CN114216046A - 一种lng冷能与数据中心供冷耦合系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，包括LNG接收站储罐、ORV汽化器、海水泵、第一换热器、冷媒储罐、第二换热器、LNG应急气源站储罐、第三换热器、空温式汽化器、蓄水罐和第四换热器；LNG接收站储罐连接至ORV汽化器的天然气进口，ORV汽化器的天然气出口连接至燃气管网；海水通过海水泵连接至ORV汽化器的海水进口，ORV汽化器的海水出口连接至第一换热器的海水进口；LNG应急气源站储罐连接至第三换热器的天然气进口，第三换热器的天然气出口通过空温式汽化器连接至燃气管网；蓄水罐顶部布水器连接至第三换热器的进水口。本发明的有益效果是：LNG汽化时将本应排入海中的冷能，通过换热设备收集后，作为数据中心空调机组冷源使用。

Description

一种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统及方法
技术领域
本发明涉及一种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统及方法，属于LNG冷能利用技术领域。
背景技术
天然气的主要成分是甲烷,在常压下将甲烷降至-162℃(甲烷的沸点)时,甲烷就被液化，每立方米的甲烷液化后体积变为0.0024m3,约为甲烷0℃常压下体积的1/600。甲烷液化后,其体积显著变小。LNG接收站就是利用甲烷的这一显著特点,在天然气的产地附近将天然气液化,然后利用其液化后体积变小、利于运输的特点,将天然气以LNG的形式输送至接收站进行储存、气化和外输至用户。
LNG接收站需要将LNG气化后输送给用户。LNG气化后被还原为初始的气体状态,可以作为热力发电的燃料和城市居民用气。在LNG气化过程中,约能产生870kJ/kg的低温能量。目前,这种冷能大部分被释放到海水中或者空气中。如果将这些能量利用起来,就可以节省巨大的能源。因此,从节约能源的角度,积极寻求和高效利用冷能量有着重要意义。
LNG冷能利用技术分为直接利用和间接利用。直接利用技术包括空气分离、低温发电、轻烃回收、液态乙烯储存、冷冻仓库、干冰制备、海水淡化、蓄冷等。间接利用技术包括冷冻食品、低温医疗、冷冻干燥、污水处理、低温粉碎等。
数据中心作为信息化建设基础设施步入快速发展期，同时带来数据中心能源消耗量快速增长。数据中心在运行过程中会产生大量的热量，为消除这些热量，确保数据中心正常运行，需要空调系统提供相应的巨大冷量，导致空调制冷系统消耗大量的电能，与传统建筑空间相比，数据中心散热密度大，单位面积散热量可达传统办公区域的40倍以上，且越来越呈现集中化、大型化的趋势。
传统的数据中心制冷技术主要有水冷冷却和风冷冷却两种形式：
一、常见水冷冷却系统形式为：水冷冷水机组+板式换热器+冷却塔+末端精密空调，机房热量通过精密空调换热由冷冻水传递到冷机，再由冷却水通过冷却塔将热量传递到室外。这种冷却系统在夏季高温工况采用冷水机组制冷，过渡季节工况采用板式换热器+冷水机组联合供冷，冬季工况利用板式换热器+冷却塔自然供冷的模式。这种形式是目前数据中心最为常用也是最为成熟的冷却系统，随着冷水机组、冷却塔、精密空调设备性能和换热效率的提升以及高温服务器技术的改进，数据中心冷冻水温度可提高至18/24℃，大幅增加了目前水冷系统的年平均能效，部分地区年均PUE可低于1.3；而水冷系统最大制约因素是对水资源的消耗较为严重，全年工况下所有的散热量全部通过冷却塔水蒸发形式带走，对城市水资源是一个极大的考验。
二、风冷系统形式主要为以下两种：1.风冷冷水机组+末端精密空调2.直膨式精密空调+室外机。当数据中心建设制约于水资源的影响时，通常会选择风冷形式，然而两种形式共同的缺点是不适用于大规模建设的数据中心，一是此种方案初投资成本较高，且后续运营能耗高，年均PUE通常达到1.6以上，二是目前大型数据中心单机柜IT功率普遍都达到了8KW及以上，为了应对更高的热密度以及室外设备密集摆放的热堆积效应，需要有大量的室外设备摆放位置的空间位置，土地资源利用率较低。
目前常见的数据中心供冷主要有以下几种技术路线：
1)电驱动机械制冷系统(水冷)
制冷系统由水冷冷水机组+板式换热器+冷却塔+末端精密空调，制冷的工作原理是机房热量通过精密空调换热由冷冻水传递到冷机，冷机再利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换，冷媒系统在吸收水中的热负荷，使水降温产生冷水后﹐通过电驱动制冷压缩机的作用将热量带至壳管式冷凝器，由冷媒与水进行热交换﹐使水吸收热量后通过水管将热量带出外部的冷却塔排放。目前这种制冷系统形式在大规模数据中心应用广泛。
