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液化天然气的冷能在数据中心的利用

2019-06-22 11:08:56 来源:暖通空调 作者:殷平

摘要

液化天然气(LNG)汽化过程中会释放大量的冷能,数据中心运行过程中会产生大量的热量,且耗电量大。如能将LNG的冷能作为数据中心的冷源,将获得可观的经济效益。介绍了我国LNG接收站建设现状,分析了LNG冷能利用的途径,讨论了在数据中心中利用LNG冷能可能出现的问题。通过工程实例分析了LNG冷能应用到数据中心中可以获得的经济效益。认为LNG的冷能用于数据中心中有待深入研究和进一步实践。

(来源:微信公众号“暖通空调” ID:hvac1971 作者:湖南大学 殷 平)

0 引言

LNG所拥有的巨大冷能一直为工业界所青睐,目前LNG冷能已在以下领域或场所应用:1)发电;2)空气分离;3)冷库;4)海水淡化;5)轮胎粉碎;6)CO2液化和干冰制作;7)轻烃分离;8)低温饲养和培养;9)丁基橡胶制造;10)制冰和冰蓄冷;11)滑冰场等。

由于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,而LNG在汽化过程中会产生大量冷能,如果数据中心能充分利用这部分冷能,其经济效益可观。数据中心如何利用LNG的冷能仍然是一个值得深入研究和实践的大课题。

1 现状

2017年,我国已经成为全球第二大LNG进口国。据有关部门统计,2017年我国进口LNG总量为3901万t,LNG进口量自2012年以来再度超过管道天然气进口量,占消费量的比例升至21%。预计未来几年,我国LNG进口量有望保持高速增长,在2020年将增至5000万t左右。我国进口LNG主要是通过海运运抵国内,为了应对LNG逐年增长的形势,国内沿海LNG接收站建设速度加快。表1为截止到2018年6月底国内LNG接收站一览表。

表1 国内LNG接收站情况一览表

LNG接收站包括LNG码头和LNG储罐区,如图1所示。

图1 LNG接收站

2 LNG的冷能利用

可供数据中心使用的LNG冷能主要来自2个渠道:1)LNG汽化过程中排放的冷能;2)应急调峰站储存的LNG汽化过程中排放的冷能。

2.1 LNG海水汽化过程冷能的利用

图2为ORV工作原理示意图。ORV是一种以海水作为热源,海水自汽化器顶部的溢流装置依靠重力自上而下均覆在汽化器管束的外表面上,LNG沿管束内自下而上被海水汽化的设备。

图2 ORV工作原理示意图

图3 IFV工作原理示意图

图3为IFV工作原理示意图。IFV是一种利用中间介质蒸发冷凝的相变,将热源的热量传递给LNG,使其汽化的设备。中间介质可采用丙烷和乙二醇水溶液。

图4 SCV工作原理示意图

图4为SCV工作原理示意图。SCV是一种以天然气为燃料,天然气通过燃烧器燃烧产生高温烟气直接进入水浴中将水加热,LNG流过浸没在水浴中的换热盘管后被热水汽化的设备。

2.2 应急调峰站储存的LNG汽化过程中排放的冷能利用

LNG应急调峰站一般采用空温式肋片管汽化器进行汽化。空温式星型肋片管汽化器利用大气环境中自然对流的空气作为热源,通过导热性良好的铝合金星型肋片管与低温液体换热,并使其汽化成一定温度气体的低温换热器。空温式肋片管汽化器汽化时,放出冷能,空气吸收冷能后会形成冷雾,如图5所示。如果冷雾不及时处理,则会影响操作人员和周边居民区的人身安全,降低交通道路的能见度,破坏城市景观,造成下风地区的湿度上升,破坏周围环境的生态平衡。

图5 LNG冷雾

3 问题讨论

3.1 海水温度的影响

表2给出了2017年各月中国海洋表面平均温度。由表2可知:不同海区、不同月份的海洋表面平均温度差异明显,所以利用LNG排入海水中的冷能作为数据中心冷源时,需要充分考虑这一差异。

