CN108106297B - 一种用于数据机房的lng冷能回收分布式能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统。它包括一种包括用于制取气化天然气并提取液化天然气冷量的冷量回收单元，机房冷却单元，用于将所述冷量供数据机房的机柜冷却使用；蓄冷单元，用于将所述冷量储存作为数据机房的机柜的备用冷源；压缩空气冷却单元，用于压缩空气并利用所述冷量将压缩空气冷却；燃气发电单元，用于燃烧所述气化天然气发电；冷量回收单元、压缩空气冷却单元、燃气发电单元串联；冷量回收单元分别与机房冷却单元、蓄冷单元连接；高温烟气制冷单元，用于制取冷冻水，供数据机房的机柜冷却；低温烟气供热单元，用于制取生活热水；燃气发电单元连接高温烟气制冷单元、高温烟气制冷单元连接低温烟气供热单元。

Description

一种用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统

技术领域

本发明涉及一种冷能的转换利用领域，具体是一种用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统。

背景技术

天然气作为世界三大能源支柱之一，在能源结构中所占比例超过24%，由于它环保、安全，近年来其消费量急剧上升。为了较好应对天然气的运输和储存问题，LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然气）发展迅猛。在LNG从接收站向外输送过程中，需先将LNG气化，而LNG内的冷能随着气化同时释放出来，大约可达到830—860kJ/kg。冷能是指常温环境中，自然存在的低温热能，实际上指的是在自然条件下，可以利用一定温差所得到的能量；目前，由于设备、环境等原因，导致这部分冷能通常随海水或空气流失掉，缺乏回收利用。

申请号为CN201610230461.7的专利公开了一种利用天然气压力能发电及冷能回收的工艺和装置，此专利对冷能利用比较单一，没有形成阶梯式的能量使用。本发明结合近年来数据中心能源消耗量迅猛增长的现象，提供一种用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统。本发明通过能源的梯级利用实现冷热电联供，回收的冷能用途增多。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现能量梯级利用，冷能多种用途的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统。

为实现所述目的，本发明包括用于制取气化天然气并提取液化天然气冷量的冷量回收单元；还包括机房冷却单元，用于将所述液化天然气冷量提供数据机房的机柜冷却使用；蓄冷单元，用于将所述液化天然气冷量储存作为数据机房机柜的备用冷源；压缩空气冷却单元，用于压缩空气并利用所述液化天然气冷量将压缩空气冷却；燃气发电单元，用于燃烧所述气化天然气发电；冷量回收单元、压缩空气冷却单元、燃气发电单元串联；冷量回收单元分别与机房冷却单元、蓄冷单元连接；高温烟气制冷单元，用于制取冷冻水，供数据机房的机柜冷却；低温烟气供热单元，用于制取生活热水；燃气发电单元连接高温烟气制冷单元、高温烟气制冷单元连接低温烟气供热单元。

清洁能源LNG通过冷量回收单元回收冷量，并得到气化天然气，回收的冷量用来冷却压缩空气，存储冷量作为数据机房的备用冷量，冷却数据机房，这是该系统的第一阶梯利用。气化得到的天然气和冷却后的压缩空气作为燃气轮机的燃料，燃气轮机推动发电机组进行发电，满足数据中心的用电需求，这是第二阶梯利用。燃气轮机排放的高温烟气回收利用通过烟气型直燃机制取冷冻水，为数据机房提供冷源，这是第三阶梯利用。烟气直燃机排放的低温烟气又被热回收装置回收利用制取生活热水，为数据机房其他区域提供生活生产热水，这是第四阶梯利用。本发明实现了能源的梯级利用，回收的冷量实现了冷却、生产热水、发电的用途。

进一步地，冷量回收单元包括LNG储罐、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、乙二醇泵、乙二醇存储罐、天然气管道、乙二醇管道，所述LNG储罐与第一换热器连接，第一换热器和第二换热器通过天然气管道形成回路，第一换热器和第三换热器通过天然气管道形成回路，第一换热器通过天然气管道连接第四换热器，第四换热器通过天然气管道连接燃气发电单元，乙二醇存储罐通过乙二醇泵与乙二醇管道分别连接第二换热器、第三换热器、第四换热器，第三换热器与第四换热器分别与蓄冷单元依次连接形成第一蓄冷回路与第二蓄冷回路，第三换热器与第四换热器分别与机房冷冻单元依次连接形成第一机房冷冻回路与第二机房冷冻回路，第二换热器、压缩空气冷却单元依次连接形成压缩空气回路，第一蓄冷回路、第二蓄冷回路、第一机房冷冻回路、第二机房冷冻回路、压缩空气回路的管道均为乙二醇管道。