2)风冷直膨式制冷系统
风冷直膨精密空调的制冷系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流器(膨胀阀、毛细管等)四大件组成，蒸发器、压缩机、节流器一般布置在机房内，冷凝器布置在室外。精密空调机组从房间或机柜内吸取热量，气态制冷剂经压缩机转变为高温高压蒸汽，被送至室外风冷冷凝器，经冷却后将热量传到室外空气中。这种制冷系统在小规模数据中心中应用较广泛。
3)天然气分布式能源
天然气分布式能源是指布置在用户附近，以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备向用户供冷。有些数据中心供冷项目采用天然气分布式能源供冷路线。
综上所述，将LNG冷能利用与数据中心供冷相耦合，不仅有助于实现“双碳”目标，还是探索清洁低碳安全高效能源体系的有效路径，更能推动5G等新型基础设施绿色高质量发展。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统及方法。
这种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，包括LNG接收站储罐、ORV汽化器、海水泵、第一换热器、冷媒储罐、第二换热器、LNG应急气源站储罐、第三换热器、空温式汽化器、蓄水罐和第四换热器；
LNG接收站储罐连接至ORV汽化器的天然气进口，ORV汽化器的天然气出口连接至燃气管网；海水通过海水泵连接至ORV汽化器的海水进口，ORV汽化器的海水出口连接至第一换热器的海水进口；第一换热器的冷媒进出口与冷媒储罐连接；第二换热器的冷媒出口连接至冷媒储罐的冷媒进口，冷媒储罐的冷媒出口通过第一水泵连接至第二换热器的冷媒进口；
LNG应急气源站储罐连接至第三换热器的天然气进口，第三换热器的天然气出口通过空温式汽化器连接至燃气管网；蓄水罐顶部布水器连接至第三换热器的进水口，第三换热器的出水口连接至蓄水罐底部布水器；蓄水罐底部布水器连接至第四换热器进水口，第四换热器出水口连接至蓄水罐顶部布水器。
作为优选：ORV汽化器包括底部联管、汽化器管束和顶部联管，顶部联管与底部联管之间设有汽化器管束，ORV汽化器顶部设有溢流装置，ORV汽化器下方设有收集槽。
作为优选：LNG接收站储罐依次通过第一潜液泵和第一高压输送泵连接至ORV汽化器的天然气进口；ORV汽化器的天然气出口依次通过第一调压器和第一流量计连接至煤气管网。
作为优选：海水泵前端设有第一温度计和第二流量计。
作为优选：第一换热器的海水出口连接至第二温度计。
作为优选：LNG应急气源站储罐依次通过第二潜液泵和第二高压输送泵连接至第三换热器的天然气进口；空温式汽化器后端设有第二调压器和第三流量计。
作为优选：蓄水罐顶部布水器依次通过第三温度计和第二水泵连接至第三换热器的进水口。
作为优选：蓄水罐底部布水器依次通过第四温度计和负荷侧水泵连接至第四换热器进水口。
这种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统的LNG接收站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的工作方法，包括以下步骤：
S1、LNG接收站储罐内的LNG由第一潜液泵和第一高压输送泵加压后输送到ORV汽化器；海水经第一温度计测温以及第二流量计计量后，由海水泵引入ORV汽化器；
S2、海水自ORV汽化器顶部的溢流装置依靠重力自上而下均匀覆盖在汽化器管束的表面上与LNG换热，LNG吸收海水中的热量汽化为气态天然气，经过第一调压器调压以及第一流量计计量后送入燃气输气管网；
S3、海水吸收LNG的冷量后进入第一换热器与冷媒进行换热，换热后的海水排入大海中；冷媒储存在冷媒储罐中，第一水泵将冷媒引入第二换热器，通过与空调水系统换热，为数据中心空调提供冷源。
这种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统的LNG应急气源站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的工作方法，包括以下步骤：
S1、LNG应急气源站储罐内的LNG由第二潜液泵和第二高压输送泵加压后输送到第三换热器，第二水泵将蓄水罐上层中的热水引入到第三换热器与LNG进行换热；
S2、LNG与水在第三换热器中换热后再经由空温式汽化器汽化为气态天然气，然后经过第二调压器调压以及第三流量计计量后送入燃气输气管网；第三换热器中的水经换热降温后送至蓄水罐底部布水器；
S3、第二水泵关闭，负荷侧水泵开启，冷水自蓄水罐底部被抽出送往第四换热器，经过吸热后回流至蓄水罐顶部布水器；蓄水罐中的冷水通过与空调水系统换热，为数据中心空调提供冷源。