表2 2017年各月中国海洋表面平均温度

3.2 海水深度对海水温度的影响

为了解利用LNG排入海水中的冷能作为数据中心冷源的可行性,某公司2017年对华东某LNG接收站的LNG海水汽化器所处位置不同深度的海水温度进行了测量,图6为测试结果。

图6 不同深度的海水温度

3.3 LNG冷能的可用性

GB/T 2900.13—2008《电工术语 可信性与服务质量》给出的可用性定义为:在所要求的外部资源得到提供的情况下,产品在给定的条件下,在给定的时刻或时间区间内处于能完成要求的功能状态的能力。根据我国的能源政策和具体国情,LNG的进口将是长期的,且进口数量将不断增长,所以LNG的可用性满足数据中心对冷源可用性的要求。

3.4 数据中心的安全性

数据中心的安全性是第一位的,当使用LNG冷能作为数据中心的冷源设计时,应遵循以下国家标准规范的规定:1)GB 50174—2017《数据中心设计规范》;2)GB/T 20368—2012《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》;3)GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》;4)GB 50016—2014《建筑设计防火规范》。

4 工程实例

华东某地LNG接收站位于深水港主港区,一期建设3个容积为16.5万m3的储罐,LNG接收能力为300万t,年供气40亿m3,LNG汽化后通过36 km长的海底输气管道送入市区。二期工程建成后LNG接收能力增加到600万t。目前接收站的LNG采用海水换热汽化技术,循环冷水流量为7500t/h,海水汽化器的海水温差小于5℃,每小时排入海中的冷量为43613 kW;二期每小时排入海中的冷量将达到87225 kW,循环冷水流量为15000 t/h,这部分冷水可以直接利用。LNG进口合同期为25 a。

由表3~5可知:利用LNG冷能作为数据中心的冷源,其经济效益和环境保护性显著。

表3 系统1,2冷却水量比较

表4 系统1,2节能量和碳排放比较

表5 系统1,2经济性比较

5 结语

LNG蕴藏着巨大的冷能,目前国内LNG汽化过程中绝大部分冷能均被排放到海水和空气中,不但浪费巨大,也给环境造成了不良影响。与此同时,数据中心需要全年供冷,国内大部分数据中心制冷空调系统耗电已占到数据中心耗电50%左右。如果能利用LNG冷能作为数据中心的冷源,将产生巨大的经济效益。

我国是LNG进口大国,LNG进口量有望保持高速增长,预计2020年将增至5000万t左右。国内沿海LNG接收站已有13个,而且数量还会不断增加,LNG接收站的LNG汽化主要是以海水作为汽化媒介,每年有897.23万MW•h的冷量排入海水中,如此巨大的冷能应充分利用。

我国4个海区的海水表面温度及华东某地不同深度的海水温度的变化表明,LNG汽化排入海中的冷能完全可以作为数据中心的冷源加以利用,且LNG冷源作为数据中心的冷源其可用性和安全性也可以得到保证。

工程实例证明,利用LNG汽化排入海水中的冷能可以作为数据中心的冷源,且具有可观的经济效益。LNG冷能的综合利用、LNG冷能用于数据中心仍然是大课题,值得深入研究和不断实践。

LNG冷能虽然可以在多方面加以应用,但是令人遗憾的是,迄今为止,无论是LNG接收站还是应急调峰站仍然是在采用海水或空气进行汽化,大量冷能白白浪费掉。另一方面,国内诸多高校和研究机构对LNG冷能应用十分关注,在理论研究和实验方面取得了不少成果,但是由于国家现有条件的限制,诸多技术又处于试验阶段,专利技术形成了一道道屏障,而多个行业难以协调,所以LNG冷能的综合利用在国内已实施的项目还是屈指可数。LNG冷能应用还有待得到国家有关部门的重视,能尽早列入议事日程,同时也希望作为LNG冷能应用主力军的暖通空调行业有更多的专业人士投入到这一利国利民的应用中来。

 

 
 

 

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