CN106050341A - 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置 - Google Patents

一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置 Download PDF

Info

Publication number
CN106050341A
CN106050341A CN201610615548.6A CN201610615548A CN106050341A CN 106050341 A CN106050341 A CN 106050341A CN 201610615548 A CN201610615548 A CN 201610615548A CN 106050341 A CN106050341 A CN 106050341A
Authority
CN
China
Prior art keywords
natural gas
power
pressure
valve
refrigeration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610615548.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106050341B (zh
Inventor
徐文东
熊凡凡
符仁义
丁际昭
张容伟
陈秋雄
陈运文
陆涵
温永刚
安成名
游咏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Shenzhen Gas Corp Ltd
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Shenzhen Gas Corp Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT, Shenzhen Gas Corp Ltd filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201610615548.6A priority Critical patent/CN106050341B/zh
Publication of CN106050341A publication Critical patent/CN106050341A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106050341B publication Critical patent/CN106050341B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/04—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for specific purposes other than heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • F17D1/04—Pipe-line systems for gases or vapours for distribution of gas
    • F17D1/05—Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • F17D1/065—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours
    • F17D1/07—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours by compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，包括监测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统；天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统；市电制冷系统主要由冷水空调组成；监测调控系统调控压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统三者的供电和供冷比例，保证电能和冷能供应的稳定性及发电机组的稳定性、有效解决负载功率变化过大的问题。本发明能实现数据中心及高耗能建筑物的供电供冷，系统效率高，广谱性强，可节约大量电费支出。

Description

一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置
技术领域
本发明提出一种利用天然气压力能及天然气自身燃烧释放的能量发电制冷，并通过市电辅助保证数据中心及其他高能耗建筑供电供冷稳定性的一体化装置。
背景技术
电和冷是燃气系统节能技术的两个主要产品，正是互联网数据中心的动力能源，他们的有机结合将是很有前景的发展模式。
目前，城市燃气主要通过管网系统进行运输，天然气利用时，上游的天然气通过高压管网输送到城市燃气或大型用户。高压天然气需根据用户的供气压力要求进行调压，在各地的天然气接收站或者调压站调压后进行城市燃气管网系统供下游用户使用。高压天然气在调压的过程中会产生很大的压力降，释放大量的能量，以日生产50万立方米的门站为例，压力从4.0MPa降至0.4MPa，导致的压力能损失约101.7KJ/h。如果能采用适当的方式回收利用这部分压力能，将能在很大程度上提高能源利用率和天然气管网运行的经济性。“十二五”期间，各级政府全面推广余热余压回收利用技术，推进低品质热源的回收利用，形成能源的梯级综合利用。随着城市天然气应用力度的逐渐增加，天然气管网的发展，高压天然气的压力能回收利用技术将具有广阔的发展前景。
