一种火电厂耦合数据中心综合能源系统及运行方法与流程

1.本发明涉及火电厂供冷技术领域，尤其涉及一种火电厂耦合数据中心综合能源系统及运行方法。


背景技术：

2.国内数据中心市场伴随着互联网发展而迅速发展，一方面互联网行业客户由于自身业务发展的需要，对数据中心资源需求旺盛；另一方面5g、云计算、大数据等网络架构的迅速演进和网络应用的不断丰富也产生了大量的数据中心机房和带宽需求。中国数据中心市场方面，2014年中国数据中心业务市场总规模372.2亿元，2018年中国数据中心业务市场总规模达1228亿元，同比增长29.8％。预计2020年市场规模将突破2000亿元。
3.数据中心能耗中40％为维持空调制冷负荷的能耗，目前建成的数据中心绝大部分是依靠大型电压缩制冷机组满足数据中心的制冷需求，供电来自区域电网。而目前我国电网电力60％以上来自燃煤火电机组，纯凝燃煤火电机组的一次能源利用效率仅为35％以下，火电机组所燃烧的煤炭能源中的65％都作为冷源损失通过火电厂的冷水塔散失到大气中。即使是冬季能源利用效率相对较高的热电联产机组，其夏季也只能纯凝运行，能源利用效率也会降低到35％以下。这样低效率的燃煤火电发出的电力又要经过长距离的电网输送才能到达数据中心，电网输送过程中的线路损耗也高达6％以上。因此，最终供给数据中心和数字城市的供电的一次能源利用效率仅有30％左右。而且这样以煤炭为主要燃料的火电厂的碳排放量，也成为国内电力行业碳排放的主流。另一方面，目前数据中心运营中面临着电费成本高和能效考核压力大的双重考验，如何提高数据中心的能源利用效率和降低其运行成本特别是电费成本成为发展数据产业的关键。
4.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是火电厂能源利用率低、综合能效低，且数据中心电费及制冷成本高。
6.为解决上述问题，本发明提供了一种火电厂耦合数据中心综合能源系统，包括锅炉、汽轮机、发电机及数据中心，还包括：火电厂热量利用单元、吸收式制冷机组、数据中心供电单元、数据中心制冷单元；所述火电厂热量利用单元与所述吸收式制冷机组连接，利用火电厂锅炉烟气、锅炉蒸汽、汽轮机抽汽或汽轮机排汽的热量驱动吸收式制冷机组，或利用火电厂冷源损失热量驱动所述吸收式制冷机组，所述吸收式制冷机组生产低温工质供给所述数据中心制冷单元，用于数据中心空调制冷；所述数据中心供电单元与火电厂发电机出线、升压站出线、厂用电母线连接，利用火电厂所发电力、火电厂调峰调频富余电力或电网电力满足数据中心的稳定供电。
7.所述火电厂热量利用单元包括锅炉、汽轮机等，在一般情况下，数据中心需要消耗大量的电力和冷量，本技术将数据中心与火电厂耦合，将火电厂发电机出线、升压站出线、
厂用电母线与数据中心连接，所述火电厂发电机出线可提供火电厂所发电力，所述升压站出线可提供火电厂调峰调频富余电力，所述厂用电母线可提供电网电力，该设置可以就近使用火电厂所发电力、调峰调频富余电力为数据中心供电，同时将电网电力作为备用电源使用，最大程度地保障数据中心的供电稳定性，利用火电厂所发电力或者火电厂调峰调频富余电力供电也可以大大降低数据中心的用电成本，同时，在火电厂与数据中心之间设置吸收式制冷机组，将现有技术中作为冷源损失消耗掉的热量用来生产低温工质，再将低温工质供给数据中心的制冷单元，从而大大降低了制冷单元的制冷损耗，与此同时又完成了火电厂产生的烟气和热水的降温过程，降低了冷水塔的工作量，该系统既能满足火电厂节能减排的环保需求，又能满足数据中心需要稳定的电力和制冷设施的运行需求，需要说明的是，所述火电厂冷源损失热量包括汽轮机抽汽、汽轮机排汽、循环水余热利用等环节的热量损失。
