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液化天然氣的冷能在數據中心的利用

2019-06-22 11:08:56 來源:暖通空調 作者:殷平

摘要

液化天然氣(LNG)汽化過程中會釋放大量的冷能,數據中心運行過程中會產生大量的熱量,且耗電量大。如能將LNG的冷能作為數據中心的冷源,將獲得可觀的經濟效益。介紹了我國LNG接收站建設現狀,分析了LNG冷能利用的途徑,討論了在數據中心中利用LNG冷能可能出現的問題。通過工程實例分析了LNG冷能應用到數據中心中可以獲得的經濟效益。認為LNG的冷能用于數據中心中有待深入研究和進一步實踐。

(來源:微信公眾號“暖通空調” ID:hvac1971 作者:湖南大學 殷 平)

0 引言

LNG所擁有的巨大冷能一直為工業界所青睞,目前LNG冷能已在以下領域或場所應用:1)發電;2)空氣分離;3)冷庫;4)海水淡化;5)輪胎粉碎;6)CO2液化和干冰制作;7)輕烴分離;8)低溫飼養和培養;9)丁基橡膠制造;10)制冰和冰蓄冷;11)滑冰場等。

由于數據中心在運行過程中會產生大量的熱量,為消除這些熱量,確保數據中心正常運行,需要空調系統提供相應的巨大冷量,導致空調制冷系統消耗大量的電能,而LNG在汽化過程中會產生大量冷能,如果數據中心能充分利用這部分冷能,其經濟效益可觀。數據中心如何利用LNG的冷能仍然是一個值得深入研究和實踐的大課題。

1 現狀

2017年,我國已經成為全球第二大LNG進口國。據有關部門統計,2017年我國進口LNG總量為3901萬t,LNG進口量自2012年以來再度超過管道天然氣進口量,占消費量的比例升至21%。預計未來幾年,我國LNG進口量有望保持高速增長,在2020年將增至5000萬t左右。我國進口LNG主要是通過海運運抵國內,為了應對LNG逐年增長的形勢,國內沿海LNG接收站建設速度加快。表1為截止到2018年6月底國內LNG接收站一覽表。

表1 國內LNG接收站情況一覽表

LNG接收站包括LNG碼頭和LNG儲罐區,如圖1所示。

圖1 LNG接收站

2 LNG的冷能利用

可供數據中心使用的LNG冷能主要來自2個渠道:1)LNG汽化過程中排放的冷能;2)應急調峰站儲存的LNG汽化過程中排放的冷能。

2.1 LNG海水汽化過程冷能的利用

圖2為ORV工作原理示意圖。ORV是一種以海水作為熱源,海水自汽化器頂部的溢流裝置依靠重力自上而下均覆在汽化器管束的外表面上,LNG沿管束內自下而上被海水汽化的設備。

圖2 ORV工作原理示意圖

圖3 IFV工作原理示意圖

圖3為IFV工作原理示意圖。IFV是一種利用中間介質蒸發冷凝的相變,將熱源的熱量傳遞給LNG,使其汽化的設備。中間介質可采用丙烷和乙二醇水溶液。

圖4 SCV工作原理示意圖

圖4為SCV工作原理示意圖。SCV是一種以天然氣為燃料,天然氣通過燃燒器燃燒產生高溫煙氣直接進入水浴中將水加熱,LNG流過浸沒在水浴中的換熱盤管后被熱水汽化的設備。

2.2 應急調峰站儲存的LNG汽化過程中排放的冷能利用

LNG應急調峰站一般采用空溫式肋片管汽化器進行汽化。空溫式星型肋片管汽化器利用大氣環境中自然對流的空氣作為熱源,通過導熱性良好的鋁合金星型肋片管與低溫液體換熱,并使其汽化成一定溫度氣體的低溫換熱器。空溫式肋片管汽化器汽化時,放出冷能,空氣吸收冷能后會形成冷霧,如圖5所示。如果冷霧不及時處理,則會影響操作人員和周邊居民區的人身安全,降低交通道路的能見度,破壞城市景觀,造成下風地區的濕度上升,破壞周圍環境的生態平衡。