在互联网方面，随着信息化与工业化的深入推进，特别是移动互联网与智能手机产业的发展与普及，大大改变了人们的生活方式，社会组织与运作模式也带来了调整。随着越来越多社会和人类信息的电子化，以及信息交互与计算能力的大大提高和成本逐步下降。人类社会的生产力再次得到飞跃，人们越来越多的精力投入到创新当中。正是由于此轮移动互联网技术发展，造就了数字经济业务的飞速扩张。全球G20数字经济增长率平均为11％，发展中国家平均达到18％，远远高于传统产业。
数字经济的飞速发展，带了大量电子数据的储存、计算和交换的需求。数据中心的需求量突飞猛进，2008年起全球主要市场均开始了数据中心大规模建设的时代，年度投资增长率保持在10％以上。数据中心机房内放置着大量的服务器、交换机和储存设备，这些IT设备需要保持7x24x365的在线工作，满足各类数字业务的需求。IT设备的耗电量是惊人的，每平方米建筑面积的功耗高达1000～2000瓦，甚至更高。而常规的民用或商业建筑，功耗仅70～150瓦。
2016年，在十三五的开局之年，在国家大力倡导互联网+的环境下，天然气余冷及压力能利用的节能技术，与绿色云计算数据中心产业的结合，迎来了最佳发展机遇期。
发明内容
本发明提出一种利用管网天然气发电制冷的数据中心供能系统和一体化装置，该装置安全性能好，低能耗，易维护，高效率的利用天然气管网压力能进行发电制冷，并以天然气燃烧发电制冷为辅，市电供应为保障，为高能耗、需求波动较大的建筑提供稳定的低成本的绿色能源。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：包括监测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，
所述压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统，所述膨胀发电系统包括通过管路连接在高压管网和低压管网之间的透平膨胀机，所述透平膨胀机的输出轴依次连接第一变速器及第一发电机，所述第一发电机的电力输出端通过第一变压同步器向外供电；所述冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路的换热器、冷媒泵、冷媒储罐、由第一供水泵供水的制冷器，所述透平膨胀机流出的天然气与换热器换热后一部分天然气进入天然气冷电联供系统，另一部分进入中低压管网；
天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统，所述燃烧发电系统包括通过管路依次连接的燃烧室、燃气透平、由第二供水泵供水的余热锅炉、蒸汽透平，所述燃气透平的输出轴依次连接第二变速器及第二发电机，所述第二发电机的电力输出端通过第二变压同步器向外供电；所述蒸汽透平的输出轴依次连接第三变速器及第三发电机，所述第三发电机的电力输出端通过第三变压同步器向外供电；所述吸附制冷系统通过管路连接在蒸汽透平下游，主要由第三供水泵供水的吸收式制冷空调组成，蒸汽透平排放的蒸汽作为输入吸收式制冷空调的热源。
所述市电制冷系统通过市电向负载供电，并通过水冷空调向负载供冷，主要由冷水空调组成，通过管路依次主要由冷却塔、第四供水泵、冷水机组冷凝器、冷水机组蒸发器、第五供水泵组成。
所述监测调控系统包括：PLC；依次设置在高压管网与透平膨胀机进气口之间管路上的第一电控阀、压力现场显示器、温度现场显示器、第一流量计、第一流量调节阀；依次设置在所述透平膨胀机与换热器之间管路上的压力现场显示器、温度现场显示器、气动调节阀；依次设置在换热器与低压管网之间管路上的压力变送器、第二电控阀、压力现场显示器、温度现场显示器、三通流量调节阀，所述三通流量调节阀一个出口连接天然气冷电联供系统，另一出口连接中低压管网，使所述透平膨胀机流出的天然气与换热器换热后流经三通流量调节阀，一部分天然气进入天然气冷电联供系统，一部分进入中低压管网；设置在第一变速器与第一发电机之间的速度变送器；依次设置在冷媒泵与冷媒储罐之间管路上的第二流量计和第二流量调节阀；设置在第一供水泵与制冷器之间的第三流量调节阀和用于测量经制冷器制冷后冷水温度的温度变送器；依次设置在中压管网和燃烧室进气口之间的第三电控阀、压力现场显示器、温度现场显示器、第三流量计、第四流量调节阀；依次设置在燃气透平和余热锅炉之间的压力现场显示器、温度现场显示器；设置在第二变速器和第二发电机之间的速度变送器；依次设置在余热锅炉和蒸汽透平之间的压力变送器、温度变送器；依次设置在蒸汽透平和吸收式制冷空调之间的压力现场显示器、温度现场显示器；设置在第三供水泵与吸收式制冷空调之间的第六流量调节阀；设置在第四供水泵与冷水机组冷凝器之间的第七流量调节阀；设置在冷水机组蒸发器与第五供水泵之间的第八流量调节阀；设置在冷水机组蒸发器出水管路上的温度变送器；
所述PLC通过电路分别连接各电控阀、各个压力变送器、气动调节阀、各流量调节阀、各速度变送器、各温度变送器。
进一步地，所述透平膨胀机与换热器之间的管路上设置有缓冲罐，保证气压温度。
进一步地，所述的吸收式制冷空调采用余热蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组。
进一步地，所述第一电控阀、第二电控阀和第三电控阀选用具有紧急切断功能的ZCRB型燃气紧急切断阀；所述第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀、第四流量调节阀、第五流量调节阀、第六流量调节阀、第七流量调节阀、第八流量调节阀、三通流量调节阀和气动调节阀选用电动控制型阀。
