудования. Как известно. повышенная влажность может привести к коррозии электронных компонентов. пониженная — к накоплению и разряду статического электричества, который может повредить оборудование или сохраненные данные.
Стабильное поддержание необходимых климатических параметров в довольно жестких пределах приводит к усложнению конструкции и технологии работы инженерной инфраструктуры дата-центра и. как следствие, к дополнительным расходам. Одним из вариантов решения этой проблемы может стать использование турбодетандерной технологии. которая позволит одноразово подготовить воздух в помещении ЦОДа по необходимым критериям, а далее относительно длительное время только осуществлять вывод тепла из помещения с помощью теплоносителя и без необходимости замены воздуха.

Турбодетандерные технологии как фактор энергоэффективности

Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской федерации» от 23.11.2009 № 261-ФЗ (последняя редакция) устанавливает жесткие рамки для энергопотребления и требует повышения энергетической эффективности. В этом контексте турбодетандерные технологии представляются оптимальным решением для обеспечения ЦОДов электроэнергией и холодом. Данные инновационные технологии позволят вырабатывать электроэнергию и холод из перепада давления газа на пунктах его редуцирования без использования топлива.
Диапазон режимов работы газо-редуцирующих объектов при использовании этих технологий позволяет разработать и изготовить турбодетандерные агрегаты, способные в полной мере обеспечить необходимые условия для корректной и безотказной работы информационного оборудования. Но для этого необходимо согласование технических требований и стандартов как ЦОДов. так и турбодетандерных агрегатов уже на этапе проектирования и разработки. Необходимыми условиями реализации подобных проектов  являются:

• строительство здания ЦОДа в непо­средственной близости от объекта с редуцированием газа;
• возможность подключения к элек­тросети как для приема, так и для вы­дачи электроэнергии:

существующая внутренняя клас­сическая часть системы охлажде­ния ЦОДа должна быть адаптиро­вана для подключения в эту систему от турбодетандерной установки 

• (ТДУ) линии хладагента с необхо­димыми параметрами:
• возможность подвода волоконно- оптического кабеля.

На начальном этапе проектирования формируется оптимальная концепция построения комплексной взаимосвя­занной инженерной инфраструктуры для выработки ТДУ электроэнергии и холода и их потребления ЦОДом. Также учитываются особенности тер­ритории строительства для оптималь­ного взаимного расположения объ­екта газопотребления. ЦОДа и ТДУ. Такое расположение обеспечит мини­мальные потери при передаче тепла от ЦОДа к теплообменникам на выхо­де ТДУ Не менее важной задачей явля­ется повышение надежности обеспече­ния ЦОДа электроэнергией и холодом при размещении в непосредственной близости от энергоисточника (ТДУ) Для реализации предлагаемой техноло­гии необходимо размещать ЦОД рядом с автономными газораспределитель­ными станциями (ГРС). газораспреде­лительными пунктами (ГРП) или объек­тами. перед которыми ГРС понижают давление (ТЭЦ. ГРЭС, газопотребляю­щие предприятия), однако не ближе 100 метров согласно нормам безопасности.

При функционировании ТДУ проис­ходит генерация электричества и хо­лода. которые в свою очередь необхо­димы для обеспечения работы ЦОДа. В результате данного процесса, явля­ющегося симбиозом технологий, срок окупаемости внедрения как ТДУ. так и ЦОДа сокращается более чем в два раза. Еще существеннее улучшает эко­номическую эффективность проекта тот факт, что стоимость выработки одина­кового количества энергии холода для ЦОД выше, чем энергии электри­ческой. вследствие больших капиталь­ных затрат на специальное холодиль­ное оборудование.

Одной из целей применения ТДУ в дата-центрах является усовершенст­вование технологии по энергосбере­жению и повышению энергетической эффективности в соответствии с вы­шеупомянутым федеральным законом за счет внедрения на технологиче­ских объектах транспорта газа, а так­же на ТЭЦ—перспективных энергосбе­регающих технологий и оборудования. Широкие возможности использования электроэнергии и холода ТДУ открыва­ются для энергетических компаний, ис­пользующих газ для питания ТЭЦ.

ТДУ: как это работает для ЦОДа

Основным назначением ТДУ в систе­ме газоснабжения является техноло­гическое снижение давления транспор­тируемого газа на ГРС и ГРП. которое производится обычно 

При снижении давления газа с помо­щью ТДУ в соответствии с Первым на­чалом термодинамики энтальпия умень­шается вследствие преобразования в турбодетандере части энергии газо­вого потока в механическую энергию.