8.进一步的，所述吸收式制冷机组为溴化锂吸收式制冷机组或氨水吸收式制冷机组；其中，所述溴化锂吸收式制冷机组为单效吸收式机组、双效吸收式机组或多效吸收式机组。
9.优选的，所述吸收式制冷机组为溴化锂吸收式制冷机组，所述溴化锂吸收式制冷机组可用低压水蒸气或者温水作为热源、可以充分地利用火电厂发电之后产生的高温烟气和/或热水，更进一步的，双效吸收式的溴化锂吸收式制冷机组可以有效地利用低温位热能，从而有效地利用火电厂发电环节中各种不同温度的蒸汽和/或烟气，大大提高能源的利用效率。
10.进一步的，还包括热泵机组，所述吸收式制冷机组利用所述热泵机组吸收凝汽器循环冷却水余热或低压缸排汽余热生产的高温热水驱动制冷。
11.所述凝汽器设置在汽轮机低压缸排汽口和锅炉进水口之间，所述凝汽器用于将汽轮机的排汽冷凝成水供锅炉重新使用，同时，所述凝汽器还能够在汽轮机排汽处建立真空并维持真空，所述热泵装置可充分利用火电厂各个环节中的温水和/或烟气，将能源的利用效率最大化。
12.进一步的，所述热泵机组为电压缩式热泵或蒸汽或烟气余热驱动的吸收式热泵。
13.根据需要处理的热源状态选择采用电压缩式热泵或蒸汽或烟气余热驱动的吸收式热泵。
14.进一步的，还包括电压缩制冷机组，所述电压缩制冷机组为电压缩螺杆机组、离心机组、活塞机组、回转式机组中的任意一种。
15.所述电压缩制冷机组可以作为系统中唯一的制冷机组为系统提供冷源，也可以作为吸收式制冷机组的补充机组，从而确保为数据中心供应的冷量的稳定。
16.进一步的，所述电压缩制冷机组与火电厂发电机出线、升压站出线或厂用电母线连接，利用火电厂所发电力、火电厂调峰调频富余电力或电网电力满足电压缩制冷机组的稳定供电。
17.使用火电厂所发电力、调峰调频富余电力或电网电力供电，最大程度的保障电压缩制冷机组的供电稳定性，从而保证数据中心的供冷量。
18.进一步的，还包括蓄能装置和/或外供管网，所述蓄能装置用于将制冷机组生产的富余冷量储存，和/或，将火电厂余热储存；所述外供管网用于将制冷机组生产的富余冷量
对外输送给城市制冷系统，满足城市建筑和/或其他数据中心的制冷需求，或，将火电厂余热对外输送给城市供热系统，满足城市建筑和/或其他数据中心对供热的需求。
19.具体的，所述制冷机组为吸收式制冷机组和或电压缩式制冷机组，所述蓄能装置为单独的蓄冷装置和/或蓄热装置，也可以是蓄冷蓄热一体化装置，所述外供管网与城市现有的供热管网连接，或与新建的供冷管网连接，当与现有的供热管网连接时，可在不增加成本的情况下实现管网供热或供冷的功能。绝大多数情况下，火电厂的高温烟气和蒸汽的供应量较大，制冷机组生产的冷量在满足数据中心制冷的情况下还有富余，采用蓄能装置可以将高温烟气和蒸汽的富余热量和/或制冷机组产生的冷量储存，在高温烟气和蒸汽供应量不足时作为补充热源和/或冷源使用，外供管网可以将富余冷量为城市制冷系统供冷或者供给其他数据中心使用，也可以用火电厂富余的热量满足城市的制热需求或其他数据中心的制热需求。
20.进一步的，在所述吸收式制冷机组或电压缩制冷机组中，利用低温工质对数据中心制冷单元供冷时，如果供冷温度在0摄氏度以下时，采用的低温工质为乙二醇与水的混合溶液、液氮、液氨、液态制冷剂、液态二氧化碳和液态空气中的任意一种或组合。
21.以上低温工质的粘度、密度较小，可以减少制冷工质在系统中的流动阻力，并降低其充注量，同时其热导率大，可以提高系统的换热效率，且不易变质，可以满足系统长期运行需求。
