基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统及其控制方法与流程

1.本发明属于热回收利用技术领域，具体涉及一种基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统及其控制方法。


背景技术：

2.互联网、大数据、人工智能等数字经济的快速发展正在改变人们的生活方式，数据中心作为海量数据的承载与传输实体，是5g通信、大数据、物联网、人工智能等信息产业的核心基础设施。随着数据中心规模化发展，其高能耗问题正变得日益严峻。数据中心机房内有大量的服务器、存储器、交换机等设备，这些设备长期处于开启状态，消耗巨大电能的同时也产生大量的热量。目前，数据中心用电量占全社会用电量的2％左右。数据中心巨大电耗最终都转化为热量排出，该部分热量由于温度低，余热回收利用难度大，应用场景受限，尚未得到充分利用。
3.燃气轮机供能系统的排烟温度一般为500～600℃，烟气中仍存在余热可以进行回收利用。溴化锂吸收式制冷机，简称溴冷机，以水为制冷剂，溴化锂水溶液作为吸收剂，制取用于空调系统的冷冻水。溴化锂属盐类，无毒，化学性质稳定。溴冷机可用低压水蒸气作为热源，因此可以对燃气轮机排放的烟气进行余热回收与利用。
4.液化天然气(lng)，主要成分是甲烷，无色无味无毒且无腐蚀性。lng燃烧后对空气污染小，而且放出热量大，适合用作燃气轮机的燃料，是一种清洁、高效的生态型优质能源和燃料。常压下lng的温度为-163℃，存储在低温储存罐内，使用时需重新气化。为了节约气化lng所需的能源，考虑将数据中心冷却系统回水中的余热用于气化lng，为市政天然气管网供气，同时实现数据中心余热的回收利用。lng是液化的天然气，而ng就是自然状态天然气。
5.现有技术，如申请号为201911129266.5的中国专利，公开了一种基于分布式能源的数据中心余热利用系统及方法。利用内燃机、溴冷机、板式换热器、数据中心、蓄电池组、蓄热水箱、光伏/风力发电系统等实现了燃气分布式供能系统余热的回收，同时利用内燃机发电为数据中心和电网供电。但是，该系统仅实现烟气余热的回收，对于数据中心回水的余热没有有效回收利用，造成能量的浪费。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统及其控制方法。
7.本发明采用的技术方案是：一种基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统，包括市政管网、数据中心冷冻水供回系统、lng梯级换热系统、天然气供应回路、燃气轮机余热利用系统；其中，
8.所述市政管网用于给数据中心供电，并接收燃气轮机余热利用系统的余电或余
气；
9.所述数据中心冷冻水供回系统用于分流数据中心回水并输送至lng梯级换热系统或燃气轮机余热利用系统，并将数据中心回水换热后汇合流至数据中心供水；
10.所述lng梯级换热系统用于利用数据中心回水余热气化液态lng制取气态ng；
11.所述天然气供应回路用于加热气态ng，并根据气态ng的生产量向市政管网或燃气轮机余热利用系统输送气态ng；
12.所述燃气轮机余热利用系统用于利用燃烧过量的ng发电，输送至市政管网为数据中心供电，用于利用燃烧后的ng烟气换热制取冷冻水。
13.所述市政管网包括市政电网和市政天燃气管网；所述数据中心冷冻水供回系统由数据中心、第一循环泵、第二三通阀、第二循环泵、第三三通阀通过管路连接，所述第一循环泵用于将数据中心回水输送至lng梯级换热系统后流至数据中心供水，所述第二循环泵用于将数据中心回水输送至燃气轮机余热利用系统后流至数据中心供水；所述lng梯级换热系统由丙烷循环泵、第一换热器、第二换热器通过管路连接，所述丙烷循环泵用于lng梯级换热系统的内循环；所述天然气供应回路由lng循环泵、lng储罐、第二换热器、第一三通阀、电加热器通过管路连接，所述lng循环泵用于将液态lng输出加热至气态ng；所述燃气轮机余热利用系统由燃气轮机组、溴冷机通过管路连接。