本冷量回收单元采用了两个循环，一个是天然气多次自增压、自加热气化循环；另一个是乙二醇载冷、蓄冷循环。这两个循环通过第二换热器、第三换热器、第四换热器联系起来。第二换热器、第三换热器、第四换热器的一次侧均为乙二醇，二次侧均为气态天然气。它们的作用是使天然气冷量传给乙二醇，乙二醇存储后再进行对其他单元的输送。在天然气的多次自加热气化循环中，第一换热器的一次侧为气化天然气，二次侧为LNG。天然气既是使出冷量的工质，也是传递冷量的载体，循环流动的天然气对于低温罐内的液态天然气来说是一种气体载冷剂。这样避免了低温液态天然气与液体载冷剂乙二醇的直接换热。因为乙二醇和液态天然气换热有极大的换热温差，这样会增加换热的火用损失，且饱和天然气的沸腾换热会使得载冷剂乙二醇由于温度过低而被冻结，堵塞换热器流道，使得整个回收单元不能正常运转。在乙二醇载冷蓄冷循环中，天然气的冷量通过第二换热器、第三换热器、第四换热器传递给了乙二醇溶液，乙二醇溶液是一种无色、无味、不腐蚀、化学性质稳定、无污染且价格便宜的“绿色”载冷剂，采用浓度为60%的乙二醇溶液，其凝固点低于-30摄氏度，且具有较大的比热容，因此是一种理想的载冷剂。乙二醇存储罐起到蓄冷的作用，可以将富裕的冷量存储起来，解决当冷量需求和液化天然气消耗量不平衡时带来的冷量不足或冷量过多的问题，同时也可以向其它单元供应冷量，提高LNG冷量回收的利用效率。

进一步地，机房冷却单元包括实现乙二醇与冷冻水热交换的第五换热器、定压罐、冷冻水泵、机柜，所述第五换热器乙二醇侧的入口段分别连通第三换热器与第四换热器，第五换热器乙二醇侧出口段连接分别连通第三换热器与第四换热器，第五换热器冷冻水侧出口段通过冷冻水泵连接机柜，第五换热器冷冻水侧入口段连接机柜，所述定压罐接入第五换热器冷冻水侧出口段与冷冻水泵之间。

进一步地，压缩空气冷却单元为表冷器。对于空气冷却则应用表冷器，解决空气冷却过程中大量冷凝水回收的问题，提高系统的稳定性。

进一步地，燃气发电单元包括燃气轮机与发电机，燃气轮机的输入端连接第四换热器与表冷器，输出端连接发电机。气化后的天然气以及经表冷器冷却的压缩空气进入燃气轮机进行燃烧，推动发电机进行发电，满足数据机房电力需求。此方式下燃气轮机发电效率能增加10%—15%，能源利用效率大大提高。

进一步地，高温烟气制冷单元包括烟气型直燃机、冷冻水泵与机柜，烟气型直燃机的输入端连接燃气轮机，用于接受发电时的高温烟气制取冷冻水并输出，所述烟气型直燃机的输出端通过冷冻水泵连接至机柜，达到冷却机房的效果。

进一步地，低温烟气供热单元包括热回收装置与热水箱，热回收装置的输入端与烟气型直燃机连接，用于接受烟气型直燃机制取冷冻水时的低温烟气后加热，热回收装置的输出端连接热水箱，满足数据机房的热水需求。

进一步地，高温烟气制冷单元还包括余热锅炉，用于余热的回收，所述余热锅炉输入端连接燃气轮机，输出端连接烟气型直燃机。燃气轮机可以与直燃机直接连接，也可以通过余热锅炉间接连接，余热锅炉的作用是回收余热。

进一步地，第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器均为板翅式换热器，第五换热器为板式换热器。为了提高换热器换热效率，需要尽量使得冷量回收单元的温度分布最佳，并且换热器中工质流量较大，为了控制其流速在许可的范围内，达到良好的换热效果，所以第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器均为板翅式换热器，板翅式换热器具有传递热效率高、紧凑、轻巧、适用性大等优点。而乙二醇与冷冻水的换热要求不如冷量回收单元严格，使用板式换热器，板式换热器包括板翅式换热器。

本发明的有益效果为：（1）采用绿色清洁能源LNG作为分布式能源系统的燃料，清洁环保。

（2）设计多次自增压，自加热气化循环的LNG回收系统回收LNG气化天然气过程中的冷能，并冷却压缩空气，使燃气轮机发电效率增加10%—15%，能源利用效率大大提高。

