LNG冷能用于發電、冷庫及數據中心聯合技術

賴建波， 郭保玲， 陳照烽， 程韋豪

(1.北京市燃氣集團研究院，北京100020;2.廣東眾通利華能源科技有限公司，廣東佛山528313)

1 概述

隨著環境問題的不斷突出，我國能源消費結構發生了相應變化。液化天然氣(LNG)[1]因清潔環保等優點已逐漸成為重要的戰略儲備能源。在LNG接收站，需將LNG通過氣化器氣化后使用，據測算，1 t LNG氣化過程釋放830～860 MJ的冷能[2]。目前，我國正大力發展節能減排，對LNG冷能進行回收利用，既降低生產成本，又符合我國節能減排的政策，在化石能源逐漸減少而需求逐漸增大的今天具有重要意義[3]。LNG冷能利用方式眾多[4]，有LNG冷能發電[5-6]、制冰[7-8]、制液態CO2和干冰[9-10]、冷庫[11]和深冷粉碎[12]等。由于溫位不匹配，無法選擇合適的冷媒，不能實現冷能梯級利用，導致冷能利用方式單一。

近年來，研究者們開始針對LNG冷能用于數據中心展開研究。數據中心99%的熱量來自IT設備的運行散熱，配套的空調系統用電量占總能耗的35%[13]。可以利用LNG冷能對數據中心進行冷卻，以支撐數據中心散熱需求。此外，還可利用LNG冷能發電供給數據中心使用，進一步減少數據中心的運行能耗。

某LNG應急儲備項目(位于天津市)毗鄰海岸以及工業區，該區域有著巨大的冷量需求。筆者為此項目設計冷能梯級利用工藝，即LNG冷能用于發電、冷庫和數據中心聯合技術。除滿足自身電力需求外，還可為周邊海鮮產業等提供冷量，降低數據中心運行能耗，提高LNG冷能利用效率。

2 系統設計

2.1 項目背景

該LNG應急儲備項目主要包括接收站、碼頭及外輸管道3部分。若不進行回收利用，將造成大量的能源浪費以及冷污染。由于該項目所處地域漁業資源豐富，大量漁業產品的儲存需要冷庫保鮮。附近的港口貨物吞吐量大，其中農林牧漁業產品、部分輕工、醫藥產品及化工原料都需要冷庫儲存。此外，LNG冷能回收利用技術將為該項目的數據中心提供清潔高效的能源保障，解決城市發展過程中高耗能產業與信息需求的矛盾，充分利用資源的同時，也能夠帶動燃氣節能產業的發展。由于該項目耗電量巨大，因此可以通過LNG冷能發電對LNG的冷能進行回收利用，采用并網不上網的電力方案，電量供廠站自用，能有效降低廠站的生產成本，還可以提高廠站供電的穩定性[14-15]。基于此，為此LNG應急儲備項目設計LNG冷能用于發電、冷庫及數據中心聯合技術的工藝流程，對其冷量進行回收利用。

該項目LNG氣化規模為500×104t/a，氣化質量流量為570 t/h，氣化壓力為8 MPa。LNG儲罐內壓力為0.4 MPa。LNG貧液的組成見表1。

表1 LNG貧液的組成

2.2 工藝流程及節點參數

① 工藝流程

LNG冷能用于發電、冷庫及數據中心聯合技術的工藝流程見圖1。圖1中泵A、B在實際運行中的作用是抵消循環阻力，在模擬計算中其揚程取0。

圖1 LNG冷能用于發電、冷庫及數據中心聯合技術的工藝流程

從圖1可以看出，該工藝流程主要分為4個區域：LNG氣化區、冷能發電區、冷庫區以及數據中心區。本方案中，采用C2C3(乙烷-丙烷混合體系)作為一次冷媒，與LNG換熱后去發電。采用C3(丙烷)作為二次冷媒，分別與一次換熱后的LNG和C2C3換熱后，送去冷庫和數據中心。