14.上述方案中，所述市政管网利用市政电网提供数据中心所需用电，并接收燃机轮机组所发余电，实现电能的合理利用；利用市政天然气管网接收通入燃气轮机组的余气，实现余热利用，提高机组效率。
15.进一步优选的结构，所述数据中心的回水口通过管路连接于第二三通阀的第一连接端上，所述第二三通阀的第二连接端、第三连接端分别通过管路与第一换热器第一输入端、溴冷机回水端连通；所述第一换热器第一输出端、所述溴冷机供水端分别通过管路连接于第三三通阀的第一连接端、第二连接端上，所述第三三通阀的第三连接端通过管路与数据中心的供水口连通；所述第一循环泵设置于所述第二三通阀与溴冷机之间的管路上，所述第二循环泵设置于所述第一换热器与第三三通阀之间的管路上。
16.进一步优选的结构，所述第二循环泵与第三三通阀之间的管路上设有第十阀门，所述第一循环泵与第二三通阀之间的管路上设有第九阀门，所述第一循环泵与溴冷机之间的管路上设有第八阀门，所述溴冷机与第三三通阀之间的管路上设有第七阀门。
17.上述方案中，所述数据中心冷冻水供回系统利用第二三通阀将数据中心产生的数据中心冷却系统回水分为两路，一路由第二循环泵驱动，通入第一换热器对余热进行利用，另一路由第一循环泵驱动，通入溴冷机对余热进行利用；利用第三三通阀汇合两路降温后的冷冻水回水，作为数据中心供水，通入数据中心。
18.进一步优选的结构，所述第一换热器、第二换热器连接于循环管路上，所述第一换热器第二输出端与第二换热器第一输入端之间的管路上设有丙烷循环泵、第一阀门，所述第一换热器第二输入端与第二换热器第一输出端之间的管路上设有第二阀门。
19.上述方案中，所述lng梯级换热系统由丙烷循环泵驱动中间换热工质丙烷，采用相变换热，相变温度约为10摄氏度，通过第一换热器，丙烷由液态转化为气态，吸收数据中心回水中的余热，再通过第二换热器将余热应用于lng气化，由气态冷凝成液态,实现数据中心余热利用。
20.进一步优选的结构，所述lng储罐出口通过管路与第二换热器第二输入端连通，所述第二换热器第二输出端通过管路与电加热器输入端连通，所述lng循环泵设置于所述lng储罐与第二换热器之间的管路上，所述电加热器输出端通过管路连接于第一三通阀的第一连接端上，所述第一三通阀的第二连接端、第三连接端分别通过管路与市政天然气管网、燃气轮机组输入端连通。
21.进一步优选的结构，所述lng循环泵与lng储罐之间的管路上设有第四阀门，所述lng循环泵与第二换热器之间的管路上设有第三阀门，所述第二换热器第二输出端与电加热器输入端之间的管路上设有第五阀门，所述第二换热器第二输出端与电加热器输出端之间的管路上设有第六阀门。
22.上述方案中，所述天然气供应回路由lng循环泵驱动，将lng从lng储罐中抽取出，利用第二换热器气化lng；当制取的ng温度达不到要求时，利用电加热器将ng加热到指定温度后再为市政天然气管网供气，实现对数据中心余热的回收利用；当数据中心余热量过大，制取的ng超出市政天然气管网的需求时，通过第一三通阀为燃气轮机组供气。
23.进一步优选的结构，所述燃气轮机组输出端通过管路与溴冷机进气端连通，所述溴冷机出气端排空。
24.一种基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统的控制方法，包括以下步骤：
25.(1)、当数据中心余热量较少时，数据中心回水通过lng梯级换热系统的第一换热器制取冷冻水，流至数据中心供水，满足数据中心供冷需求，通过天然气供应回路的第一换热器、第二换热器制取的ng供给市政天然气管网；