22.本发明还公开了一种火电厂耦合数据中心综合能源系统的运行方法，用于如上所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统，包括如下步骤：
23.s1：根据火电厂机组系统特点和火电厂内场地情况及对外的数据通讯及网络通讯情况，设计数据中心的规模及供电供冷方式；
24.s2：根据数据中心的规模及供电供冷方式，选择所述制冷机组类型、制冷剂种类、驱动热量的来源、换热工质种类及温度范围、制冷机组生产的冷水或低温工质温度范围；
25.s3：根据电网对火电厂的调峰调频负荷需求，利用火电厂集控平台，充分利用火电厂调峰调频富余电力或富余蒸汽热量，驱动制冷机组，低成本生产冷量，并通过蓄能装置进行蓄冷储存，满足数据中心稳定的空调供冷；
26.s4：根据电网对火电厂的调峰调频负荷需求，利用火电厂集控平台，充分利用火电厂调峰调频富余电力供应给数据中心供电单元，低电价或负电价运行火电厂内的数据中心，降低数据中心的整体电费成本。
27.通过火电厂与制冷机组的耦合设置，利用火电厂产生的高温烟气、蒸汽等为吸收式制冷机组提供动力，将现有技术中作为冷源损失消耗掉的热量用来生产低温工质，再将低温工质供给数据中心制冷单元，从而大大降低了制冷损耗，同时将数据中心与火电厂耦合设置又可以最大程度地保证数据中心的用电安全，且大幅度地降低数据中心的用电成本。
28.进一步的，所述制冷机组为吸收式制冷机组，其驱动热源来自锅炉烟气余热、锅炉主蒸汽、再热蒸汽热量、火电厂冷源损失热量中的任意一种或几种的组合。
29.具体来说，所述吸收式制冷机组的驱动热源包括下列任意一种或几种的组合：
30.1、火电厂锅炉烟气余热，烟气引出口为省煤器前、空气预热器前、脱硫装置前、脱硝装置前、除尘器前、烟囱前，所述前后是指相对与烟气在锅炉尾部烟道内的流动方向，入
口为前，出口为后；
31.2、锅炉主蒸汽或再热蒸汽；
32.3、汽轮机抽汽(部分冷源损失热量)；
33.4、汽轮机排汽，包括高压缸排汽、中压缸排汽或低压缸排汽中的任意一种(部分冷源损失热量)；
34.5、凝汽器循环水余热(凝汽器冷源损失热量)。
35.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
36.1、利用火电厂内的调峰调频富余电力或低价电力满足数据中心的稳定供电，极大降低数据中心的运行电费成本。
37.2、利用火电厂的富余热量或富余电力驱动制冷机组，低成本满足数据中心的稳定的制冷需求。
38.3、充分利用火电机组的冷源损失，在火电厂内实现耦合数据中心的全年的热电冷三联产运行方式，大大提高火电机组的机组效率，降低火电机组度电煤耗。
附图说明
39.图1是本发明实施例1所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统示意图；
40.图2是本发明实施例2所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统示意图；
41.图3是本发明实施例3所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统示意图；
42.图4是本发明实施例4所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统示意图；
43.图5是本发明实施例5所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统的运行方法流程图。
44.附图标记说明：