进一步地，所述PLC根据下游天然气用户用气量的不同，通过控制各阀改变进入不同系统的天然气流量来设置不同的压力能控制发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输出配比，以满足各种不同工况。
进一步地，当冷负荷随气温升高而增大时，所述PLC通过控制各阀增大进入装置的天然气流量，一方面增大压力能发电制冷系统或天然气冷电联供系统的制冷量，一方面将多余的电量输入市电制冷系统制冷，以满足较大的冷负荷波动。
进一步地，所述透平膨胀机、燃气透平、蒸汽透平的速度变送器将主轴转速信号转换为标准电信号反馈至PLC，PLC根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算出输出功率；PLC通过对比速度变送器和所述透平膨胀机、燃气透平、蒸汽透平的前后压力变送器的预设额定值和当前值得到控制各阀的控制信号，实现根据负载变化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
本发明与现有的调压工艺和数据中心供冷供电方案相比有以下有益成果：
1、能源的有效利用。本发明取代了原来的天然气调压工艺，回收了白白浪费的压力能；膨胀降温后的低温天然气与压缩后的冷媒在套管式换热器换热，不仅节约了原工艺中提升调压后低温天然气的温度所耗费的能量和设备，而且也节省了冷媒制冷所需的冷量。
2、能源利用率高。通过压力能膨胀发电制冷和冷电联供，视输出功的大小有效利用电能，并节约了原有电压缩制冷工艺的电耗，大大提升能源综合利用率。
3、工艺流程简单易控，一键启动及关闭：本工艺通过调节阀门和PLC自控系统即可实现针对下游变动的用气量的变化和上游高压天然气特性的变化，进行生产状态的调节。根据负荷要求，进行信号反馈，自动开启与关闭设备，有效实现了场站或数据中心的无人操作，节约了大量的人力，保障站工作人员的安全。
4、操作弹性大，安全稳定性高：通过设置变速器，透平膨胀机的负荷波动±20％范围发电机仍然能保证较高的效率；通过PLC可控制各个系统中的天然气流量和冷媒流量；通过PLC可根据天然气下游用户的用气波动和负载的波动自动调节压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统之间的输出比例，操作弹性大，安全稳定性高。
5、易于推广使用：目前，国内城市管网建设发达，相配套的调压站较多，大量压力能未被利用，同时数据中心的需求量突飞猛进。该工艺可实现发电和制冷一体化，为数据中心节约相当大的电力和冷能能耗费用，具有良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为一种利用管网天然气发电制冷的数据中心供能系统和一体化装置的结构示意图。
图2为压力能发电制冷系统结构示意图。
图3为天然气冷电联供系统结构示意图。
图4为市电制冷系统结构示意图。
图中所示为：1-天然气调压设备；2-第一电控阀；3-第二电控阀；4-气动调节阀；5-第一流量调节阀；6-第二流量调节阀；7-第一流量计；8-第二流量计；9-PLC；10-透平膨胀机；11-缓冲罐；12-换热器；13-第一变速器；14-第一发电机；15-三通流量调节阀；16-冷媒储罐；17-第一供水泵；18-制冷器；19-冷媒泵；20-第一变压同步器；21-第三流量调节阀；22-第三电控阀；23-第四流量调节阀；24-第三流量计；25-第五流量调节阀；26-第六流量调节阀；27-燃烧室；28-燃气透平；29-余热锅炉；30-蒸汽透平；31-吸收式制冷空调；32-第二变速器；33-第二发电机，34-第三变速器；35-第三发电机；36-第二变压同步器；37-第三变压同步器；38-第二供水泵；39-第三供水泵；40-冷却塔；41-冷水机组冷凝器；42冷水机组蒸发器；43-第四供水泵；44-第七流量调节阀；45-第八流量调节阀；46-第五供水泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：包括监测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，
如图2所示，所述压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统，所述膨胀发电系统包括通过管路连接在高压管网和低压管网之间的透平膨胀机10，所述透平膨胀机10的输出轴依次连接第一变速器13及第一发电机14，所述第一发电机14的电力输出端通过第一变压同步器20向外供电；所述冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路的换热器12、冷媒泵19、冷媒储罐16、由第一供水泵17供水的制冷器18，所述透平膨胀机10流出的天然气与换热器12换热后一部分天然气进入天然气冷电联供系统，另一部分进入中低压管网；
如图3所示，天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统，所述燃烧发电系统包括通过管路依次连接的燃烧室27、燃气透平28、由第二供水泵38供水的余热锅炉29、蒸汽透平30，所述燃气透平28的输出轴依次连接第二变速器32及第二发电机33，所述第二发电机33的电力输出端通过第二变压同步器36向外供电；所述蒸汽透平30的输出轴依次连接第三变速器34及第三发电机35，所述第三发电机35的电力输出端通过第三变压同步器37向外供电；所述吸附制冷系统通过管路连接在蒸汽透平28下游，主要由第三供水泵39供水的吸收式制冷空调31组成，蒸汽透平30排放的蒸汽作为输入吸收式制冷空调31的热源。
如图4所示，所述市电制冷系统通过市电向负载供电，并通过水冷空调向负载供冷，主要由冷水空调组成，通过管路依次主要由冷却塔40、第四供水泵43、冷水机组冷凝器41、冷水机组蒸发器42、第五供水泵46组成。