（3）设计多次自增压，自加热气化循环的LNG回收系统回收LNG气化天然气过程中的冷能，对一小部分冷能进行蓄冷，作为数据机房备用冷源，大部分用于数据机房冷却，避免了数据机房单独设置冷却系统带来的能耗增加，投资运行费用增加，占地面积增加等一系列问题。

（4）回收LNG冷能的天然气分布式能源系统，充分利用燃料物化过程中的大量免费冷能，进行全过程多级阶梯式高效利用，以最少的投资，最大的节能性实现了大型数据机房冷热电需求，同时系统更加可靠和灵活，更加高效环保。

附图说明

图1为数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统单元结构图

图2为数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统结构原理图

图3为数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统结构图

图中包括LNG储罐1、第一换热器2、第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5、第一乙二醇泵6、第二乙二醇泵7、蓄冷单元8、表冷器9、燃气轮机10、发电机11、第五换热器12、定压罐13、机柜14、热水箱15、烟气型直燃机16、热回收装置17、冷冻水泵18、乙二醇存储罐19、第三乙二醇泵20。

具体实施方式

图1所示，数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统包括冷量回收单元、机房冷却单元、蓄冷单元、压缩空气单元、燃气发电单元、高温烟气制冷单元、低温烟气供热单元。它们的连接关系为冷量回收单元分别与机房冷却单元、蓄冷单元、压缩空气冷却单元连接，压缩空气冷却单元连接燃气发电单元，燃气发电单元连接高温烟气制冷单元，高温烟气制冷单元连接低温烟气供热单元。它们的用途分别为：冷量回收单元用于制取气化天然气并提取液化天然气冷量，机房冷却单元，用于将所述冷量供数据机房冷却使用，蓄冷单元，用于将所述冷量储存作为数据机房的备用冷源，压缩空气冷却单元，用于压缩空气并利用所述冷量将压缩空气冷却，燃气发电单元，用于燃烧所述气化天然气发电，高温烟气制冷单元用于制取冷冻水，供数据机房冷却，低温烟气供热单元，用于制取生活热水。

以上单元构成的系统的工作原理如图2所示，清洁能源LNG通过冷量回收单元回收冷量，并得到气化天然气，回收的冷量用来冷却压缩空气，存储冷量作为数据机房的备用冷量，冷却数据机房，这是该系统的第一阶梯利用。气化得到的天然气和冷却后的压缩空气作为燃气轮机的燃料，燃气轮机推动发电机组进行发电，满足数据中心的用电需求，这是第二阶梯利用。燃气轮机排放的高温烟气回收利用通过烟气型直燃机，烟气型直燃机再通过冷冻水泵制取冷冻水，为数据机房提供冷源，这是第三阶梯利用。烟气直燃机排放的低温烟气又被热回收装置回收利用制取生活热水，为数据机房其他区域提供生活生产热水，这是第四阶梯利用。本发明实现了能源的梯级利用，回收的冷量实现了冷却、生产热水、发电的用途。

图3为实现该系统提供了一种构造方式。

冷量回收结构采用了两个循环，一个是天然气多次自增压、自加热气化循环；另一个是乙二醇载冷、蓄冷循环。这两个循环通过第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5联系起来。第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5的一次侧均为乙二醇，二次侧均为气态天然气。它们的作用是使天然气冷量传给乙二醇，乙二醇存储后再进行对其他单元的输送。在天然气的多次自加热气化循环中，第一换热器2的一次侧为气化天然气，二次侧为LNG。天然气既是使出冷量的工质，也是传递冷量的载体，循环流动的天然气对于低温罐内的液态天然气来说是一种气体载冷剂。这样避免了低温液态天然气与液体载冷剂乙二醇的直接换热。因为乙二醇和液态天然气换热有极大的换热温差，这样会增加换热的火用损失，且饱和天然气的沸腾换热会使得载冷剂乙二醇由于温度过低而被冻结，堵塞换热器流道，使得整个回收单元不能正常运转。在乙二醇载冷蓄冷循环中，天然气的冷量通过第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5传递给了乙二醇溶液，乙二醇溶液是一种无色、无味、不腐蚀、化学性质稳定、无污染且价格便宜的“绿色”载冷剂，采用浓度为60%的乙二醇溶液，其凝固点低于-30摄氏度，且具有较大的比热容，因此是一种理想的载冷剂。乙二醇存储罐19起到蓄冷的作用，可以将富裕的冷量存储起来，解决当冷量需求和液化天然气消耗量不平衡时带来的冷量不足或冷量过多的问题，同时也可以向其它单元供应冷量，提高LNG冷量回收的利用效率。另外，第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器优选为板翅式换热器，为了提高换热器换热效率，需要尽量使得冷量回收单元的温度分布最佳，并且换热器中工质流量较大，为了控制其流速在许可的范围内，达到良好的换热效果，所以第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器均为板翅式换热器，板翅式换热器具有传递热效率高、紧凑、轻巧、适用性大等优点。