45.1、吸收式制冷机组；2、锅炉；3、高压缸；4、中压缸；5、低压缸；6、凝汽器；7、除氧器；8、给水泵；9、数据中心；901、数据中心制冷单元；10、电压缩制冷机组；11、发电机；12、蓄能装置。
具体实施方式
46.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，对相同结构或功能的部件标注相同的附图标记，并省略其重复说明。所描述的实施例仅是对本发明构思的例示，并不对本发明的范围构成限制。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
47.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
48.下面结合附图具体描述本发明实施例的一种火电厂耦合数据中心综合能源系统及运行方法。
49.实施例1
50.本实施例提供一种火电厂耦合数据中心综合能源系统，如图1所示，包括火电厂锅炉2、汽轮机、发电机11及数据中心9，还包括：火电厂热量利用单元、吸收式制冷机组1、数据中心供电单元、数据中心制冷单元901；所述火电厂热量利用单元与所述吸收式制冷机组1连接，利用火电厂锅炉2烟气、锅炉2蒸汽、汽轮机抽汽或汽轮机排汽的热量驱动吸收式制冷机组1，或利用火电厂冷源损失热量驱动所述吸收式制冷机组1，所述吸收式制冷机组1生产低温工质供给所述数据中心制冷单元901，用于数据中心9空调制冷；所述数据中心供电单元与火电厂发电机出线、升压站出线或厂用电母线连接，利用火电厂所发电力、火电厂调峰调频富余电力或电网电力满足数据中心9的稳定供电，具体的，所述汽轮机包括高压缸3、中压缸4、低压缸5，通常情况下，在火电厂运行过中高压缸3的蒸汽做功之后再输入锅炉2中，提高过热度后输入中压缸4、低压缸5中继续做功，最后排入凝汽器6中，完成再热循环，在此过程中，高温烟气从锅炉排出、蒸汽或热水从中压缸4或低压缸5中排出后，还保存有较大的热量，这部分热量在现有技术中往往被浪费掉了，在本实施例中，所述吸收式制冷机组1与锅炉2烟气出口和/或中压缸4出口和/或低压缸5出口连接，通过锅炉2高温烟气和/或汽轮机抽汽或排汽的热量驱动吸收式制冷机组1，为数据中心9提供制冷冷媒，对火电厂中的废弃热力进行了充分的利用，从而大大降低了制冷单元的制冷损耗，与此同时又完成了火电厂产生的烟气和热水的降温过程，降低了冷水塔的工作量，提高了火电厂能源的利用效率，满足了火电厂节能减排的环保需求，另外，在本实施例中，所述火电厂热量利用单元包括锅炉2、汽轮机等，在一般情况下，数据中心9需要消耗大量的电力和冷量，将数据中心9与火电厂耦合，将火电厂发电机11出线、升压站出线、厂用电母线与数据中心9连接，所述火电厂发电机11出线可提供火电厂所发电力，所述升压站出线可提供火电厂调峰调频富余电力，所述厂用电母线可提供电网电力，该设置可以就近使用火电厂所发电力、调峰调频富余电力为数据中心供电，同时将电网电力作为备用电源使用，最大程度地保障数据中心9的供电稳定性，利用火电厂所发电力或者火电厂调峰调频富余电力供电也可以大大降低数据中心9的用电成本，需要说明的是，所述火电厂冷源损失热量包括汽轮机抽汽、汽轮机排汽、循环水余热利用等环节的热量损失。
51.具体的，所述吸收式制冷机组1为溴化锂吸收式制冷机组或氨水吸收式制冷机组；其中，所述溴化锂吸收式制冷机组为单效吸收式机组、双效吸收式机组或多效吸收式机组，优选的，所述吸收式制冷机组1为溴化锂吸收式制冷机组，所述溴化锂吸收式制冷机组可用低压水蒸气或者温水作为热源、可以充分地利用火电厂发电之后产生的高温烟气和/或热水，更进一步的，双效吸收式的溴化锂吸收式制冷机组可以有效地利用低温位热能，从而有效地利用火电厂发电环节中各种不同温度的蒸汽和/或烟气，大大提高能源的利用效率。