所述监测调控系统包括：PLC9；依次设置在高压管网与透平膨胀机10进气口之间管路上的第一电控阀2、压力现场显示器、温度现场显示器、第一流量计7、第一流量调节阀5；依次设置在所述透平膨胀机10与换热器12之间管路上的压力现场显示器、温度现场显示器、气动调节阀4；依次设置在换热器12与低压管网之间管路上的压力变送器、第二电控阀3、压力现场显示器、温度现场显示器、三通流量调节阀15，所述三通流量调节阀15一个出口连接天然气冷电联供系统，另一出口连接中低压管网，使所述透平膨胀机10流出的天然气与换热器12换热后流经三通流量调节阀15，一部分天然气进入天然气冷电联供系统，一部分进入中低压管网；设置在第一变速器13与第一发电机14之间的速度变送器；依次设置在冷媒泵19与冷媒储罐16之间管路上的第二流量计8和第二流量调节阀6；设置在第一供水泵17与制冷器18之间的第三流量调节阀21和用于测量经制冷器18制冷后冷水温度的温度变送器；依次设置在中压管网和燃烧室进气口之间的第三电控阀22、压力现场显示器、温度现场显示器、第三流量计24、第四流量调节阀23；依次设置在燃气透平28和余热锅炉29之间的压力现场显示器、温度现场显示器；设置在第二变速器32和第二发电机33之间的速度变送器；依次设置在余热锅炉29和蒸汽透平30之间的压力变送器、温度变送器；依次设置在蒸汽透平30和吸收式制冷空调31之间的压力现场显示器、温度现场显示器；设置在第三供水泵39与吸收式制冷空调31之间的第六流量调节阀26；设置在第四供水泵43与冷水机组冷凝器41之间的第七流量调节阀44；设置在冷水机组蒸发器42与第五供水泵46之间的第八流量调节阀45；设置在冷水机组蒸发器42出水管路上的温度变送器；
所述PLC9通过电路分别连接第二电控阀3、各个压力变送器、气动调节阀4、第一电控阀2、第一流量调节阀5、各个速度变送器、第二流量调节阀6、三通流量调节阀15、第三流量调节阀21、各个温度变送器、第三电控阀22、第四流量调节阀25、第五流量调节阀25、第六流量调节阀26、第七流量调节阀44、第八流量调节阀45。
具体而言，所述透平膨胀机10与换热器12之间的管路上设置有缓冲罐11，保证气压温度。
具体而言，所述的吸收式制冷空调31采用余热蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组。
具体而言，所述第一电控阀2、第二电控阀3和第三电控阀22选用具有紧急切断功能的ZCRB型燃气紧急切断阀；所述第一流量调节阀5、第二流量调节阀6、第三流量调节阀21、第四流量调节阀23、第五流量调节阀25、第六流量调节阀26、第七流量调节阀44、第八流量调节阀45、三通流量调节阀15和气动调节阀4选用电动控制型阀。
所述PLC9根据下游天然气用户用气量的不同，通过控制各阀改变进入不同系统的天然气流量来设置不同的压力能控制发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输出配比，以满足各种不同工况。
具体而言，当冷负荷随气温升高而增大时，所述PLC9通过控制各阀增大进入装置的天然气流量，一方面增大压力能发电制冷系统或天然气冷电联供系统的制冷量，一方面将多余的电量输入市电制冷系统制冷，以满足较大的冷负荷波动。
具体而言，所述透平膨胀机10、燃气透平28、蒸汽透平30的速度变送器将主轴转速信号转换为标准电信号反馈至PLC9，PLC9根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算出输出功率；PLC9通过对比速度变送器和所述透平膨胀机10、燃气透平28、蒸汽透平30的前后压力变送器的预设额定值和当前值得到控制各阀的控制信号，实现根据负载变化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
第一发电机14、第二发电机33、第三发电机35的电力输出端通过变压同步器一路与外界的各种仪表、电动阀门等用电设备连接，一路与下游用户连接。
本发明的监测调控系统的工作原理及过程为：
压力能发电制冷系统中，高压管网天然气通过第一电控阀2进入系统，压力变送器(PT)将压力信号转换成标准电信号反馈至PLC9，当压力较长时间超出允许范围内时，PLC9输出切断设备指令作用于第一电控阀2与第二电控阀3，将整套装置与原天然气管道彻底脱离，同时开启原有的天然气调压设备1，保证下游正常用气，系统切换时间少于1秒；第一流量调节阀5用于调节进入透平膨胀机10的天然气流量，当天然气流量在正常范围内变动时，透平膨胀机10与第一发电机14转速成倍数关系而发电；第二流量调节阀6用于调节进入往复式的冷媒泵19的冷媒流量；当天然气流量在异常范围内波动时，通过速度变送器(ST)将速度信号转换成标准电信号反馈至PLC9，PLC9输出调节指令作用于第一流量调节阀5，调节进入透平膨胀机10的天然气流量，从而改变透平膨胀机10转速进而实现与发电机匹配发电；当负载波动时，将导致制冷器18出水口温度发生变化，通过速度变送器(ST)将速度信号转换成标准电信号反馈至PLC9，PLC9输出控制信号作用于第二流量调节阀6，调节进入冷媒泵19的冷媒流量；气动调节阀4的作用是调节压力，以保证天然气有足够的压力进入天然气主管道。当压力现场显示器显示压力过大时，通过压力变送器(PT)将压力信号转换成标准电信号反馈至PLC9，PLC9控制作用于气动调节阀4，增大气动调节阀4的开度。反之，当压力过小时，PLC9通过减小气动调节阀4的开度保证天然气能正常进入下游中低压天然气管道；冷水通过第一供水泵17进入制冷器18换热，设定换热后出水温度，通过温度变送器(PT)将温度信号转换成标准电信号反馈至PLC9，当温度较长时间超出允许范围内时，PLC9输出控制信号作用于第二流量调节阀6，调节循环冷媒的流量；当下游用冷负荷波动时，PLC9输出控制信号作用于第三流量调节阀21，调节输入制冷器18的冷水流量。
