賴建波， 郭保玲， 陳照烽， 程韋豪

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)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(huán)境問(wèn)題的不斷突出，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)變化。液化天然氣(LNG)[1]因清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源。在LNG接收站，需將LNG通過(guò)氣化器氣化后使用，據(jù)測(cè)算，1 t LNG氣化過(guò)程釋放830～860 MJ的冷能[2]。目前，我國(guó)正大力發(fā)展節(jié)能減排，對(duì)LNG冷能進(jìn)行回收利用，既降低生產(chǎn)成本，又符合我國(guó)節(jié)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(fā)電[5-6]、制冰[7-8]、制液態(tài)CO2和干冰[9-10]、冷庫(kù)[11]和深冷粉碎[12]等。由于溫位不匹配，無(wú)法選擇合適的冷媒，不能實(shí)現(xiàn)冷能梯級(jí)利用，導(dǎo)致冷能利用方式單一。

近年來(lái)，研究者們開始針對(duì)LNG冷能用于數(shù)據(jù)中心展開研究。數(shù)據(jù)中心99%的熱量來(lái)自IT設(shè)備的運(yùn)行散熱，配套的空調(diào)系統(tǒng)用電量占總能耗的35%[13]?？梢岳肔NG冷能對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻，以支撐數(shù)據(jù)中心散熱需求。此外，還可利用LNG冷能發(fā)電供給數(shù)據(jù)中心使用，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行能耗。

某LNG應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目(位于天津市)毗鄰海岸以及工業(yè)區(qū)，該區(qū)域有著巨大的冷量需求。筆者為此項(xiàng)目設(shè)計(jì)冷能梯級(jí)利用工藝，即LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)和數(shù)據(jù)中心聯(lián)合技術(shù)。除滿足自身電力需求外，還可為周邊海鮮產(chǎn)業(yè)等提供冷量，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗，提高LNG冷能利用效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目背景

該LNG應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目主要包括接收站、碼頭及外輸管道3部分。若不進(jìn)行回收利用，將造成大量的能源浪費(fèi)以及冷污染。由于該項(xiàng)目所處地域漁業(yè)資源豐富，大量漁業(yè)產(chǎn)品的儲(chǔ)存需要冷庫(kù)保鮮。附近的港口貨物吞吐量大，其中農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)品、部分輕工、醫(yī)藥產(chǎn)品及化工原料都需要冷庫(kù)儲(chǔ)存。此外，LNG冷能回收利用技術(shù)將為該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)中心提供清潔高效的能源保障，解決城市發(fā)展過(guò)程中高耗能產(chǎn)業(yè)與信息需求的矛盾，充分利用資源的同時(shí)，也能夠帶動(dòng)燃?xì)夤?jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于該項(xiàng)目耗電量巨大，因此可以通過(guò)LNG冷能發(fā)電對(duì)LNG的冷能進(jìn)行回收利用，采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的電力方案，電量供廠站自用，能有效降低廠站的生產(chǎn)成本，還可以提高廠站供電的穩(wěn)定性[14-15]。基于此，為此LNG應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目設(shè)計(jì)LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)及數(shù)據(jù)中心聯(lián)合技術(shù)的工藝流程，對(duì)其冷量進(jìn)行回收利用。

該項(xiàng)目LNG氣化規(guī)模為500×104t/a，氣化質(zhì)量流量為570 t/h，氣化壓力為8 MPa。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)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(jié)點(diǎn)參數(shù)

① 工藝流程

LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)及數(shù)據(jù)中心聯(lián)合技術(shù)的工藝流程見圖1。圖1中泵A、B在實(shí)際運(yùn)行中的作用是抵消循環(huán)阻力，在模擬計(jì)算中其揚(yáng)程取0。

圖1 LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)及數(shù)據(jù)中心聯(lián)合技術(shù)的工藝流程

從圖1可以看出，該工藝流程主要分為4個(gè)區(qū)域：LNG氣化區(qū)、冷能發(fā)電區(qū)、冷庫(kù)區(qū)以及數(shù)據(jù)中心區(qū)。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(fā)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(kù)和數(shù)據(jù)中心。