冷量回收结构是实现以下功能结构的基石，以下分别介绍实现各个功能的结构。

实现机房冷却的结构：LNG储罐1与第一换热器2连接，第一换热器2和第二换热器3通过天然气管道形成回路，第一换热器2和第三换热器4通过天然气管道形成回路，乙二醇存储罐19通过第三乙二醇泵20与乙二醇管道分别连接第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5，第五换热器12乙二醇侧的入口段分别连通第三换热器4与第四换热器5，第五换热器12乙二醇侧出口段连接分别连通第三换热器4与第四换热器5，第五换热器12冷冻水侧出口段通过冷冻水泵18连接机柜14，第五换热器12冷冻水侧入口段连接机柜14，所述定压罐13接入第五换热器12冷冻水侧出口段与冷冻水泵18之间。

实现蓄冷的结构：LNG储罐1与第一换热器2连接，第一换热器2和第二换热器3通过天然气管道形成回路，第一换热器2和第三换热器4通过天然气管道形成回路，乙二醇存储罐19通过第三乙二醇泵20与乙二醇管道分别连接第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5，第三换热器4与第四换热器5分别与蓄冷单元8依次连接形成第一蓄冷回路与第二蓄冷回路。设计多次自增压，自加热气化循环的LNG回收系统回收LNG气化天然气过程中的冷能，对一小部分冷能进行蓄冷，作为数据机房备用冷源，大部分用于数据机房冷却，避免了数据机房单独设置冷却系统带来的能耗增加，投资运行费用增加，占地面积增加等一系列问题。

实现压缩空气冷却的结构：LNG储罐1与第一换热器2连接，第一换热器2和第二换热器3通过天然气管道形成回路，第一换热器2和第三换热器4通过天然气管道形成回路，乙二醇存储罐19通过第三乙二醇泵20与乙二醇管道分别连接第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5。第二换热器3、表冷器9依次连接形成压缩空气回路。对于空气冷却应用表冷器9，解决空气冷却过程中大量冷凝水回收的问题，提高系统的稳定性。实现压缩空气冷却为接下来的发电做好准备。

实现发电的结构：LNG储罐1与第一换热器2连接，第一换热器2和第二换热器3通过天然气管道形成回路，第一换热器2和第三换热器4通过天然气管道形成回路，乙二醇存储罐19通过第三乙二醇泵20与乙二醇管道分别连接第二换热器3、第三换热器4、第四换热器5，第一换热器2通过天然气管道连接第四换热器5，第四换热器5通过天然气管道连接燃气轮机10，且燃气轮机10的输入端连接第四换热器5与表冷器9，输出端连接发电机11。气化后的天然气以及经表冷器9冷却的压缩空气进入燃气轮机10进行燃烧，推动发电机进行发电，满足数据机房电力需求。此方式下燃气轮机发电效率能增加10%—15%，能源利用效率大大提高。

发电时的高温烟气制取冷冻水的结构：烟气型直燃机16的输入端连接燃气轮机10，用于接受发电时的高温烟气制取冷冻水并输出，烟气型直燃机16的输出端通过冷冻水泵18连接至机柜，达到冷却机柜14的效果。另一种可行的方法是使用余热锅炉，用于余热的回收。余热锅炉输入端连接燃气轮机10，输出端连接烟气型直燃机16。燃气轮机10可以与烟气型直燃机16直接连接，也可以通过余热锅炉间接连接。

烟气型直燃机的低温烟气制取热水的结构：热回收装置17的输入端与烟气型直燃机16连接，用于接受烟气型直燃机制取冷冻水时的低温烟气后加热，热回收装置17的输出端连接热水箱15，满足数据机房的热水需求。

回收LNG冷能的天然气分布式能源系统，充分利用绿色清洁能源LNG物化过程中的大量免费冷能，进行全过程多级阶梯式高效利用，以最少的投资，最大的节能性实现了大型数据机房冷热电需求，同时系统更加可靠和灵活，更加高效环保。