天然气冷电联供系统中，低压管网天然气通过第三电控阀22进入系统，PLC9通过下游用户负载和压力能发电制冷系统中的发电功率调节第四流量调节阀23，调节进入系统的天然气流量；当天然气流量在异常范围内波动时，通过速度变送器(ST)将速度信号转换成标准电信号反馈至PLC9，PLC9输出控制信号作用于第四流量调节阀23，调节进入燃烧室27的天然气流量，从而改变燃气透平28转速进而实现与发电机匹配发电；第五流量调节阀25根据第四流量调节阀23的流量初步调节第二供水泵38进入余热锅炉29的冷水流量，温度变送器测量从余热锅炉出来的蒸汽温度，通过温度变送器(TT)将温度信号转换成标准电信号反馈至PLC9，PLC9控制第五流量调节阀25进一步调节进入余热锅炉29的冷水流量使温度在设定的波动范围内；冷水通过第三供水泵39进入吸收式制冷空调31换热，设定换热后出水温度，通过温度变送器(PT)将温度信号转换成标准电信号反馈至PLC9，PLC9输出控制信号作用于第五流量调节阀26，调节冷水的流量，使出水温度在设定范围内波动。
监测调控系统调控压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统三者的供电和供冷比例，保证电能和冷能供应的稳定性，同时保证发电机组的稳定性、有效解决负载功率变化过大的问题、根据负载变化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
本装置以天然气管网压力能进行发电制冷为主，以天然气燃烧发电制冷为辅，市电供应为保障，Aspen模拟结果表明：
1、数据中心所需的电与冷全由压力能发电制冷系统提供，输入系统的天然气瞬时流量为20000kg/h，压力4MPa，温度20℃，通过第一电控阀2、第一流量调节阀5后进入透平膨胀机10膨胀降压至-83℃，0.4MPa后进入套管式的换热器12，与高温高压冷媒换热回温后至5～25℃后再进入天然气燃烧发电系统和下游中低压燃气管网；
2、高压天然气通过透平膨胀机10膨胀将压力能转化成机械能,然后通过第一变速器13使转子转速与第一发电机14频率匹配发电，可发出977.5kW的电用于供给数据中心。当流量发生变化时需要通过PLC9进行控制调节，比如系统从停止状态到工作状态时，就需要通过PLC9进行不断的控制调节，使整个发电装置可进行正常运作。
3、R404a冷媒在冷媒储罐的初始状态为-25℃，0.2MPa，根据第二流量调节阀6调节流量进入套管式的换热器12与低温天然气等压换热，套管式的换热器12充当冷凝器的作用，冷媒变成液态(-35℃，0.2MPa)进入制冷器18与冷冻水回水换热,冷冻水从12℃降到7℃。
4、表1显示了透平膨胀机10出入口在不同压力状态下的燃气流量与发电率的关系。
从表1可以看出，利用天然气管网压力能发电-压缩制冷的装置的进气压力范围为0.4～4MPa。可根据不同的进出气压力即不同的压差，通过调节天然气流量可将发电功率控制在300～1446.2kW，满足大部分数据中心用电要求。当进气压力为较小的0.4MPa，而出气压力也为较小的0.2MPa，此时燃气流量为16000kg/h，发电功率约为300kW。当进气压力为较大的4.0MPa，而出气压力为较小的0.4MPa，此时燃气流量为20000kg/h，发电功率约为977.5kW；或进气压力为1.6MPa，而出气压力为较小的0.4MPa，此时燃气流量为较大的24000kg/h，发电功率约为809.3kW；当进气压力为较大的4MPa，而出气压力为较小的0.2MPa，此时燃气流量为较大的24000kg/h，发电率可达,1446.2kW。可见，若以20000kg/h的天然气流量为该套装置的设计基准，在80％～120％即16000kg/h～24000kg/h的范围内可通过调节天然气流量控制发电功率在300～1446.2kW，所以本套发电系统可操作弹性大，能够利用的压力能范围大，广谱性强，该生产装置可以满足大部分数据中心的用电要求，具有良好的节能减排效果。表1燃气流量与发电量、最大制冷量的关系表：
5、当下游天然气用量较小，压力能发电制冷系统没法供应足够的电和冷时，数据中心所需的电与冷可由天然气冷电联供系统辅助供应。输入天然气冷电联供系统的天然气压力为0.2MPa，进入燃烧室27充分燃烧后，烟气以1100℃的高温进入燃气透平28；燃气透平28的出气温度520℃，所出烟气进入余热锅炉29生产蒸汽；余热锅炉29的蒸汽出口压力4MPa，温度498℃左右，进入蒸汽透平30；蒸汽轮机出口压力为0.5MPa，温度232℃左右，进入余热蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组
6、表2显示了天然气冷电联供系统的燃气流量与发电率的关系。
从表2可以看出所有的温度和压力为既定，所以天然气的流量与系统的发电量和输入吸收式制冷空调31的功率等比例变化。当天然气流量为250kg/h时，总发电量为982.7kW，输入吸收式制冷空调31的功率为607.3kW；当天然气流量为500kg/h时，总发电量为1965.4kW，输入吸收式制冷空调31的功率为1214.5kW。取吸收式制冷空调31的COP为1.5，则天然气流量为250kg/h时的制冷量为910.95kW；天然气流量为500kg/h时的制冷量为1821.9kW。则该系统可在500kg/h的天然气流量下满足绝大多数类型的数据中心的电和冷的需求，为整套装置的发电供冷能力提供了良好的保障。
表2燃气流量与发电率的关系：
7、常见数据中心的电负荷在1000kW左右，故所需供冷量也在1000kW左右。