LNG氣化區：從LNG儲罐出來的0.4 MPa、-162 ℃的LNG，經流體泵增壓后，分為兩路，一路LNG質量流量為114 t/h，通過節點1后依次進入換熱器1、換熱器2，分別與C2C3冷媒、C3冷媒換熱氣化，變為天然氣后進入海水復熱器，升溫至0 ℃送至外輸管網；另一路LNG沿廠站原LNG氣化調壓系統外輸。換熱器3作為備用換熱器，在系統正常運行時換熱器3所在支路閥門關閉。

冷能發電區：低溫液態C2C3經泵加壓后分成兩股，分別經過節點31、33，與來自數據中心區和冷庫區的氣態C3換熱后，再被循環熱水加熱氣化，進入膨脹機做功，輸出電能。然后氣態C2C3流經節點37進入換熱器1與LNG換熱，氣態C2C3溫度降低并液化，流經節點39進入下一個循環。C2C3冷媒儲罐為緩沖罐，當系統正常運行時，液態C2C3冷媒不進入儲罐，直接通過管道進入下一循環；當換熱負荷降低時，過量液態C2C3會進入儲罐儲存起來；當換熱負荷提高時，儲罐內的液態C2C3經泵加壓后進入管道參與循環。

冷庫區：系統處于正常運行狀態時，節點25、26所在支路閥門關閉。在冷庫換熱后的氣態C3冷媒與部分來自數據中心的氣態C3冷媒混合，流經節點19后分為兩股，一股流經節點22、23進入換熱器2，與經過一次換熱后的低溫天然氣換熱，溫度降低并液化后進入C3冷媒儲罐。另一股則流經節點20進入換熱器4，與經流體泵加壓后的低溫C2C3冷媒換熱，溫度降低并液化后進入C3冷媒儲罐。從C3冷媒儲罐出來的低溫液態C3冷媒分為兩股，其中一股進入數據中心區，另一股流經節點17進入冷庫區，與來自冷庫的CaCl2水溶液換熱后升溫氣化，進入下一循環。從冷庫出來的CaCl2水溶液，與C3換熱后溫度降低，進入冷庫制冷。完成制冷后的CaCl2水溶液溫度升高并進入下一循環。

數據中心區：在數據中心換熱后的氣態C3冷媒分為兩股，一股與來自冷庫的氣態C3冷媒混合；另一股則流經節點15進入換熱器6，與經流體泵加壓后的低溫C2C3冷媒換熱，溫度降低并液化，隨后與從儲罐來的液態C3冷媒匯合，分為兩股，其中一股進入冷庫區，另一股流經節點12進入數據中心區，與來自數據中心的CaCl2水溶液換熱后升溫氣化，進入下一循環。從數據中心出來的CaCl2水溶液，與C3換熱后溫度降低，進入數據中心制冷，完成制冷后的CaCl2水溶液溫度升高并進入下一循環。

② 節點參數

使用Aspen軟件對LNG冷能用于發電、冷庫以及數據中心聯合技術的工藝流程進行設計和模擬。通過對C2C3中乙烷、丙烷的各種混合比例進行模擬，得知當乙烷、丙烷的物質的量比為5∶5時(稱為C2C3最優比)，系統換熱過程最優。

當采用C2C3最優比進行模擬時，模擬結果顯示，流體泵、C2C3加壓泵的功率分別為696 kW和60 kW。膨脹機發電功率、冷庫的換熱負荷以及數據中心的換熱負荷分別為1 914 kW、3 912 kW以及3 912 kW。模擬流程中各節點物流參數見表2。

表2 模擬流程中各節點物流參數

續表2

2.3 工藝優化分析

通常情況下，對于LNG冷能梯級利用系統，當某一工段發生異常時，會導致整個工藝停車。本項目通過利用同種冷媒(C3)為數據中心區和冷庫區供冷，解決了此問題。當冷能發電區、數據中心區或冷庫區其中一個區域發生異常需要停止生產時，不會影響其他區域的生產，具體分析如下。

