CN108613305B - 一种液化天然气冷能综合利用系统和方法 - Google Patents

一种液化天然气冷能综合利用系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种LNG冷能的综合利用系统，所述综合利用系统包括彼此相连的LNG冷能海水脱盐融冰系统和淡水蓄水池，还包括彼此相连的数据中心空调系统和空调蓄冷水池；由所述空调蓄冷水池出发的空调冷冻水管，先通至所述淡水蓄水池内的空调冷冻水冷却盘管，再通至所述LNG冷能海水脱盐融冰系统融冰槽内的空调冷冻水冷却盘管，最后返回所述空调蓄冷水池，形成空调冷冻水冷却循环管路。本发明克服了现有技术的缺陷，充分利用LNG气化过程所释放的大量冷能和数据中心释放的大量余热，最终得到满足部分工农业生产或民用要求的淡水资源，同时保证数据中心的稳定运行并降低其能耗，最大限度地保证工业化生产的连续性并同时降低海水淡化和数据中心的运行成本。

Description

一种液化天然气冷能综合利用系统和方法
技术领域
本发明涉及油气储运、工程热物理、海洋资源利用技术、水处理技术、建筑环境与能源应用工程的交叉领域，具体涉及了一种液化天然气(LNG)冷能用于海水淡化和数据中心空调的冷能综合利用系统和方法。
背景技术
LNG是常压、低温(-162℃)下的液态天然气，在进入管道输送、用作燃料或化工原料之前均需气化后使用，LNG气化时理论上会释放830kJ/kg的冷能。进口LNG接收站一般建在海港附近，LNG气化释放的冷能通常直接排放到海水中，随着接收站规模的不断扩大，大量的冷能对附近海域的生态环境构成影响。若能将这部分冷能用于海水淡化和数据中心空调系统，则既可以减轻LNG冷能对码头附近海域生态环境的影响，又可降低冷冻法海水淡化和数据中心空调系统的能耗，具有节能、节水、减少碳排放、综合利用能源资源的意义。随着天然气在我国一次能源消费结构中所占比重的大幅度提高，沿海地区进口LNG码头发展迅速，这不仅为LNG冷能利用产业的发展提供了可能性，也使其成为必然的要求。
作为互联网、云计算和大数据等产业的重要基础设施之一，数据中心的迅猛发展更是史无前例。数据中心的能耗不但包括IT设备的能耗，还包括空调制冷系统、电源系统和照明系统等辅助设施的能耗。其中，空调系统能耗占数据中心总能耗的比例约为40％，占比仅次于IT设备能耗。因此，降低空调系统能耗是提高数据中心能效、降低其运行成本的关键。数据中心全年运行、密集排列的IT设备散热使其成为一个全年基本稳定的热源，而空调耗能则主要用于维持数据机房的温湿度，排除设备散热，其特点是需要全年运行并提供全年基本恒定的冷量。
冷冻法脱盐作为海水淡化的方法之一，冷源可以采用天然冷源和人工冷源，前者受地理气候条件所限，难以大范围工业化采用，后者需要消耗大量的能源(制冷过程往往需要消耗高品位的电能)。LNG接收站能够为采用冷冻法海水淡化提供低成本的冷源，但基于冷冻法的海水淡化过程中冷能只是被转移至海水，用于海水相变从而分离盐分和水，冷能本身并不被消耗。如果要得到产品水，仍然需要将被冷冻及脱盐的冰融化为淡水。因此现有高脱盐率的海水淡化技术中的复合脱盐过程仍然需要有热源，这个热源可以是天然热源如海水或空气，也可以是余废热能或消耗一部分其他能源，如采用电能的微波处理或采用其他热源营造一个稳定的热环境。采用天然热源受制于自然环境及气候变化，难以人工加以控制，消耗一部分其他能源难免增加淡化海水的成本。因此，充分利用数据机房全年稳定的余热作为基于冷冻法的复合海水淡化工艺热源，是十分理想的工业余冷及余热综合利用方式。