如果下游用户天然气需求量较大，从表1我们可知，天然气以进口压力为4MPa，透平膨胀机10出口压力为0.2MPa，流量为20000kg/h输入压力能发电制冷系统，发电量为1205kW，制冷量为1335kW。故此时全由压力能发电制冷系统发电供冷，可满足绝大部分数据中心电与冷的需求。
如果下游用户天然气需求量较小，从表2我们可知，天然气以进口压力为0.2MPa，流量为300kg/h输入天然气冷电联供系统，发电量为1178.9kW，制冷量为1092kW。故此时全由天然气冷电联供系统发电供冷，可满足绝大部分数据中心电与冷的需求。
如果下游用户天然气需求量较大较为正常，假设输入整个装置的天然气流量能维持在1000kg/h，天然气以进口压力为4MPa，透平膨胀机10出口压力为0.2MPa，压力能发电制冷系统发电量为60kW，制冷量为66kW；从透平膨胀机10排出的天然气，其中740kg/h进入下游管网，260kg/h输入天然气冷电联供系统，天然气冷电联供系统发电量为1021kW，制冷量为946kW。则装置整体发电量为1081kW，制冷量为1012kW，可满足绝大部分数据中心电与冷的需求。
本装置可根据下游天然气用户用气量的不同设置不同的压力能发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输出配比，对各种工况有良好的适应性。
数据中心用电负荷较为稳定，但冷量负荷受季节温度变化波动较大，此时可通过改变输入系统的天然气流量来改变发电量，并将多余的电量输入市电制冷系统制冷，从而满足较大的冷负荷波动。
本发明通过压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统实现发电与制冷一体化，市电和市电供冷系统用于辅助并保证电能和冷能的稳定供应，同时根据负载变化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：包括监测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，
所述压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统，所述膨胀发电系统包括通过管路连接在高压管网和低压管网之间的透平膨胀机(10)，所述透平膨胀机(10)的输出轴依次连接第一变速器(13)及第一发电机(14)，所述第一发电机(14)的电力输出端通过第一变压同步器(20)向外供电；所述冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路的换热器(12)、冷媒泵(19)、冷媒储罐(16)、由第一供水泵(17)供水的制冷器(18)，所述透平膨胀机(10)流出的天然气与换热器(12)换热后一部分天然气进入天然气冷电联供系统，另一部分进入中低压管网；
天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统，所述燃烧发电系统包括通过管路依次连接的燃烧室(27)、燃气透平(28)、由第二供水泵(38)供水的余热锅炉(29)、蒸汽透平(30)，所述燃气透平(28)的输出轴依次连接第二变速器(32)及第二发电机(33)，所述第二发电机(33)的电力输出端通过第二变压同步器(36)向外供电；所述蒸汽透平(30)的输出轴依次连接第三变速器(34)及第三发电机(35)，所述第三发电机(35)的电力输出端通过第三变压同步器(37)向外供电；所述吸附制冷系统通过管路连接在蒸汽透平(28)下游，主要由第三供水泵(39)供水的吸收式制冷空调(31)组成，蒸汽透平(30)排放的蒸汽作为输入吸收式制冷空调(31)的热源。
所述市电制冷系统通过市电向负载供电，并通过水冷空调向负载供冷，主要由冷水空调组成，通过管路依次主要由冷却塔(40)、第四供水泵(43)、冷水机组冷凝器(41)、冷水机组蒸发器(42)、第五供水泵(46)组成；
所述监测调控系统包括：PLC(9)；依次设置在高压管网与透平膨胀机(10)进气口之间管路上的第一电控阀(2)、压力现场显示器、温度现场显示器、第一流量计(7)、第一流量调节阀(5)；依次设置在所述透平膨胀机(10)与换热器(12)之间管路上的压力现场显示器、温度现场显示器、气动调节阀(4)；依次设置在换热器(12)与低压管网之间管路上的压力变送器、第二电控阀(3)、压力现场显示器、温度现场显示器、三通流量调节阀(15)，所述三通流量调节阀(15)一个出口连接天然气冷电联供系统，另一出口连接中低压管网；设置在第一变速器(13)与第一发电机(14)之间的速度变送器；依次设置在冷媒泵(19)与冷媒储罐(16)之间管路上的第二流量计(8)和第二流量调节阀(6)；设置在第一供水泵(17)与制冷器(18)之间的第三流量调节阀(21)和用于测量经制冷器(18)制冷后冷水温度的温度变送器；依次设置在中压管网和燃烧室进气口之间的第三电控阀(22)、压力现场显示器、温度现场显示器、第三流量计(24)、第四流量调节阀(23)；依次设置在燃气透平(28)和余热锅炉(29)之间的压力现场显示器、温度现场显示器；设置在第二变速器(32)和第二发电机(33)之间的速度变送器；依次设置在余热锅炉(29)和蒸汽透平(30)之间的压力变送器、温度变送器；依次设置在蒸汽透平(30)和吸收式制冷空调(31)之间的压力现场显示器、温度现场显示器；设置在第三供水泵(39)与吸收式制冷空调(31)之间的第六流量调节阀(26)；设置在第四供水泵(43)与冷水机组冷凝器(41)之间的第七流量调节阀(44)；设置在冷水机组蒸发器(42)与第五供水泵(46)之间的第八流量调节阀(45)；设置在冷水机组蒸发器(42)出水管路上的温度变送器；
