LNG冷能用于发电、冷库及数据中心联合技术

赖建波， 郭保玲， 陈照烽， 程韦豪

(1.北京市燃气集团研究院，北京100020;2.广东众通利华能源科技有限公司，广东佛山528313)

1 概述

随着环境问题的不断突出，我国能源消费结构发生了相应变化。液化天然气(LNG)[1]因清洁环保等优点已逐渐成为重要的战略储备能源。在LNG接收站，需将LNG通过气化器气化后使用，据测算，1 t LNG气化过程释放830～860 MJ的冷能[2]。目前，我国正大力发展节能减排，对LNG冷能进行回收利用，既降低生产成本，又符合我国节能减排的政策，在化石能源逐渐减少而需求逐渐增大的今天具有重要意义[3]。LNG冷能利用方式众多[4]，有LNG冷能发电[5-6]、制冰[7-8]、制液态CO2和干冰[9-10]、冷库[11]和深冷粉碎[12]等。由于温位不匹配，无法选择合适的冷媒，不能实现冷能梯级利用，导致冷能利用方式单一。

近年来，研究者们开始针对LNG冷能用于数据中心展开研究。数据中心99%的热量来自IT设备的运行散热，配套的空调系统用电量占总能耗的35%[13]。可以利用LNG冷能对数据中心进行冷却，以支撑数据中心散热需求。此外，还可利用LNG冷能发电供给数据中心使用，进一步减少数据中心的运行能耗。

某LNG应急储备项目(位于天津市)毗邻海岸以及工业区，该区域有着巨大的冷量需求。笔者为此项目设计冷能梯级利用工艺，即LNG冷能用于发电、冷库和数据中心联合技术。除满足自身电力需求外，还可为周边海鲜产业等提供冷量，降低数据中心运行能耗，提高LNG冷能利用效率。

2 系统设计

2.1 项目背景

该LNG应急储备项目主要包括接收站、码头及外输管道3部分。若不进行回收利用，将造成大量的能源浪费以及冷污染。由于该项目所处地域渔业资源丰富，大量渔业产品的储存需要冷库保鲜。附近的港口货物吞吐量大，其中农林牧渔业产品、部分轻工、医药产品及化工原料都需要冷库储存。此外，LNG冷能回收利用技术将为该项目的数据中心提供清洁高效的能源保障，解决城市发展过程中高耗能产业与信息需求的矛盾，充分利用资源的同时，也能够带动燃气节能产业的发展。由于该项目耗电量巨大，因此可以通过LNG冷能发电对LNG的冷能进行回收利用，采用并网不上网的电力方案，电量供厂站自用，能有效降低厂站的生产成本，还可以提高厂站供电的稳定性[14-15]。基于此，为此LNG应急储备项目设计LNG冷能用于发电、冷库及数据中心联合技术的工艺流程，对其冷量进行回收利用。

该项目LNG气化规模为500×104t/a，气化质量流量为570 t/h，气化压力为8 MPa。LNG储罐内压力为0.4 MPa。LNG贫液的组成见表1。

表1 LNG贫液的组成

2.2 工艺流程及节点参数

① 工艺流程

LNG冷能用于发电、冷库及数据中心联合技术的工艺流程见图1。图1中泵A、B在实际运行中的作用是抵消循环阻力，在模拟计算中其扬程取0。

图1 LNG冷能用于发电、冷库及数据中心联合技术的工艺流程

从图1可以看出，该工艺流程主要分为4个区域：LNG气化区、冷能发电区、冷库区以及数据中心区。本方案中，采用C2C3(乙烷-丙烷混合体系)作为一次冷媒，与LNG换热后去发电。采用C3(丙烷)作为二次冷媒，分别与一次换热后的LNG和C2C3换热后，送去冷库和数据中心。