专利文献CN104891593A“一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化方法及装置”及专利文献CN205953579U“一种基于LNG冷能海水淡化的工艺模拟装置”均采用了重力脱盐工艺，虽然脱盐率高，但需要通过消耗能源创造一个高温环境或利用冰与环境的温度差在自然环境中对冰进行加热使其部分融化。如果利用自然温差，环境温度直接影响冰体的融化速度进而使得脱盐工艺不可控，中国北方地区冬季环境温度较低，利用自然热源进行重力脱盐会使得脱盐过程非常缓慢。利用能源进行加热更易于控制并提高脱盐工艺的速度，但如果用常规加热方式提高温度进行重力脱盐过程，不免造成能源的浪费。专利文献CN206915896U“一种基于液化天然气冷能的冷冻-微波-离心复合海水淡化装置”采用微波处理替代了自然环境中的自然融化，虽然能够提高融化速率并且比其他加热方法效率高，但仍然需要增加运行成本。专利文献CN206858344U“基于液化天然气冷能的海水淡化系统”通过在冰片中加入一定量的天然海水加速部分冰融化并降低冰片表面附着的卤水黏度，进而通过离心脱盐将卤水与冰分离，提高冰的纯度。
虽然上述现有技术能够有效地降低复合脱盐的成本，但只有得到淡水这一单一效果，且由于现有技术均需要热量融化淡水冰而获得产品水，仍然需要考虑热源的问题。
发明内容
本发明的目的旨在提升现有技术的效果，提出一种将LNG冷能用于海水淡化和数据中心空调的冷能综合利用系统和方法，以充分利用LNG气化过程所释放的大量冷能和数据中心释放的大量余热，最终得到满足部分工农业生产或民用要求的淡水资源，同时保证数据中心的稳定运行并降低其能耗，最大限度地保证工业化生产的连续性并同时降低海水淡化和数据中心的运行成本。
具体而言，本发明提供了一种LNG冷能的综合利用系统，所述综合利用系统包括彼此相连的LNG冷能海水脱盐融冰系统和淡水蓄水池，还包括彼此相连的数据中心空调系统和空调蓄冷水池。
由所述空调蓄冷水池出发的空调冷冻水管，先通至所述淡水蓄水池内的空调冷冻水冷却盘管，再通至所述LNG冷能海水脱盐融冰系统融冰槽内的空调冷冻水冷却盘管，最后返回所述空调蓄冷水池，形成空调冷冻水冷却循环管路。
本发明通过对由所述空调蓄冷水池出发的空调冷冻水冷却循环管路流经的装置顺序进行优化，可以确保将从数据中心空调系统释放的热能以及LNG气化过程释放的冷能进行高效、充分的利用，从而实现节能和工业化实用性的效果。
本发明所述LNG冷能海水脱盐融冰系统可采用现有技术已知的技术方案。作为本发明的优选方案之一，所述LNG冷能海水脱盐融冰系统包括顺次相连的利用LNG冷能的二次冷媒冷却器、海水片冰机、过滤式离心脱盐装置以及融冰槽；所述融冰槽的淡水出口与所述淡水蓄水池相连。
本发明所述二次冷媒冷却器为板式冷却器，冷却器内设置天然气通道和二次冷媒通道，所述二次冷媒通道的出口连接于所述海水片冰机。所述二次冷媒可采用有相变循环，也可采用无相变循环。冷媒应当尽可能选用稳定、无毒的单一介质或混合介质，有相变循环二次冷媒工作压力下的相变温度应符合系统要求。所述二次冷媒冷却器通过二次冷媒管路连接于储液罐，所述二次冷媒管路上设置有二次冷媒泵和逆止阀。
本发明所述海水片冰机设置有海水入口。本发明优选所述融冰槽内部设有原海水冷却盘管，海水供应管路经由位于所述融冰槽内部的原海水冷却盘管后与所述海水片冰机的海水入口相连，从而实现对海水的预冷并提高片冰机的产冰率。当所述LNG冷能海水脱盐融冰系统内设有浓海水回收系统时，所述浓海水回收系统内部也可以设置原海水冷却盘管，海水供应管路可依次经由所述浓海水回收系统以及融冰槽内部的原海水冷却盘管后与所述海水片冰机的海水入口相连。
本发明所述海水片冰机可以通过重力脱盐室后与所述过滤式离心脱盐装置连接。所述重力脱盐室内的温度可根据工艺需要直接采用海水维持。本发明还可以将所述空调冷冻水冷却循环管路的旁路通入所述重力脱盐室，以使得所述重力脱盐室可采用数据中心空调冷冻水回水保持脱盐室内温度基本稳定。
本发明所述海水片冰机也可以直接与过滤式离心脱盐装置连接，这种情况下，所述过滤式离心脱盐装置应设有海水入口，以便于在离心机内形成冰水混合物，促进后续脱盐、融化过程的进行。
本发明所述过滤式离心脱盐装置具有圆筒形外壳，外壳内有圆筒形筛网，外壳和筛网之间为液体回收区域，所述液体回收区域通过管路连接有浓海水回收箱。所述过滤式离心脱盐装置与融冰槽相连。