本发明的有益效果是：
1、LNG接收站储罐内的LNG通过高压输送泵加压后输送到ORV汽化器，ORV汽化器以海水作为汽化媒介，LNG的冷能直接排放到海水中。LNG汽化成气态天然气后，经过调压、计量后经由输气管网外送。LNG接收站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心空调机组冷源使用，实现能量的梯级利用，并降低数据中心能耗。
2、应急调峰站储存的LNG在汽化过程中会排放冷能，潜液泵将储罐内的LNG增压到进入换热器，在换热器中与水换热升高温度，然后在空温式汽化器中与空气换热后转化为气态天然气，最后经调压、计量处理后进入城市输配管网。LNG应急气源站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心空调机组冷源使用，实现能量的梯级利用，并降低数据中心能耗。
3、本发明中，LNG汽化时，将本应排入海中的冷能，通过换热设备收集后，作为数据中心空调机组冷源使用。利用LNG冷能这种免费冷源，可以大幅度降低数据中心的运行费用，同时由于免去了冷水机组和冷却塔及其配套设备，还可以大幅度降低数据中心的初投资。
4、LNG冷能耦合水蓄冷技术作为数据中心空调机组冷源使用，使间歇性的LNG冷能能够持续地供数据中心供冷利用，并降低数据中心能耗。应急气源站中LNG的汽化过程是根据工艺要求而定的，是间歇不连续的。水蓄冷系统通过LNG换热设备将间歇性的冷量储存于蓄能水罐中，持续性的向数据中心供冷。
附图说明
图1为LNG接收站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的系统示意图；
图2为ORV汽化器工作原理示意图；
图3为LNG应急气源站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的系统示意图；
图4为蓄水罐的自然分层水蓄冷原理图；
图5为蓄水罐的自然分层水蓄冷曲线图。
附图标记说明：LNG接收站储罐1、第一潜液泵2、第一高压输送泵3、ORV汽化器4、第一调压器5、第一流量计6、第一温度计7、第二流量计8、海水泵9、第一换热器10、第二温度计11、冷媒储罐12、第一水泵13、第二换热器14、收集槽15、底部联管16、汽化器管束17、溢流装置18、顶部联管19、LNG应急气源站储罐20、第二潜液泵21、第二高压输送泵22、第三换热器23、空温式汽化器24、第二调压器25、第三流量计26、蓄水罐27、第三温度计28、第二水泵29、第四温度计30、负荷侧水泵31、第四换热器32。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种LNG接收站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的系统：LNG接收站储罐1依次通过第一潜液泵2和第一高压输送泵3连接至ORV汽化器4的天然气进口；ORV汽化器4的天然气出口依次通过第一调压器5和第一流量计6连接至燃气管网；海水依次通过第一温度计7、第二流量计8和海水泵9连接至ORV汽化器4的海水进口，ORV汽化器4的海水出口连接至第一换热器10的海水进口，第一换热器10的海水出口连接至第二温度计11；第一换热器10的冷媒进出口与冷媒储罐12连接；第二换热器14的冷媒出口连接至冷媒储罐12的冷媒进口，冷媒储罐12的冷媒出口通过第一水泵13连接至第二换热器14的冷媒进口。
其中ORV汽化器4包括底部联管16、汽化器管束17和顶部联管19，顶部联管19与底部联管16之间设有汽化器管束17，ORV汽化器4顶部设有溢流装置18，ORV汽化器4下方设有收集槽15。液态天然气从底部联管16进入，气态天然气从顶部联管流出。海水从溢流装置18往下流入收集槽15。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供一种LNG接收站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的工作方法：LNG接收站储罐内的LNG通过高压输送泵加压后输送到汽化器。目前接收站的汽化器主要是以海水作为汽化媒介，LNG的冷能直接排放到海水中。LNG汽化成气态天然气后，经过调压、加臭、计量后经由输气管网外送。
LNG接收站储罐1内的LNG由第一潜液泵2和第一高压输送泵3加压后输送到ORV汽化器4，与海水换热后汽化为气态天然气，经过第一调压器5调压、第一流量计6计量后送入燃气输气管网。