LNG气化区：从LNG储罐出来的0.4 MPa、-162 ℃的LNG，经流体泵增压后，分为两路，一路LNG质量流量为114 t/h，通过节点1后依次进入换热器1、换热器2，分别与C2C3冷媒、C3冷媒换热气化，变为天然气后进入海水复热器，升温至0 ℃送至外输管网；另一路LNG沿厂站原LNG气化调压系统外输。换热器3作为备用换热器，在系统正常运行时换热器3所在支路阀门关闭。

冷能发电区：低温液态C2C3经泵加压后分成两股，分别经过节点31、33，与来自数据中心区和冷库区的气态C3换热后，再被循环热水加热气化，进入膨胀机做功，输出电能。然后气态C2C3流经节点37进入换热器1与LNG换热，气态C2C3温度降低并液化，流经节点39进入下一个循环。C2C3冷媒储罐为缓冲罐，当系统正常运行时，液态C2C3冷媒不进入储罐，直接通过管道进入下一循环；当换热负荷降低时，过量液态C2C3会进入储罐储存起来；当换热负荷提高时，储罐内的液态C2C3经泵加压后进入管道参与循环。

冷库区：系统处于正常运行状态时，节点25、26所在支路阀门关闭。在冷库换热后的气态C3冷媒与部分来自数据中心的气态C3冷媒混合，流经节点19后分为两股，一股流经节点22、23进入换热器2，与经过一次换热后的低温天然气换热，温度降低并液化后进入C3冷媒储罐。另一股则流经节点20进入换热器4，与经流体泵加压后的低温C2C3冷媒换热，温度降低并液化后进入C3冷媒储罐。从C3冷媒储罐出来的低温液态C3冷媒分为两股，其中一股进入数据中心区，另一股流经节点17进入冷库区，与来自冷库的CaCl2水溶液换热后升温气化，进入下一循环。从冷库出来的CaCl2水溶液，与C3换热后温度降低，进入冷库制冷。完成制冷后的CaCl2水溶液温度升高并进入下一循环。

数据中心区：在数据中心换热后的气态C3冷媒分为两股，一股与来自冷库的气态C3冷媒混合；另一股则流经节点15进入换热器6，与经流体泵加压后的低温C2C3冷媒换热，温度降低并液化，随后与从储罐来的液态C3冷媒汇合，分为两股，其中一股进入冷库区，另一股流经节点12进入数据中心区，与来自数据中心的CaCl2水溶液换热后升温气化，进入下一循环。从数据中心出来的CaCl2水溶液，与C3换热后温度降低，进入数据中心制冷，完成制冷后的CaCl2水溶液温度升高并进入下一循环。

② 节点参数

使用Aspen软件对LNG冷能用于发电、冷库以及数据中心联合技术的工艺流程进行设计和模拟。通过对C2C3中乙烷、丙烷的各种混合比例进行模拟，得知当乙烷、丙烷的物质的量比为5∶5时(称为C2C3最优比)，系统换热过程最优。

当采用C2C3最优比进行模拟时，模拟结果显示，流体泵、C2C3加压泵的功率分别为696 kW和60 kW。膨胀机发电功率、冷库的换热负荷以及数据中心的换热负荷分别为1 914 kW、3 912 kW以及3 912 kW。模拟流程中各节点物流参数见表2。

表2 模拟流程中各节点物流参数

续表2

2.3 工艺优化分析

通常情况下，对于LNG冷能梯级利用系统，当某一工段发生异常时，会导致整个工艺停车。本项目通过利用同种冷媒(C3)为数据中心区和冷库区供冷，解决了此问题。当冷能发电区、数据中心区或冷库区其中一个区域发生异常需要停止生产时，不会影响其他区域的生产，具体分析如下。