LNG氣化區(qū)：從LNG儲(chǔ)罐出來(lái)的0.4 MPa、-162 ℃的LNG，經(jīng)流體泵增壓后，分為兩路，一路LNG質(zhì)量流量為114 t/h，通過(guò)節(jié)點(diǎn)1后依次進(jìn)入換熱器1、換熱器2，分別與C2C3冷媒、C3冷媒換熱氣化，變?yōu)樘烊粴夂筮M(jìn)入海水復(fù)熱器，升溫至0 ℃送至外輸管網(wǎng)；另一路LNG沿廠站原LNG氣化調(diào)壓系統(tǒng)外輸。換熱器3作為備用換熱器，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)換熱器3所在支路閥門關(guān)閉。

冷能發(fā)電區(qū)：低溫液態(tài)C2C3經(jīng)泵加壓后分成兩股，分別經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)31、33，與來(lái)自數(shù)據(jù)中心區(qū)和冷庫(kù)區(qū)的氣態(tài)C3換熱后，再被循環(huán)熱水加熱氣化，進(jìn)入膨脹機(jī)做功，輸出電能。然后氣態(tài)C2C3流經(jīng)節(jié)點(diǎn)37進(jìn)入換熱器1與LNG換熱，氣態(tài)C2C3溫度降低并液化，流經(jīng)節(jié)點(diǎn)39進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。C2C3冷媒儲(chǔ)罐為緩沖罐，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，液態(tài)C2C3冷媒不進(jìn)入儲(chǔ)罐，直接通過(guò)管道進(jìn)入下一循環(huán)；當(dāng)換熱負(fù)荷降低時(shí)，過(guò)量液態(tài)C2C3會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)換熱負(fù)荷提高時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)C2C3經(jīng)泵加壓后進(jìn)入管道參與循環(huán)。

冷庫(kù)區(qū)：系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)25、26所在支路閥門關(guān)閉。在冷庫(kù)換熱后的氣態(tài)C3冷媒與部分來(lái)自數(shù)據(jù)中心的氣態(tài)C3冷媒混合，流經(jīng)節(jié)點(diǎn)19后分為兩股，一股流經(jīng)節(jié)點(diǎn)22、23進(jìn)入換熱器2，與經(jīng)過(guò)一次換熱后的低溫天然氣換熱，溫度降低并液化后進(jìn)入C3冷媒儲(chǔ)罐。另一股則流經(jīng)節(jié)點(diǎn)20進(jìn)入換熱器4，與經(jīng)流體泵加壓后的低溫C2C3冷媒換熱，溫度降低并液化后進(jìn)入C3冷媒儲(chǔ)罐。從C3冷媒儲(chǔ)罐出來(lái)的低溫液態(tài)C3冷媒分為兩股，其中一股進(jìn)入數(shù)據(jù)中心區(qū)，另一股流經(jīng)節(jié)點(diǎn)17進(jìn)入冷庫(kù)區(qū)，與來(lái)自冷庫(kù)的CaCl2水溶液換熱后升溫氣化，進(jìn)入下一循環(huán)。從冷庫(kù)出來(lái)的CaCl2水溶液，與C3換熱后溫度降低，進(jìn)入冷庫(kù)制冷。完成制冷后的CaCl2水溶液溫度升高并進(jìn)入下一循環(huán)。

數(shù)據(jù)中心區(qū)：在數(shù)據(jù)中心換熱后的氣態(tài)C3冷媒分為兩股，一股與來(lái)自冷庫(kù)的氣態(tài)C3冷媒混合；另一股則流經(jīng)節(jié)點(diǎn)15進(jìn)入換熱器6，與經(jīng)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(chǔ)罐來(lái)的液態(tài)C3冷媒匯合，分為兩股，其中一股進(jìn)入冷庫(kù)區(qū)，另一股流經(jīng)節(jié)點(diǎn)12進(jìn)入數(shù)據(jù)中心區(qū)，與來(lái)自數(shù)據(jù)中心的CaCl2水溶液換熱后升溫氣化，進(jìn)入下一循環(huán)。從數(shù)據(jù)中心出來(lái)的CaCl2水溶液，與C3換熱后溫度降低，進(jìn)入數(shù)據(jù)中心制冷，完成制冷后的CaCl2水溶液溫度升高并進(jìn)入下一循環(huán)。