所述PLC(9)通过电路分别连接各电控阀、各个压力变送器、气动调节阀(4)、各流量调节阀、各速度变送器、各温度变送器。
2.根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：所述透平膨胀机(10)与换热器12之间的管路上设置有缓冲罐(11)。
3.根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：所述的吸收式制冷空调(31)采用余热蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组。
4.根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：所述第一电控阀2、第二电控阀3和第三电控阀(22)选用具有紧急切断功能的ZCRB型燃气紧急切断阀；所述第一流量调节阀5、第二流量调节阀6、第三流量调节阀21、第四流量调节阀(23)、第五流量调节阀(25)、第六流量调节阀(26)、第七流量调节阀(44)、第八流量调节阀(45)、三通流量调节阀(15)和气动调节阀(4)选用电动控制型阀。
5.根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：所述PLC(9)根据下游天然气用户用气量的不同，通过控制各阀改变进入不同系统的天然气流量来设置不同的压力能控制发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输出配比，以满足各种不同工况。
6.根据权利要求5所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：当冷负荷随气温升高而增大时，所述PLC(9)通过控制各阀增大进入装置的天然气流量，一方面增大压力能发电制冷系统或天然气冷电联供系统的制冷量，一方面将多余的电量输入市电制冷系统制冷，以满足较大的冷负荷波动。
7.根据权利要求6所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于：所述透平膨胀机(10)、燃气透平(28)、蒸汽透平(30)的速度变送器将主轴转速信号转换为标准电信号反馈至PLC(9)，PLC(9)根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算出输出功率；PLC(9)通过对比速度变送器和所述透平膨胀机(10)、燃气透平(28)、蒸汽透平(30)的前后压力变送器的预设额定值和当前值得到控制各阀的控制信号，实现根据负载变化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
CN201610615548.6A 2016-07-28 2016-07-28 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置 Expired - Fee Related CN106050341B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610615548.6A CN106050341B (zh) 2016-07-28 2016-07-28 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610615548.6A CN106050341B (zh) 2016-07-28 2016-07-28 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106050341A true CN106050341A (zh) 2016-10-26
CN106050341B CN106050341B (zh) 2018-02-23

Family

ID=57195909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610615548.6A Expired - Fee Related CN106050341B (zh) 2016-07-28 2016-07-28 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106050341B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106593685A (zh) * 2016-11-24 2017-04-26 新奥泛能网络科技股份有限公司 一种燃气供能系统
CN107165682A (zh) * 2017-05-25 2017-09-15 华南理工大学 一种燃气热电联供工艺优化系统
WO2019080334A1 (zh) * 2017-10-24 2019-05-02 新奥泛能网络科技股份有限公司 数据中心供能系统和方法
CN110118305A (zh) * 2019-06-05 2019-08-13 广东海洋大学 一种天然气调压站余压综合利用系统
CN110185506A (zh) * 2019-05-27 2019-08-30 西南石油大学 一种天然气调压站压力能综合利用系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202902690U (zh) * 2012-10-18 2013-04-24 马振青 一种通用型冷热电联产系统
CN203719229U (zh) * 2013-12-31 2014-07-16 华电电力科学研究院 一种基于能源梯级利用的热电厂高效制冷系统