26.(2)、当数据中心余热量较大时，数据中心回水通过燃气轮机余热利用系统的溴冷机制取冷冻水，流至数据中心供水，满足数据中心供冷需求，通过天然气供应回路的第一换热器、第二换热器制取的ng超过市政天然气管网的接纳量，将余气供给燃气轮机组；
27.(3)、当制取的ng温度满足要求时，气化后的ng温度高于5摄氏度，为市政天然气管网和燃气轮机组供气；
28.(4)、当制取的ng温度达不到要求时，气化后的ng温度低于5摄氏度，利用天然气供应回路的电加热器将ng加热到指定温度后，为市政天然气管网和燃气轮机组供气。
29.所述燃气轮机组燃烧ng发电，辅助市政电网为数据中心供电；所述燃气轮机组燃烧后的烟气驱动溴冷机制取冷冻水。
30.本发明工作原理：将数据中心循环冷冻水回水作为低温热源，通过lng梯级换热系统，实现液化天然气(lng)吸热气化，而冷冻水回水放热后重新变为低温冷冻水进入数据中心循环利用；气化后的天然气进入燃气轮机组燃烧发电，所产电能用于数据中心供能，同时燃气轮机组产生的高温烟气驱动溴冷机生产冷冻水用于数据中心辅助供冷。
31.本发明的有益效果是：将含有大量可利用余热的数据中心回水用于lng气化，当余热量较大时，利用回水余热辅助运行燃气轮机和溴冷机，为数据中心辅助供电并提供冷冻水，提高系统的能量利用率，且系统简单稳定、经济可靠；降低数据中心能源供给成本及碳排放，有助于全球双碳目标的完成。
附图说明
32.图1是本发明系统原理图。
33.图中：1-市政电网；2-数据中心；3-丙烷循环泵；4-第一阀门；5-第一换热器；6-第二阀门；7-第三阀门；8-lng循环泵；9-第四阀门；10-lng储罐；11-第二换热器；12-第一三通阀；13-第六阀门；14-电加热器；15-第五阀门；16-燃气轮机组；17-溴冷机；18-第七阀门；19-第八阀门；20-第一循环泵；21-第九阀门；22-第二三通阀；23-第二循环泵；24-第十阀门；25-第三三通阀；26-市政天然气管网。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
35.如图1所示，一种基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统，包括市政管网、数据中心冷冻水供回系统、lng梯级换热系统、天然气供应回路、燃气轮机余热利用系统；其中，
36.所述市政管网用于给数据中心供电，并接收燃气轮机余热利用系统的余电或余气；
37.所述数据中心冷冻水供回系统用于分流数据中心回水并输送至lng梯级换热系统或燃气轮机余热利用系统，并将数据中心回水换热后汇合流至数据中心供水；
38.所述lng梯级换热系统用于利用数据中心回水余热气化液态lng制取气态ng；
39.所述天然气供应回路用于加热气态ng，并根据气态ng的生产量向市政管网或燃气轮机余热利用系统输送气态ng；
40.所述燃气轮机余热利用系统用于利用燃烧过量的ng发电，输送至市政管网为数据中心供电，用于利用燃烧后的ng烟气换热制取冷冻水。
41.所述市政管网包括市政电网1和市政天燃气管网26；所述数据中心冷冻水供回系统由数据中心2、第一循环泵20、第二三通阀22、第二循环泵23、第三三通阀25通过管路连接，所述第一循环泵20用于将数据中心回水输送至lng梯级换热系统后流至数据中心供水，所述第二循环泵23用于将数据中心回水输送至燃气轮机余热利用系统后流至数据中心供水；所述lng梯级换热系统由丙烷循环泵3、第一换热器5、第二换热器11通过管路连接，所述丙烷循环泵3用于lng梯级换热系统的内循环；所述天然气供应回路由lng循环泵8、lng储罐10、第二换热器11、第一三通阀12、电加热器14通过管路连接，所述lng循环泵8用于将液态lng输出加热至气态ng；所述燃气轮机余热利用系统由燃气轮机组16、溴冷机17通过管路连接。