52.作为本发明的一个实施例，所述火电厂耦合数据中心综合能源系统还包括热泵机组，所述吸收式制冷机组1利用所述热泵机组吸收凝汽器6循环冷却水余热或低压缸5排汽余热生产的高温热水驱动制冷，所述凝汽器6设置在汽轮机低压缸5排汽口和锅炉2进水口之间，所述凝汽器6用于将汽轮机的排汽冷凝成水供锅炉重新使用，同时，所述凝汽器6还能够在汽轮机排汽处建立真空并维持真空，所述热泵装置可充分利用火电厂各个环节中的温水和/或烟气，将能源的利用效率最大化。
53.较佳的，所述热泵机组为电压缩式热泵或蒸汽或烟气余热驱动的吸收式热泵，具
体的，可以根据需要处理的热源状态选择具体的热泵类型，在此不做限定。
54.作为本发明的一个较佳的实施例，所述火电厂耦合数据中心综合能源系统还包括电压缩制冷机组10，所述电压缩制冷机组10为电压缩螺杆机组、离心机组、活塞机组、回转式机组中的任意一种，在本实施例中，所述电压缩制冷机组10可以作为系统中唯一的制冷机组为系统提供冷源，也可以作为吸收式制冷机组1的补充机组，从而确保为数据中心9供应的冷量的稳定。
55.较佳的，所述电压缩制冷机组10与火电厂发电机出线、升压站出线或厂用电母线连接，利用火电厂所发电力、火电厂调峰调频富余电力或电网电力满足电压缩制冷机组10的稳定供电，使用火电厂所发电力、调峰调频富余电力或电网电力供电，最大程度的保障电压缩制冷机组10的供电稳定性，从而保证数据中心9的供冷量。
56.在本实施例中，还包括蓄能装置12和/或外供管网，所述蓄能装置12用于将制冷机组生产的富余冷量储存，和/或，将火电厂余热储存；所述外供管网用于将制冷机组生产的富余冷量对外输送给城市制冷系统，满足城市建筑和/或其他数据中心的制冷需求，或，将火电厂余热对外输送给城市供热系统，满足城市建筑和/或其他数据中心对供热的需求，具体的，所述制冷机组为吸收式制冷机组1和/或电压缩制冷机组10，所述蓄能装置12为单独的蓄冷装置和/或蓄热装置，也可以是蓄冷蓄热一体化装置，所述外供管网与城市现有的供热管网连接，或与新建的供冷管网连接，当与现有的供热管网连接时，可在不增加成本的情况下实现管网供热或供冷的功能。绝大多数情况下，火电厂的高温烟气和蒸汽的供应量较大，制冷机组生产的冷量在满足数据中心9制冷的情况下还有富余，采用蓄能装置12可以将高温烟气和蒸汽的富余热量和/或制冷机组产生的冷量储存，在高温烟气和蒸汽供应量不足时作为补充热源和/或冷源使用，外供管网可以将富余冷量为城市制冷系统供冷或者供给其他数据中心使用，也可以用火电厂富余的热量满足城市的制热需求或其他数据中心的制热需求。
57.作为本发明的一个实施例，在所述吸收式制冷机组1或电压缩制冷机组10中，利用低温工质对数据中心制冷单元901供冷时，如果供冷温度在0摄氏度以下时，采用的低温工质为乙二醇与水的混合溶液、液氮、液氨、液态制冷剂、液态二氧化碳和液态空气中的任意一种或组合，以上低温工质的粘度、密度较小，可以减少制冷工质在系统中的流动阻力，并降低其充注量，同时其热导率大，可以提高系统的换热效率，且不易变质，可以满足系统长期运行需求。
58.需要说明的是，所述火电厂还包括烟囱、除氧器7、给水泵8等常规设备，从锅炉2中排出的高温烟气经过吸收式制冷机组1换热并净化后通过锅炉2烟囱排出，经过凝汽器6产生的冷凝水通过除氧器7除氧，然后由给水泵8输送入锅炉2中循环利用。
59.实施例2