海水经第一温度计7测温、第二流量计8计量后，由海水泵9引入ORV汽化器4。海水自ORV汽化器4顶部的溢流装置18依靠重力自上而下均匀覆盖在汽化器管束17的表面上与LNG换热，LNG吸收海水中的热量汽化为气态天然气，海水吸收LNG的冷量后进入第一换热器10与冷媒乙二醇溶液进行换热，换热后的海水排入大海中，海水管道出口设置第二温度计11，海水进出口管道的温差不应大于5℃。乙二醇溶液储存在冷媒储罐12中，第一水泵13将乙二醇溶液引入第二换热器14，通过与空调水系统换热，为数据中心空调提供冷源。
乙二醇溶液浓度可根据空调水系统供回水温度设定配比。
本发明中，LNG汽化时，将本应排入海中的冷能，通过换热设备收集后，作为数据中心空调机组冷源使用。利用LNG冷能这种免费冷源，可以大幅度降低数据中心的运行费用，由于免去了冷水机组和冷却塔及其配套设备，还可以大幅度降低数据中心的初投资和运行费用。同时，在海水进出口管道的温差不应大于5℃的情况下，扩大ORV汽化器的换热温差，缩小设备尺寸，节省建设成本。
实施例三
本申请实施例三提供一种LNG应急气源站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的系统：LNG应急气源站储罐20依次通过第二潜液泵21和第二高压输送泵22连接至第三换热器23的天然气进口，第三换热器23的天然气出口依次通过空温式汽化器24、第二调压器25和第三流量计26连接至燃气管网；蓄水罐27顶部布水器依次通过第三温度计28和第二水泵29连接至第三换热器23的进水口，第三换热器23的出水口连接至蓄水罐27底部布水器；蓄水罐27底部布水器依次通过第四温度计30和负荷侧水泵31连接至第四换热器32进水口，第四换热器32出水口连接至蓄水罐27顶部布水器。
实施例四
在实施例三的基础上，本申请实施例四提供一种LNG应急气源站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的工作方法：应急调峰站储存的LNG在汽化过程中会排放冷能。潜液泵将储罐内的LNG增压到进入换热器，在换热器中与水换热升高温度，然后在空温式汽化器中与空气换热后转化为气态天然气，最后经调压、计量、加臭处理后进入城市输配管网。
LNG应急气源站储罐20内的LNG由第二潜液泵21和第二高压输送泵22加压后输送到第三换热器23，与水换热后再经由空温式汽化器24汽化为气态天然气，经过第二调压器25调压、第三流量计26计量后送入燃气输气管网。
在蓄冷循环时，第二水泵29将蓄水罐27上层中的热水引入到第三换热器23与LNG进行换热，经降温后送至蓄水罐27底部布水器，罐内水位保持不变。冷量储存在蓄水罐27中。
在放冷循环时，第二水泵29关闭，负荷侧水泵31开启，冷水自蓄水罐27底部被抽出送往第四换热器32，经过吸热后回流至蓄水罐27顶部布水器。蓄水罐27冷水通过与空调水系统换热，为数据中心空调提供冷源。
本发明中，LNG汽化时，将本应排入空气中的冷能，通过换热器换热，再进入空温式汽化器气化，LNG换热器换出的冷量可与水蓄冷系统结合，作为数据中心空调机组冷源使用。利用LNG冷能这种免费冷源，可以大幅度降低数据中心的运行费用，同时由于减少了冷水机组、冷却塔及其配套设备的装机规模，还可以有效降低数据中心的初投资。
应急气源站中LNG的汽化过程是根据工艺要求而定的，是间歇不连续的。水蓄冷系统通过LNG换热设备将间歇性的冷量储存于蓄能水罐中，不仅能够持续性的向数据中心供冷，还能提高设备使用效率。
本发明提供的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统及方法，对比常规电制冷工艺，本系统利用LNG汽化过程中释放的冷能为数据中心供冷，既能减少能量损失和浪费，缓解数据中心供能压力，又能提高能源利用率，实现能量的梯级利用，并具有良好的经济效益。

Claims (10)

1.一种LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：包括LNG接收站储罐(1)、ORV汽化器(4)、海水泵(9)、第一换热器(10)、冷媒储罐(12)、第二换热器(14)、LNG应急气源站储罐(20)、第三换热器(23)、空温式汽化器(24)、蓄水罐(27)和第四换热器(32)；
LNG接收站储罐(1)连接至ORV汽化器(4)的天然气进口，ORV汽化器(4)的天然气出口连接至燃气管网；海水通过海水泵(9)连接至ORV汽化器(4)的海水进口，ORV汽化器(4)的海水出口连接至第一换热器(10)的海水进口；第一换热器(10)的冷媒进出口与冷媒储罐(12)连接；第二换热器(14)的冷媒出口连接至冷媒储罐(12)的冷媒进口，冷媒储罐(12)的冷媒出口通过第一水泵(13)连接至第二换热器(14)的冷媒进口；