本发明所述融冰槽内设有空调冷冻水冷却盘管，用于降低空调蓄冷水池内的冷冻水温度，同时利用从空调系统中释放的热量融化所产淡水冰，得到淡水。
所述淡水蓄水池内也设有空调冷冻水冷却盘管，用于降低空调蓄冷水池内的冷冻水温度，同时回收所产淡水中的冷量。
本发明所述空调蓄冷水池通过管路与数据中心空调系统连接，为数据中心提供冷量用于带走IT设备排出的热量，维持数据中心IT机房的温湿度恒定。
本发明提供的系统还可以进一步包括电制冷机。所述空调蓄冷水池同时与电制冷机连接，当冷冻水蓄水池内水温高于设定值时，可以启动电制冷系统以保障蓄冷水池内水温维持稳定。所述电制冷机是数据中心空调系统的辅助冷源，当海水淡化系统所提供的冷能不能满足排除数据中心余热而导致蓄冷水池内水温升高时采用电制冷系统进一步冷却蓄水池温度，或当海水淡化系统故障时直接向数据中心空调系统供冷，以维持数据中心IT机房的温湿度恒定。
由于常规数据中心空调系统采用电制冷机作为冷源，并设置水蓄冷系统作为制冷系统故障时的安全保障冷源，其运行顺序为冷机优先；本发明提供的方法采用LNG冷能则有条件将冷源运行顺序更改为LNG冷能优先，电制冷机作为LNG气化系统或海水淡化系统故障时的安全保障冷源，就可以在实现节能的同时保障数据中心的安全运行。同时，数据中心释放的热量为海水淡化工艺(主要是融冰过程)提供了稳定的热源。
本发明所得到的浓海水经过浓海水回收系统回收处理后，可以进一步加工利用，如输送至制盐或盐化工厂。
本发明同时提供了利用上述系统进行LNG冷能综合利用的方法。
该方法的核心在于：将LNG冷能用于海水制冰及盐-水分离，同时将数据中心空调系统释放的热量由空调循环冷冻水输送至海水脱盐融冰系统作为所需热源，在所述海水脱盐融冰过程中所述空调循环冷冻水经热交换后被冷却，从而携带LNG冷能用作数据中心空调系统的冷源。
本发明提供的系统及方法利用低成本的LNG冷能可同时作为基于冷冻过程的海水复合淡化工艺及数据中心空调系统所需冷源。LNG冷能首先用于海水冷冻结冰的相变过程，采用数据中心IT设备散热作为基于冷冻过程的海水复合淡化工艺所需热源，在得到淡化海水的同时将LNG气化过程所释放的冷能转移至数据中心空调系统，用于降低冷冻水温度，以维持数据中心IT机房的温湿度恒定。本发明所提出的LNG冷能综合利用方法和系统可以在充分利用LNG冷能得到淡化海水的同时，保障数据中心IT机房的温湿度环境，同时降低海水淡化工艺和数据中心空调系统的运行能耗、减少碳排放和对LNG接收站附近海域的冷污染。本发明提供的系统便于控制，步骤简单、节能环保，缩短工艺时间，可同时降低海水淡化工艺和数据中心空调系统运行成本，具有极强的工业推广价值。
附图说明
图1为本发明LNG冷能用于冷冻-重力-离心复合海水淡化工艺和数据中心空调的冷能综合利用系统。
图2为本发明适用于LNG冷能用于冷冻-重力-离心复合海水淡化工艺和数据中心空调的冷能综合利用系统的重力脱盐室。
图3为本发明LNG冷能用于冷冻-加水-离心复合海水淡化工艺和数据中心空调的冷能综合利用系统。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种LNG冷能的综合利用系统，具体如图1所示；
所述综合利用系统包括彼此相连的LNG冷能海水脱盐融冰系统和淡水蓄水池；其中，所述LNG冷能海水脱盐融冰系统包括顺次相连的利用LNG冷能的二次冷媒冷却器、海水片冰机、重力脱盐室、过滤式离心脱盐装置以及融冰槽；所述融冰槽的淡水出口与所述淡水蓄水池相连；其中，所述二次冷媒冷却器为板式冷却器，冷却器内设置天然气通道和二次冷媒通道，所述二次冷媒通道的出口与所述海水片冰机相连；所述海水片冰机设置有海水入口；所述海水片冰机经过重力脱盐室后与所述过滤式离心脱盐装置连接；空调冷冻水冷却循环管路的旁路通入所述重力脱盐室以维持室内温度(所述重力脱盐室的具体结构如图2所示)；所述过滤式离心脱盐装置与所述融冰槽相连；
所述综合利用系统还包括彼此相连的数据中心空调系统和空调蓄冷水池；