60.本实施例提供一种火电厂耦合数据中心综合能源系统，如图2所示，与实施例1相比，本实施例在所述系统中仅设置有吸收式制冷机组1，在本实施例中，所述中压缸4排汽驱动吸收式制冷机组1生产低温工质，供给数据中心制冷单元901，常年稳定满足数据中心9的空调制冷需求。
61.火电厂所发电力经升压站之后经过降压变压器为数据中心9供电，当火电机组需要调峰时，利用火电机组富余的调峰廉价电力满足数据中心9供电需求；在火电机组非调峰
时段，火电厂所发电力通过厂用电母线给数据中心9供电。
62.实施例3
63.本实施例提供一种火电厂耦合数据中心综合能源系统，如图3所示，与实施例1相比，数据中心制冷单元901的冷源由电压缩制冷机组10产生，利用火电厂内的厂用电或调峰调频富余电力驱动电压缩制冷机组10生产低温冷水，满足数据中心9的制冷需求。
64.实施例4
65.本实施例提供一种火电厂耦合数据中心综合能源系统，如图4所示，与实施例2或实施例3相比，还设置有蓄能装置12，利用火电厂的调峰调频富余电力和/或富余的蒸汽驱动制冷机组，所述制冷机组为吸收式和/或电压缩式，具体的，富余电力用于驱动电压缩制冷机组10，富余蒸汽用于驱动吸收式制冷机组1，产生的冷量利用冰蓄冷或水蓄冷实现蓄冷，满足数据中心9全天24小时的供冷需求，包括非调峰调频时段，没有富余电力或富余蒸汽的时段，利用冰蓄冷或水蓄冷的蓄冷量满足数据中心9的持续供冷。
66.实施例5
67.本实施例提供一种火电厂耦合数据中心综合能源系统的运行方法，用于如实施例1-4中任一所述的火电厂耦合数据中心综合能源系统，如图5所示，包括如下步骤：
68.s1：根据火电厂机组系统特点和火电厂内场地情况及对外的数据通讯及网络通讯情况，设计数据中心的规模及供电供冷方式；
69.s2：根据数据中心的规模及供电供冷方式，选择所述制冷机组类型、制冷剂种类、驱动热量的来源、换热工质种类及温度范围、制冷机组生产的冷水或低温工质温度范围；
70.s3：根据电网对火电厂的调峰调频负荷需求，利用火电厂集控平台，充分利用火电厂调峰调频富余电力或富余蒸汽热量，驱动制冷机组，低成本生产冷量，并通过蓄能装置进行蓄冷储存，满足数据中心稳定的空调供冷；
71.s4：根据电网对火电厂的调峰调频负荷需求，利用火电厂集控平台，充分利用火电厂调峰调频富余电力供应给数据中心供电单元，低电价或负电价运行火电厂内的数据中心，降低数据中心的整体电费成本。
72.通过火电厂与制冷机组的耦合设置，利用火电厂产生的高温烟气、蒸汽等为吸收式制冷机组1提供动力，将现有技术中作为冷源损失消耗掉的热量用来生产低温工质，再将低温工质供给数据中心制冷单元901，从而大大降低了制冷损耗，同时将数据中心9与火电厂耦合设置又可以最大程度地保证数据中心9的用电安全，且大幅度地降低数据中心9的用电成本。
73.作为本发明的一个实施例，所述制冷机组为吸收式制冷机组1，其驱动热源来自锅炉烟气余热、锅炉主蒸汽、再热蒸汽热量、火电厂冷源损失热量中的任意一种或几种的组合。
74.具体来说，所述吸收式制冷机组的驱动热源包括下列任意一种或几种的组合：
75.1、火电厂锅炉烟气余热，烟气引出口为省煤器前、空气预热器前、脱硫装置前、脱硝装置前、除尘器前、烟囱前，所述前后是指相对与烟气在锅炉尾部烟道内的流动方向，入口为前，出口为后；
76.2、锅炉主蒸汽或再热蒸汽；
77.3、汽轮机抽汽(部分冷源损失热量)；
78.4、汽轮机排汽包括高压缸排汽、中压缸排汽或低压缸排汽中的任意一种(部分冷源损失热量)；
79.5、凝汽器循环水余热(凝汽器冷源损失热量)。
80.以上具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围内。