CN105114131A (zh) * 2015-08-31 2015-12-02 北京市燃气集团有限责任公司 一种利用天然气压力能膨胀发电与压缩制冷的一体化装置
CN205037619U (zh) * 2015-06-01 2016-02-17 北京京能未来燃气热电有限公司 一种大温差供冷系统
CN105401989A (zh) * 2015-12-10 2016-03-16 华电电力科学研究院 一种综合利用lng能量的系统和方法
CN205895335U (zh) * 2016-07-28 2017-01-18 华南理工大学 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202902690U (zh) * 2012-10-18 2013-04-24 马振青 一种通用型冷热电联产系统
CN203719229U (zh) * 2013-12-31 2014-07-16 华电电力科学研究院 一种基于能源梯级利用的热电厂高效制冷系统
CN205037619U (zh) * 2015-06-01 2016-02-17 北京京能未来燃气热电有限公司 一种大温差供冷系统
CN105114131A (zh) * 2015-08-31 2015-12-02 北京市燃气集团有限责任公司 一种利用天然气压力能膨胀发电与压缩制冷的一体化装置
CN105401989A (zh) * 2015-12-10 2016-03-16 华电电力科学研究院 一种综合利用lng能量的系统和方法
CN205895335U (zh) * 2016-07-28 2017-01-18 华南理工大学 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106593685A (zh) * 2016-11-24 2017-04-26 新奥泛能网络科技股份有限公司 一种燃气供能系统
CN107165682A (zh) * 2017-05-25 2017-09-15 华南理工大学 一种燃气热电联供工艺优化系统
CN107165682B (zh) * 2017-05-25 2023-12-01 华南理工大学 一种燃气热电联供工艺优化系统
WO2019080334A1 (zh) * 2017-10-24 2019-05-02 新奥泛能网络科技股份有限公司 数据中心供能系统和方法
CN110185506A (zh) * 2019-05-27 2019-08-30 西南石油大学 一种天然气调压站压力能综合利用系统
CN110118305A (zh) * 2019-06-05 2019-08-13 广东海洋大学 一种天然气调压站余压综合利用系统
CN110118305B (zh) * 2019-06-05 2024-02-09 广东海洋大学 一种天然气调压站余压综合利用系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN106050341B (zh) 2018-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106050341A (zh) 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置
CN106050340B (zh) 一种利用lng发电制冷的数据中心一体化供能装置
CN106322812A (zh) 一种冷热水机组
CN205895335U (zh) 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置
CN206785443U (zh) 一种高压天然气热电联供分布式能源系统
CN105114131A (zh) 一种利用天然气压力能膨胀发电与压缩制冷的一体化装置
CN108316981A (zh) 天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统及方法
CN106288577B (zh) 一种多能源大温差区域供冷装置
CN105258384B (zh) 一种集成热化学过程的热电冷多联产系统
CN205876409U (zh) 一种利用lng发电制冷的数据中心一体化供能装置
CN106839484B (zh) 一种基于co2冷媒的天然气压力能利用装置
CN205895337U (zh) 一种压力能与冷热电三联供的耦合系统
CN106640246A (zh) 一种天然气管网压力能利用的安全操控实现系统及方法
CN105423592A (zh) 双工况直燃双效型溴化锂吸收式热泵机组
CN104265381A (zh) 一种天然气管网调压发电制冷系统及其方法
CN204984493U (zh) 一种利用天然气压力能膨胀发电与压缩制冷的一体化装置
CN106764414A (zh) 一种lng气化站冷热电三联供系统
CN104676957A (zh) 一种喷射式热泵热电池
CN102900640A (zh) 利用天然气输送管道压差能发电的装置
CN207999296U (zh) 天然气余压与燃气轮机耦合联供系统、管网系统
CN107387259B (zh) 制热系统、制冷系统及冷热电三联供系统
CN114087533B (zh) 一种利用天然气压力能发电制冰的调压设施系统和方法
CN206310233U (zh) 液态天然气储罐bog气体冷能回收利用系统
CN115929596A (zh) 一种集成暖通空调功能的压缩空气储能系统及其控制方法
CN106839563B (zh) 一种利用液化天然气冷能的制冷系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180223

Termination date: 20200728