由所述空调蓄冷水池出发的空调冷冻水管，先通至所述淡水蓄水池内的空调冷冻水冷却盘管，再通至所述LNG冷能海水脱盐融冰系统融冰槽内的空调冷冻水冷却盘管，最后返回所述空调蓄冷水池，形成空调冷冻水冷却循环管路；
所述综合利用系统还包括电制冷机，作为辅助冷源与所述空调蓄冷水池和/或数据中心空调系统相连。
实施例2
本实施例提供了一种LNG冷能的综合利用系统，具体如图3所示；与实施例1相比，区别仅在于：所述LNG冷能海水脱盐融冰系统不设置重力脱盐室；所述过滤式离心脱盐装置设有海水入口，所述海水片冰机直接与所述设有海水入口的过滤式离心脱盐装置连接。
实施例3
本实施例提供了利用实施例1或实施例2提供的系统进行综合利用的方法。
以单位质量流量的LNG为例：用于海水淡化的LNG流量为1t/h时，所释放出的冷量为232.5kW。
当原海水温度为25℃时，可产冰1.9t/h。
采用冷冻-重力-离心复合海水淡化系统(即实施例1提供的系统)，当Cl-脱除率为90.11％时，淡化水产量为0.722t/h；当Cl-脱除率为99.8％时，淡化水产量为0.055t/h。
采用冷冻-加水-离心复合海水淡化系统(即实施例2提供的系统)，当加水温度为11℃、Cl-脱除率为90.4％时，淡化水产量为1.092t/h。
当空调系统从海水淡化系统回收70％的冷量用于数据中心供冷，且数据中心的冷负荷为1kW/m2，可作为162m2数据中心空调系统的冷源。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验数据，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种LNG冷能的综合利用系统，其特征在于，所述综合利用系统包括彼此相连的LNG冷能海水脱盐融冰系统和淡水蓄水池，还包括彼此相连的数据中心空调系统和空调蓄冷水池；
由所述空调蓄冷水池出发的空调冷冻水管，先通至所述淡水蓄水池内的空调冷冻水冷却盘管，再通至所述LNG冷能海水脱盐融冰系统的融冰槽内的空调冷冻水冷却盘管，最后返回所述空调蓄冷水池，形成空调冷冻水冷却循环管路；
所述空调蓄冷水池通过管路与数据中心空调系统连接，为数据中心提供冷量，用于带走IT设备排出的热量，维持数据中心IT机房的温湿度恒定；
所述LNG冷能海水脱盐融冰系统包括顺次相连的利用LNG冷能的二次冷媒冷却器、海水片冰机、过滤式离心脱盐装置以及融冰槽；所述融冰槽的淡水出口与所述淡水蓄水池相连；
所述LNG冷能海水脱盐融冰系统还包括重力脱盐室，所述海水片冰机经过重力脱盐室后与所述过滤式离心脱盐装置连接；
所述空调冷冻水冷却循环管路的旁路通入所述重力脱盐室内。
2.根据权利要求1所述的综合利用系统，其特征在于，所述二次冷媒冷却器为板式冷却器，冷却器内设置天然气通道和二次冷媒通道，所述二次冷媒通道的出口与所述海水片冰机相连。
3.根据权利要求1所述的综合利用系统，其特征在于，所述海水片冰机以及过滤式离心脱盐装置分别设置有海水入口；所述海水片冰机直接与所述设置有海水入口的过滤式离心脱盐装置相连；所述过滤式离心脱盐装置与所述融冰槽相连。
4.根据权利要求3所述的综合利用系统，其特征在于，所述LNG冷能海水脱盐融冰系统内设有浓海水回收系统；所述浓海水回收系统内部以及融冰槽内部均设有原海水冷却盘管；
海水供应管路依次经由所述浓海水回收系统及融冰槽内的原海水冷却盘管后与所述海水片冰机的海水入口相连。
5.一种利用权利要求1~4任意一项所述装置对LNG冷能进行综合利用的方法。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将LNG冷能用于海水制冰及盐-水分离，同时将数据中心空调系统释放的热量由空调循环冷冻水输送至海水脱盐融冰系统，在所述海水脱盐融冰过程中所述空调循环冷冻水经热交换后被冷却，从而携带LNG冷能用作数据中心空调系统的冷源。
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