В процессе расширения без подо­грева энтальпия и температура газа по­сле турбодетандера будут значительно ниже, чем при дросселировании, и фи­зическая теплота топлива, вносимая в топку газоиспользующего оборудова­ния, окажется меньше, чем при дроссе­лировании. на величину, эквивалентную механической энергии, выработанной турбодетандером. Это при прочих рав­ных условиях приведет к увеличению потребного расхода топлива на газо­использующем оборудовании. Энергия, необходимая для повышения энталь­пии газа до первоначального состояния в этом случае (процесс 2-1). может быть получена в теплообменнике без при­менения каких-либо дополнительных устройств подогрева при использова­нии низкопотенциальной энергии, источ­ником которой может являться ЦОД.

Подогрев газа в ТДУ производится не только и не столько для обеспече­ния необходимой температуры потока транспортируемого газа после станции технологического понижения давления. Основная роль подогрева газа опреде­ляется Первым началом термодинами­ки. согласно которому в механическую работу в турбодетандере может и долж­на быть 

При работе турбодетандера воз­можны несколько вариантов органи­зации подогрева за счет энергии ЦОД «рис. 3, 4, 5). Газ может быть подогрет перед турбодетандером (что соответст­вует процессу 0-3 на рис. 2), за ТДУ (про­цесс 2-1) либо газ может быть частично подогрет перед турбодетандером (про­цесс 0-6), а частично — после него (про­цесс 7-1). Расшифруем также обозначе­ния на принципиальных схемах (рис. 3, 4, 5) включения ТДУ с подогревом газа. 1 — турбодетандер; 2 — электрогенера­тор. 3—трубопроводы высокого давле­ния; 4 — трубопроводы низкого давле­ния; 5. 7 —теплообменник охлаждения теплоносителя; 6 — регулятор давления.

Выработанная установкой элек­троэнергия передается непосредст­венно в систему электропитания ЦОД или в электрическую сеть. Охлажденный в теплообменнике холодным газом те­плоноситель направляется в ЦОД.

В современных ЦОДах возрастает количество тепла, которое необходи­мо отводить от стойки. Учитывая этот тренд, все большее развитие получа­ют жидкостные системы охлаждения. Данная технология заключается в том, что для отвода тепла от серверов ис­пользуются жидкость и специальные теплообменники, которые устанавлива­ются непосредственно на платы и под­ключаются к коллекторам. Порядка 70% тепловой нагрузки можно снять благо­даря жидкостной технологии, остальное отводить с помощью традиционного ох­лаждения. При этом плотность загрузки стойки и количество ИТ-шкафов можно существенно увеличить благодаря на­личию холода от турбодетандера и воз­можности его подвода к стойкам.

На способ электроснабжения и охла­ждения ЦОД с помощью турбодетандер- ной технологии подана заявка на изо­бретение № 2020131138/28(056416) по которой пройдены формальная экспер­тиза, экспертиза по существу и подтвер­ждена мировая новизна данной технологии.

Анализ экономической эффективности ТДУ

Для сравнения экономических пока­зателей эксплуатации объекта с клас­сической технологией охлаждения и турбодетандерной рассмотрим центр обработки данных ФГУП «Гознак», ко­торый представляет собой высоко­технологичную охраняемую площад­ку для размещения ИТ-оборудования, комплексов программно-аппаратных 

средств органов государственной власти и внебюджетных фондов. ПОД ФГУП «Гознак» оказывает сво­им клиентам услуги по размещению и хранению электронных докумен­тов, материалов и информации, а так­же предоставляет прочие интернет- услуги, востребованные ИТ-отраслью.

Данный ЦОД спроектирован и возве­ден с учетом рекомендаций стандарта TIA-942. Все технологические системы и помещения ЦОД реализованы с уче­том требований стандартов ГОСТ Р, СТР ФСТЭК, СТР МВД.

Для децентрализованной системы охлаждения серверных помещений ЦОД ФГУП «Гознак» общей мощно­стью 3000 кВт установлены прецизи­онные кондиционеры с выносными кон­денсаторами воздушного охлаждения итальянского производителя HiRef. Данные системы производят круглосу­точное высокоточное поддержание за­данных параметров охлаждения сервер­ных помещений ФГУП «Гознак».

Рассчитав количество электроэнер­гии для стоек и системы охлаждения, минимальная величина которой состав­ляет 6000 кВтчас, получаем годовое по­требление 6000 кВт час х 8760 часов = 52560 000 кВтчас. При стоимости элек­троэнергии в столичном регионе 5 руб./ кВт час получаем стоимость потреблен­ной электроэнергии в год 262,8 млн руб.

Определим основные характеристики газораспределительной станции и турбо- детандерной установки, которые необхо­димы для выработки 3000 кВт час элек­троэнергии и такой же энергии холода. Для данного ТДУ необходимы следую­щие параметры газа:

• Пропускная способность, м³/сут.— (2,6-5)*10^б.
• Давление газа на входе, МПа —1.2.
• Температура газа на входе в турбину, °C-10-50.
• Степень понижения давления газа в турбине —2-2,2.
• Минимальная температура газа на выходе из турбины, °C — 30.
• Параметры выработанной электро­энергии:

напряжение переменного тока, кВ-6.3/10,5;

частота тока, Гц — 50.