② 節(jié)點(diǎn)參數(shù)

使用Aspen軟件對(duì)LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)以及數(shù)據(jù)中心聯(lián)合技術(shù)的工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬。通過(guò)對(duì)C2C3中乙烷、丙烷的各種混合比例進(jìn)行模擬，得知當(dāng)乙烷、丙烷的物質(zhì)的量比為5∶5時(shí)(稱為C2C3最優(yōu)比)，系統(tǒng)換熱過(guò)程最優(yōu)。

當(dāng)采用C2C3最優(yōu)比進(jìn)行模擬時(shí)，模擬結(jié)果顯示，流體泵、C2C3加壓泵的功率分別為696 kW和60 kW。膨脹機(jī)發(fā)電功率、冷庫(kù)的換熱負(fù)荷以及數(shù)據(jù)中心的換熱負(fù)荷分別為1 914 kW、3 912 kW以及3 912 kW。模擬流程中各節(jié)點(diǎn)物流參數(shù)見表2。

表2 模擬流程中各節(jié)點(diǎn)物流參數(shù)

續(xù)表2

2.3 工藝優(yōu)化分析

通常情況下，對(duì)于LNG冷能梯級(jí)利用系統(tǒng)，當(dāng)某一工段發(fā)生異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝停車。本項(xiàng)目通過(guò)利用同種冷媒(C3)為數(shù)據(jù)中心區(qū)和冷庫(kù)區(qū)供冷，解決了此問(wèn)題。當(dāng)冷能發(fā)電區(qū)、數(shù)據(jù)中心區(qū)或冷庫(kù)區(qū)其中一個(gè)區(qū)域發(fā)生異常需要停止生產(chǎn)時(shí)，不會(huì)影響其他區(qū)域的生產(chǎn)，具體分析如下。

① 冷能發(fā)電區(qū)需要檢修或發(fā)生異常

當(dāng)冷能發(fā)電區(qū)需要檢修或發(fā)生異常需要停機(jī)時(shí)，只需關(guān)閉節(jié)點(diǎn)2、15、20所處支路的閥門，打開節(jié)點(diǎn)5、25、26所在支路的閥門，即可保證LNG氣化、冷庫(kù)以及數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行。此時(shí)C2C3冷媒循環(huán)系統(tǒng)停止運(yùn)行，進(jìn)入LNG氣化區(qū)的LNG僅通過(guò)換熱器3與氣態(tài)C3冷媒換熱。由于冷能發(fā)電區(qū)停止工作，整體冷能負(fù)荷降低，需要增大進(jìn)入廠站原LNG氣化調(diào)壓系統(tǒng)的LNG流量，以維持LNG的正常氣化。此時(shí)，從數(shù)據(jù)中心來(lái)的氣態(tài)C3不再與C2C3冷媒換熱液化，而是全部通過(guò)節(jié)點(diǎn)14與從冷庫(kù)區(qū)來(lái)的氣態(tài)C3匯合，送往LNG氣化區(qū)，進(jìn)入換熱器3與LNG進(jìn)行換熱。因此，雖然冷能發(fā)電區(qū)停止工作，但C3冷媒仍能為冷庫(kù)和數(shù)據(jù)中心提供冷量，保證了其余區(qū)域的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

② 數(shù)據(jù)中心區(qū)需要檢修或發(fā)生異常

當(dāng)數(shù)據(jù)中心區(qū)發(fā)生異常需要停止向其供冷時(shí)，只需關(guān)閉節(jié)點(diǎn)12和33所處支路的閥門，停止液態(tài)C3冷媒向數(shù)據(jù)中心供應(yīng)，即可保證冷庫(kù)和冷能發(fā)電區(qū)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，低溫C2C3冷媒只進(jìn)入換熱器4與氣態(tài)C3冷媒換熱；液態(tài)C3冷媒(節(jié)點(diǎn)11)不分流，全部送往冷庫(kù)區(qū)與CaCl2水溶液換熱。