圖5 LNG冷霧

3 問題討論

3.1 海水溫度的影響

表2給出了2017年各月中國海洋表面平均溫度。由表2可知:不同海區、不同月份的海洋表面平均溫度差異明顯,所以利用LNG排入海水中的冷能作為數據中心冷源時,需要充分考慮這一差異。

表2 2017年各月中國海洋表面平均溫度

3.2 海水深度對海水溫度的影響

為了解利用LNG排入海水中的冷能作為數據中心冷源的可行性,某公司2017年對華東某LNG接收站的LNG海水汽化器所處位置不同深度的海水溫度進行了測量,圖6為測試結果。

圖6 不同深度的海水溫度

3.3 LNG冷能的可用性

GB/T 2900.13—2008《電工術語 可信性與服務質量》給出的可用性定義為:在所要求的外部資源得到提供的情況下,產品在給定的條件下,在給定的時刻或時間區間內處于能完成要求的功能狀態的能力。根據我國的能源政策和具體國情,LNG的進口將是長期的,且進口數量將不斷增長,所以LNG的可用性滿足數據中心對冷源可用性的要求。

3.4 數據中心的安全性

數據中心的安全性是第一位的,當使用LNG冷能作為數據中心的冷源設計時,應遵循以下國家標準規范的規定:1)GB 50174—2017《數據中心設計規范》;2)GB/T 20368—2012《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》;3)GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》;4)GB 50016—2014《建筑設計防火規范》。

4 工程實例

華東某地LNG接收站位于深水港主港區,一期建設3個容積為16.5萬m3的儲罐,LNG接收能力為300萬t,年供氣40億m3,LNG汽化后通過36 km長的海底輸氣管道送入市區。二期工程建成后LNG接收能力增加到600萬t。目前接收站的LNG采用海水換熱汽化技術,循環冷水流量為7500t/h,海水汽化器的海水溫差小于5℃,每小時排入海中的冷量為43613 kW;二期每小時排入海中的冷量將達到87225 kW,循環冷水流量為15000 t/h,這部分冷水可以直接利用。LNG進口合同期為25 a。

由表3~5可知:利用LNG冷能作為數據中心的冷源,其經濟效益和環境保護性顯著。

表3 系統1,2冷卻水量比較

表4 系統1,2節能量和碳排放比較

表5 系統1,2經濟性比較

5 結語

LNG蘊藏著巨大的冷能,目前國內LNG汽化過程中絕大部分冷能均被排放到海水和空氣中,不但浪費巨大,也給環境造成了不良影響。與此同時,數據中心需要全年供冷,國內大部分數據中心制冷空調系統耗電已占到數據中心耗電50%左右。如果能利用LNG冷能作為數據中心的冷源,將產生巨大的經濟效益。

我國是LNG進口大國,LNG進口量有望保持高速增長,預計2020年將增至5000萬t左右。國內沿海LNG接收站已有13個,而且數量還會不斷增加,LNG接收站的LNG汽化主要是以海水作為汽化媒介,每年有897.23萬MW•h的冷量排入海水中,如此巨大的冷能應充分利用。

我國4個海區的海水表面溫度及華東某地不同深度的海水溫度的變化表明,LNG汽化排入海中的冷能完全可以作為數據中心的冷源加以利用,且LNG冷源作為數據中心的冷源其可用性和安全性也可以得到保證。

工程實例證明,利用LNG汽化排入海水中的冷能可以作為數據中心的冷源,且具有可觀的經濟效益。LNG冷能的綜合利用、LNG冷能用于數據中心仍然是大課題,值得深入研究和不斷實踐。

LNG冷能雖然可以在多方面加以應用,但是令人遺憾的是,迄今為止,無論是LNG接收站還是應急調峰站仍然是在采用海水或空氣進行汽化,大量冷能白白浪費掉。另一方面,國內諸多高校和研究機構對LNG冷能應用十分關注,在理論研究和實驗方面取得了不少成果,但是由于國家現有條件的限制,諸多技術又處于試驗階段,專利技術形成了一道道屏障,而多個行業難以協調,所以LNG冷能的綜合利用在國內已實施的項目還是屈指可數。LNG冷能應用還有待得到國家有關部門的重視,能盡早列入議事日程,同時也希望作為LNG冷能應用主力軍的暖通空調行業有更多的專業人士投入到這一利國利民的應用中來。

 

 
 

 

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