Поскольку процесс расшире­ния газа сопровождается понижени­ем его температуры, турбодетандер является также источником холода. Холодопроизводительность турбоде­тандера определяется теплоперепадом и расходом газа.

Q_x=H*=H*G₂, кВт, где Н — действительный теплопе- репад в турбодетандере. кДж/кг, G₂— массовый расход газа, кг/с.

 

Для турбодетандера электрической мощностью 3000 кВт эта величина так­же составляет 3000 кВт.

Количество холода, которое может быть рационально использовано, опре­деляется по формуле:

Q_x=G₂• Cp₂-(T_fT₃), кВт, (А1), где G₂— массовый расход газа, кг/с, Ср.₂ —средняя теплоемкость газа, кДж/кг. град,

Т₄ и Т₃ — абсолютные температуры на входе и выходе из теплообменника, К. Разность температур (Т₄ и Т₃) в систе­мах выработки и использования холода, как правило, не превышает 20° на сту­пень. Тогда при номинальном расходе газа 43 кг/с для установки на 3000 кВт:

Q_x=43 * 2,23* 20 = 1920 кДж/с = 16,49 *10⁵ккал/час.

При стоимости турбодетандерной уста­новки, равной цене системы охлаждения классического типа, окупаемость системы электроснабжения и охлаждения ЦОДа составляет менее двух лет по причине «бестопливной», экологически чистой тех­нологии получения энергии.

В Москве и Московской области есть более ста газоредуцирующих объектов (в основном относящихся к ПАО «Газпром»), обладающих энергопотенциалом перепада давления, достаточным для электро- и хо- лодоснабжения ЦОД. При недавнем озна­комлении с такими объектами в Татарстане, который является одним из наиболее от­крытых регионов к инновациям в ИТ-сфере, было выявлено более двадцати подходя­щих по мощности ГРС и ГРП. В России в сис­теме транспорта газа и газораспределения есть более тысячи объектов с необходи­мым энергопотенциалом, поэтому если есть необходимость в строительстве ЦОДа, то с большой долей вероятности для них найдутся достаточно мощные ГРС и ГРП. Предлагается на стадии проектирования ЦОД рассматривать возможность его раз­мещения рядом с пунктами редуцирования для установки и подключения ТДУ в целях минимизации последующих операционных затрат при эксплуатации.

Внедрение турбодетандерных тех­нологий даст возможность значи­тельно сократить операционные за­траты ЦОДов на электроснабжение и охлаждение. Различные схемы вклю­чения теплообменников в технологиче­ские линии турбодетандеров на пунктах редуцирования газа позволят опти­мизировать процесс и повысить КПД системы.

 

Литература:

1. . ПАО «Газпром». Программа по вне­дрению турбодетандерных устано­вок на ГРС для получения сжиженно­го природного газа и для выработки электроэнергии (электронный ре­сурс). Режим доступа ограниченный.
2. Чигрин В. С. Конструкция компрессо­ров и детандеров холодильных уста­новок,—Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2002.-131 с.
3. Иванов В. Л., Леонтьев А. И.. МанушинЭ.А. и др. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинирован­ных установок.— М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2003,— 592 с.
4. . Черных А. П. Использование тур­бинного привода для получения электроэнергии и тепла на объек­тах газовой промышленности.— М.. Газовая промышленность, № 2, 2017 г. УДК 621.311.
5. Маркетинговое исследование «Рынок ЦОД в России в 2014- 2019 гг. и прогноз на 2020-2024 гг.».

References

1. Epifanova V. I. Compressor and Expansion Radial-Type Turbo Machines—A Textbook for Higher Education Institutions Majoring in Cryoengineering. Moscow, Mechanical Engineering, 1981, 367 p., illustrated (In Russian)
2. Chigrin V. S. Construction of Compressors and Expanders of Refrigeration Units. Kharkiv, National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», 2002,131 p. (In Russian)

Ivanov V.L.. Leontyev A. I., ManushinE.A., et al. Heat Interchange Apparatuses and Cooling Systems of Gas Turbine and Combined Units. Moscow, Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2003, 592 p. (In Russian)

Анатолий ЧЕРНЫХ

ПАО АК «Рубин».

зам. главного конструктора

APCH@akrubin.com

Виктор МИХАЛЕНКО

ПАО «Газпром». деп. 308. зам. главного инженера «Г азпромгеотехнологии» v.mihalenko@gazpromgeotech.ru

Леонид ЛАЗАРЕВ

Московский энергетический институт, профессор Llazarev37@gmail.com