LNG应急气源站储罐(20)连接至第三换热器(23)的天然气进口，第三换热器(23)的天然气出口通过空温式汽化器(24)连接至燃气管网；蓄水罐(27)顶部布水器连接至第三换热器(23)的进水口，第三换热器(23)的出水口连接至蓄水罐(27)底部布水器；蓄水罐(27)底部布水器连接至第四换热器(32)进水口，第四换热器(32)出水口连接至蓄水罐(27)顶部布水器。
2.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：ORV汽化器(4)包括底部联管(16)、汽化器管束(17)和顶部联管(19)，顶部联管(19)与底部联管(16)之间设有汽化器管束(17)，ORV汽化器(4)顶部设有溢流装置(18)，ORV汽化器(4)下方设有收集槽(15)。
3.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：LNG接收站储罐(1)依次通过第一潜液泵(2)和第一高压输送泵(3)连接至ORV汽化器(4)的天然气进口；ORV汽化器(4)的天然气出口依次通过第一调压器(5)和第一流量计(6)连接至煤气管网。
4.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：海水泵(9)前端设有第一温度计(7)和第二流量计(8)。
5.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：第一换热器(10)的海水出口连接至第二温度计(11)。
6.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：LNG应急气源站储罐(20)依次通过第二潜液泵(21)和第二高压输送泵(22)连接至第三换热器(23)的天然气进口；空温式汽化器(24)后端设有第二调压器(25)和第三流量计(26)。
7.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：蓄水罐(27)顶部布水器依次通过第三温度计(28)和第二水泵(29)连接至第三换热器(23)的进水口。
8.根据权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统，其特征在于：蓄水罐(27)底部布水器依次通过第四温度计(30)和负荷侧水泵(31)连接至第四换热器(32)进水口。
9.一种如权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统的LNG接收站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、LNG接收站储罐(1)内的LNG由第一潜液泵(2)和第一高压输送泵(3)加压后输送到ORV汽化器(4)；海水经第一温度计(7)测温以及第二流量计(8)计量后，由海水泵(9)引入ORV汽化器(4)；
S2、海水自ORV汽化器(4)顶部的溢流装置(18)依靠重力自上而下均匀覆盖在汽化器管束(17)的表面上与LNG换热，LNG吸收海水中的热量汽化为气态天然气，经过第一调压器(5)调压以及第一流量计(6)计量后送入燃气输气管网；
S3、海水吸收LNG的冷量后进入第一换热器(10)与冷媒进行换热，换热后的海水排入大海中；冷媒储存在冷媒储罐(12)中，第一水泵(13)将冷媒引入第二换热器(14)，通过与空调水系统换热，为数据中心空调提供冷源。
10.一种如权利要求1所述的LNG冷能与数据中心供冷耦合系统的LNG应急气源站储罐内的LNG汽化时释放的冷量作为数据中心供冷的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、LNG应急气源站储罐(20)内的LNG由第二潜液泵(21)和第二高压输送泵(22)加压后输送到第三换热器(23)，第二水泵(29)将蓄水罐(27)上层中的热水引入到第三换热器(23)与LNG进行换热；
S2、LNG与水在第三换热器(23)中换热后再经由空温式汽化器(24)汽化为气态天然气，然后经过第二调压器(25)调压以及第三流量计(26)计量后送入燃气输气管网；第三换热器(23)中的水经换热降温后送至蓄水罐(27)底部布水器；
S3、第二水泵(29)关闭，负荷侧水泵(31)开启，冷水自蓄水罐(27)底部被抽出送往第四换热器(32)，经过吸热后回流至蓄水罐(27)顶部布水器；蓄水罐(27)中的冷水通过与空调水系统换热，为数据中心空调提供冷源。
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