① 冷能發電區需要檢修或發生異常

當冷能發電區需要檢修或發生異常需要停機時，只需關閉節點2、15、20所處支路的閥門，打開節點5、25、26所在支路的閥門，即可保證LNG氣化、冷庫以及數據中心正常運行。此時C2C3冷媒循環系統停止運行，進入LNG氣化區的LNG僅通過換熱器3與氣態C3冷媒換熱。由于冷能發電區停止工作，整體冷能負荷降低，需要增大進入廠站原LNG氣化調壓系統的LNG流量，以維持LNG的正常氣化。此時，從數據中心來的氣態C3不再與C2C3冷媒換熱液化，而是全部通過節點14與從冷庫區來的氣態C3匯合，送往LNG氣化區，進入換熱器3與LNG進行換熱。因此，雖然冷能發電區停止工作，但C3冷媒仍能為冷庫和數據中心提供冷量，保證了其余區域的正常運轉。

② 數據中心區需要檢修或發生異常

當數據中心區發生異常需要停止向其供冷時，只需關閉節點12和33所處支路的閥門，停止液態C3冷媒向數據中心供應，即可保證冷庫和冷能發電區的正常運轉。此時，低溫C2C3冷媒只進入換熱器4與氣態C3冷媒換熱；液態C3冷媒(節點11)不分流，全部送往冷庫區與CaCl2水溶液換熱。

③ 冷庫區需要檢修或發生異常

同理，當冷庫區需要檢修或者發生異常需要停機時，只需關閉節點17所處支路的閥門，切斷液態C3冷媒進入冷庫區，即可保證數據中心和冷能發電區的正常運轉。此外，冷庫和數據中心用的是同種冷媒，所利用的溫度跨度大，能夠保證其中一個區域需要停機時，多余C3冷媒能夠送往另一區域被利用。此工藝避免了由于某一生產過程停止，造成整體項目停止運轉的情況，大大提高了整體項目的操作彈性和容錯率。

3 經濟性分析

Aspen軟件模擬結果顯示，在LNG冷能用于發電、冷庫以及數據中心項目中，LNG冷能發電量為1 914 kW，按全年365 d、每天24 h滿負荷運轉計算，則全年發電量為1 677×104kW·h。冷能發電電價以天津市發改委工業用電電網銷售電價約0.7元/(kW·h)計算，則本項目發電年收入為1 174×104元/a，年運營費用預估為100×104元/a，則年利潤為1 074×104元/a。

冷庫負荷為3 912 kW，根據制冷能效比為2計算，節約電功率為1 956 kW，則全年節電量為1 713.5×104kW·h。根據某已建成冷庫規模推算該LNG冷能冷庫庫容約可達5.5×104t。冷庫收益根據冷庫市場調研數據進行計算，冷庫的出租價格按3元/(t·d)計算，運營費用估算為3 660×104元/a，則冷庫年收入6 022.5×104元/a，年利潤為2 362.5×104元/a。

數據中心負荷為3 912 kW，根據制冷能效比為5計算，節約電功率為782 kW，則全年節電量為685×104kW·h。根據市場上機房租賃、增值服務等價格估算得到數據中心年收入為6 720×104元/a，運營費用按3 770×104元/a計算，則本項目數據中心年利潤為2 950×104元/a。

綜合以上分析可得，LNG冷能用于發電、冷庫以及數據中心項目年利潤共計6 386.5×104元/a。

此項目設施和設備數量及價格見表3。由表3可得總投資26 797×104元，則本項目投資回收期為4.19 a，回收期較短。

表3 設施和設備數量及價格

續表3

4 結論

以某LNG應急儲備項目為背景，對LNG冷能綜合利用技術進行研究，設計了LNG冷能用于發電、冷庫及數據中心聯合技術的工藝流程。該工藝流程以乙烷-丙烷混合體系作為一次冷媒進行冷能發電，采用丙烷作為二次冷媒為冷庫和數據中心提供冷量，實現了較大溫度跨度的冷能梯級利用方式，并有效提高了冷能發電效率。此設計中冷能發電區、冷庫區以及數據中心區的運行相對獨立，其中任一個區域發生異常時，均不會影響其他區域的正常運行。通過調節閥門，可確保非故障區域的生產和LNG的氣化。利用Aspen軟件對工藝流程進行模擬并優化，結合市場調查，對系統經濟性進行分析。本項目年利潤為6 386.5×104元/a，設施和設備總投資26 797×104元，項目投資回收期為4.19 a，回收期較短，有良好的經濟效益。