① 冷能发电区需要检修或发生异常

当冷能发电区需要检修或发生异常需要停机时，只需关闭节点2、15、20所处支路的阀门，打开节点5、25、26所在支路的阀门，即可保证LNG气化、冷库以及数据中心正常运行。此时C2C3冷媒循环系统停止运行，进入LNG气化区的LNG仅通过换热器3与气态C3冷媒换热。由于冷能发电区停止工作，整体冷能负荷降低，需要增大进入厂站原LNG气化调压系统的LNG流量，以维持LNG的正常气化。此时，从数据中心来的气态C3不再与C2C3冷媒换热液化，而是全部通过节点14与从冷库区来的气态C3汇合，送往LNG气化区，进入换热器3与LNG进行换热。因此，虽然冷能发电区停止工作，但C3冷媒仍能为冷库和数据中心提供冷量，保证了其余区域的正常运转。

② 数据中心区需要检修或发生异常

当数据中心区发生异常需要停止向其供冷时，只需关闭节点12和33所处支路的阀门，停止液态C3冷媒向数据中心供应，即可保证冷库和冷能发电区的正常运转。此时，低温C2C3冷媒只进入换热器4与气态C3冷媒换热；液态C3冷媒(节点11)不分流，全部送往冷库区与CaCl2水溶液换热。

③ 冷库区需要检修或发生异常

同理，当冷库区需要检修或者发生异常需要停机时，只需关闭节点17所处支路的阀门，切断液态C3冷媒进入冷库区，即可保证数据中心和冷能发电区的正常运转。此外，冷库和数据中心用的是同种冷媒，所利用的温度跨度大，能够保证其中一个区域需要停机时，多余C3冷媒能够送往另一区域被利用。此工艺避免了由于某一生产过程停止，造成整体项目停止运转的情况，大大提高了整体项目的操作弹性和容错率。

3 经济性分析

Aspen软件模拟结果显示，在LNG冷能用于发电、冷库以及数据中心项目中，LNG冷能发电量为1 914 kW，按全年365 d、每天24 h满负荷运转计算，则全年发电量为1 677×104kW·h。冷能发电电价以天津市发改委工业用电电网销售电价约0.7元/(kW·h)计算，则本项目发电年收入为1 174×104元/a，年运营费用预估为100×104元/a，则年利润为1 074×104元/a。

冷库负荷为3 912 kW，根据制冷能效比为2计算，节约电功率为1 956 kW，则全年节电量为1 713.5×104kW·h。根据某已建成冷库规模推算该LNG冷能冷库库容约可达5.5×104t。冷库收益根据冷库市场调研数据进行计算，冷库的出租价格按3元/(t·d)计算，运营费用估算为3 660×104元/a，则冷库年收入6 022.5×104元/a，年利润为2 362.5×104元/a。

数据中心负荷为3 912 kW，根据制冷能效比为5计算，节约电功率为782 kW，则全年节电量为685×104kW·h。根据市场上机房租赁、增值服务等价格估算得到数据中心年收入为6 720×104元/a，运营费用按3 770×104元/a计算，则本项目数据中心年利润为2 950×104元/a。

综合以上分析可得，LNG冷能用于发电、冷库以及数据中心项目年利润共计6 386.5×104元/a。

此项目设施和设备数量及价格见表3。由表3可得总投资26 797×104元，则本项目投资回收期为4.19 a，回收期较短。

表3 设施和设备数量及价格

续表3

4 结论

以某LNG应急储备项目为背景，对LNG冷能综合利用技术进行研究，设计了LNG冷能用于发电、冷库及数据中心联合技术的工艺流程。该工艺流程以乙烷-丙烷混合体系作为一次冷媒进行冷能发电，采用丙烷作为二次冷媒为冷库和数据中心提供冷量，实现了较大温度跨度的冷能梯级利用方式，并有效提高了冷能发电效率。此设计中冷能发电区、冷库区以及数据中心区的运行相对独立，其中任一个区域发生异常时，均不会影响其他区域的正常运行。通过调节阀门，可确保非故障区域的生产和LNG的气化。利用Aspen软件对工艺流程进行模拟并优化，结合市场调查，对系统经济性进行分析。本项目年利润为6 386.5×104元/a，设施和设备总投资26 797×104元，项目投资回收期为4.19 a，回收期较短，有良好的经济效益。