Claims (8)

1.一种用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，包括用于制取气化天然气并提取液化天然气冷量的冷量回收单元，其特征在于，还包括：

机房冷却单元，用于将所述液化天然气冷量提供数据机房的机柜冷却使用；

蓄冷单元，用于将所述液化天然气冷量储存作为数据机房的机柜的备用冷源；

压缩空气冷却单元，用于压缩空气并利用所述液化天然气冷量将压缩空气冷却；

燃气发电单元，用于燃烧所述气化天然气发电；

冷量回收单元、压缩空气冷却单元、燃气发电单元串联；

冷量回收单元分别与机房冷却单元、蓄冷单元连接；

高温烟气制冷单元，用于制取冷冻水，供数据机房的机柜冷却；

低温烟气供热单元，用于制取生活热水；

燃气发电单元连接高温烟气制冷单元、高温烟气制冷单元连接低温烟气供热单元；

所述冷量回收单元包括LNG储罐（1）、第一换热器（2）、第二换热器（3）、第三换热器（4）、第四换热器（5）、第一乙二醇泵（6）、乙二醇存储罐（19）、天然气管道、乙二醇管道，所述LNG储罐（1）与第一换热器（2）连接，所述第一换热器（2）和第二换热器（3）通过天然气管道形成回路，所述第一换热器（2）和第三换热器（4）通过天然气管道形成回路，第一换热器（2）通过天然气管道连接第四换热器（5），第四换热器（5）通过天然气管道连接燃气发电单元，乙二醇存储罐（19）通过第三乙二醇泵(20)与乙二醇管道分别连接第二换热器（3）、第三换热器（4）、第四换热器（5），第三换热器（4）与第四换热器（5）分别与蓄冷单元依次连接形成第一蓄冷回路与第二蓄冷回路，第三换热器（4）与第四换热器（5）分别与机房冷冻单元依次连接形成第一机房冷冻回路与第二机房冷冻回路，第二换热器（3）、压缩空气冷却单元依次连接形成压缩空气回路，所述第一蓄冷回路、第二蓄冷回路、第一机房冷冻回路、第二机房冷冻回路、压缩空气回路的管道均为乙二醇管道；第二换热器（3）、第三换热器（4）、第四换热器（5）的一次侧均为乙二醇，二次侧均为气态天然气，作用是使气态天然气冷量传给乙二醇。

2.根据权利要求1所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述机房冷却单元包括实现乙二醇与冷冻水热交换的第五换热器（12）、定压罐（13）、冷冻水泵（18）、机柜（14），所述第五换热器（12）的乙二醇侧的入口段分别连通第三换热器（4）与第四换热器（5）， 第五换热器（12）的乙二醇侧出口段连接分别连通第三换热器（4）与第四换热器（5），第五换热器（12）的冷冻水侧出口段通过冷冻水泵（18）连接机柜（14），第五换热器（12）的冷冻水侧入口段连接机柜，所述定压罐（13）接入第五换热器（12）的冷冻水侧出口段与冷冻水泵（18）之间。

3.根据权利要求1所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述压缩空气冷却单元为表冷器（9）。

4.根据权利要求3所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述燃气发电单元包括燃气轮机（10）与发电机（11），所述燃气轮机的输入端连接第四换热器（5）与表冷器（9），输出端连接发电机（11）。

5.根据权利要求4所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述高温烟气制冷单元包括烟气型直燃机（16）、冷冻水泵（18）与机柜（14），所述烟气型直燃机（16）的输入端连接燃气轮机（10），用于接受发电时的高温烟气制取冷冻水并输出，所述烟气型直燃机（16）的输出端通过冷冻水泵（18）连接至机柜（14）。

6.根据权利要求5所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述低温烟气供热单元包括热回收装置（17）与热水箱（15），所述热回收装置（17）的输入端与烟气型直燃机（16）连接，用于接受烟气型直燃机制取冷冻水时的低温烟气后加热，热回收装置（17）的输出端连接热水箱（15）。

7.根据权利要求4所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述高温烟气制冷单元还包括余热锅炉，用于余热的回收，所述余热锅炉输入端连接燃气轮机（10），输出端连接烟气型直燃机（16）。

8.根据权利要求1所述的用于数据机房的LNG冷能回收分布式能源系统，其特征在于，所述第一换热器（2）、第二换热器（3）、第三换热器（4）、第四换热器（5）均为板翅式换热器，第五换热器（12）为板式换热器。