③ 冷庫(kù)區(qū)需要檢修或發(fā)生異常

同理，當(dāng)冷庫(kù)區(qū)需要檢修或者發(fā)生異常需要停機(jī)時(shí)，只需關(guān)閉節(jié)點(diǎn)17所處支路的閥門，切斷液態(tài)C3冷媒進(jìn)入冷庫(kù)區(qū)，即可保證數(shù)據(jù)中心和冷能發(fā)電區(qū)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，冷庫(kù)和數(shù)據(jù)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(gè)區(qū)域需要停機(jī)時(shí)，多余C3冷媒能夠送往另一區(qū)域被利用。此工藝避免了由于某一生產(chǎn)過(guò)程停止，造成整體項(xiàng)目停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，大大提高了整體項(xiàng)目的操作彈性和容錯(cuò)率。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

Aspen軟件模擬結(jié)果顯示，在LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)以及數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中，LNG冷能發(fā)電量為1 914 kW，按全年365 d、每天24 h滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)算，則全年發(fā)電量為1 677×104kW·h。冷能發(fā)電電價(jià)以天津市發(fā)改委工業(yè)用電電網(wǎng)銷售電價(jià)約0.7元/(kW·h)計(jì)算，則本項(xiàng)目發(fā)電年收入為1 174×104元/a，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用預(yù)估為100×104元/a，則年利潤(rùn)為1 074×104元/a。

冷庫(kù)負(fù)荷為3 912 kW，根據(jù)制冷能效比為2計(jì)算，節(jié)約電功率為1 956 kW，則全年節(jié)電量為1 713.5×104kW·h。根據(jù)某已建成冷庫(kù)規(guī)模推算該LNG冷能冷庫(kù)庫(kù)容約可達(dá)5.5×104t。冷庫(kù)收益根據(jù)冷庫(kù)市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，冷庫(kù)的出租價(jià)格按3元/(t·d)計(jì)算，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用估算為3 660×104元/a，則冷庫(kù)年收入6 022.5×104元/a，年利潤(rùn)為2 362.5×104元/a。

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷為3 912 kW，根據(jù)制冷能效比為5計(jì)算，節(jié)約電功率為782 kW，則全年節(jié)電量為685×104kW·h。根據(jù)市場(chǎng)上機(jī)房租賃、增值服務(wù)等價(jià)格估算得到數(shù)據(jù)中心年收入為6 720×104元/a，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用按3 770×104元/a計(jì)算，則本項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心年利潤(rùn)為2 950×104元/a。

綜合以上分析可得，LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)以及數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目年利潤(rùn)共計(jì)6 386.5×104元/a。

此項(xiàng)目設(shè)施和設(shè)備數(shù)量及價(jià)格見表3。由表3可得總投資26 797×104元，則本項(xiàng)目投資回收期為4.19 a，回收期較短。

表3 設(shè)施和設(shè)備數(shù)量及價(jià)格

續(xù)表3

4 結(jié)論

以某LNG應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目為背景，對(duì)LNG冷能綜合利用技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了LNG冷能用于發(fā)電、冷庫(kù)及數(shù)據(jù)中心聯(lián)合技術(shù)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(jìn)行冷能發(fā)電，采用丙烷作為二次冷媒為冷庫(kù)和數(shù)據(jù)中心提供冷量，實(shí)現(xiàn)了較大溫度跨度的冷能梯級(jí)利用方式，并有效提高了冷能發(fā)電效率。此設(shè)計(jì)中冷能發(fā)電區(qū)、冷庫(kù)區(qū)以及數(shù)據(jù)中心區(qū)的運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，其中任一個(gè)區(qū)域發(fā)生異常時(shí)，均不會(huì)影響其他區(qū)域的正常運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)閥門，可確保非故障區(qū)域的生產(chǎn)和LNG的氣化。利用Aspen軟件對(duì)工藝流程進(jìn)行模擬并優(yōu)化，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。本項(xiàng)目年利潤(rùn)為6 386.5×104元/a，設(shè)施和設(shè)備總投資26 797×104元，項(xiàng)目投資回收期為4.19 a，回收期較短，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。