42.所述数据中心2的回水口通过管路连接于第二三通阀22的第一连接端上，所述第二三通阀22的第二连接端、第三连接端分别通过管路与第一换热器5第一输入端、溴冷机17回水端连通；所述第一换热器5第一输出端、所述溴冷机17供水端分别通过管路连接于第三三通阀25的第一连接端、第二连接端上，所述第三三通阀25的第三连接端通过管路与数据中心2的供水口连通；所述第一循环泵20设置于所述第二三通阀22与溴冷机17之间的管路上，所述第二循环泵23设置于所述第一换热器5与第三三通阀25之间的管路上。
43.所述第二循环泵23与第三三通阀25之间的管路上设有第十阀门24，所述第一循环泵20与第二三通阀22之间的管路上设有第九阀门21，所述第一循环泵20与溴冷机17之间的管路上设有第八阀门19，所述溴冷机17与第三三通阀25之间的管路上设有第七阀门18。
44.所述第一换热器5、第二换热器11连接于循环管路上，所述第一换热器5第二输出端与第二换热器11第一输入端之间的管路上设有丙烷循环泵3、第一阀门4，所述第一换热器5第二输入端与第二换热器11第一输出端之间的管路上设有第二阀门6。
45.所述lng储罐10出口通过管路与第二换热器11第二输入端连通，所述第二换热器11第二输出端通过管路与电加热器14输入端连通，所述lng循环泵8设置于所述lng储罐10与第二换热器11之间的管路上，所述电加热器14输出端通过管路连接于第一三通阀12的第一连接端上，所述第一三通阀12的第二连接端、第三连接端分别通过管路与市政天然气管网26、燃气轮机组16输入端连通。
46.所述lng循环泵8与lng储罐10之间的管路上设有第四阀门9，所述lng循环泵8与第二换热器11之间的管路上设有第三阀门7，所述第二换热器11第二输出端与电加热器14输入端之间的管路上设有第五阀门15，所述第二换热器11第二输出端与电加热器14输出端之间的管路上设有第六阀门13。
47.所述燃气轮机组16输出端通过管路与溴冷机17进气端连通，所述溴冷机17出气端排空。
48.一种基于数据中心余热利用的冷-热-电-气供应系统的控制方法，包括以下步骤：
49.(1)、当数据中心2余热量较少时，数据中心回水通过lng梯级换热系统的第一换热器5制取冷冻水，流至数据中心供水，满足数据中心2供冷需求，通过天然气供应回路的第一换热器5、第二换热器11制取的ng供给市政天然气管网26；
50.(2)、当数据中心2余热量较大时，数据中心回水通过燃气轮机余热利用系统的溴冷机17制取冷冻水，流至数据中心供水，满足数据中心2供冷需求，通过天然气供应回路的第一换热器5、第二换热器11制取的ng超过市政天然气管网26的接纳量，将余气供给燃气轮机组16；
51.(3)、当制取的ng温度满足要求时，气化后的ng温度高于5摄氏度，为市政天然气管网26和燃气轮机组16供气；
52.(4)、当制取的ng温度达不到要求时，气化后的ng温度低于5摄氏度，利用天然气供应回路的电加热器14将ng加热到指定温度后，为市政天然气管网26和燃气轮机组16供气。
53.所述燃气轮机组16燃烧ng发电，辅助市政电网1为数据中心2供电；所述燃气轮机组16燃烧后的烟气驱动溴冷机17制取冷冻水。
54.市政电网1用于为数据中心日常运行进行供电，并接纳燃气轮机组16所发的余电，实现电能的合理利用。利用市政天然气管网26接纳天然气供应回路制取的ng。
55.上述步骤(1)和步骤(2)中，第二三通阀22将数据中心2产生的数据中心冷却系统回水分为两路，第三三通阀25汇合进行余热利用后的数据中心冷冻水回水，通入数据中心2，为数据中心提供冷冻水。当数据中心余热量较小时，由第二循环泵23驱动数据中心回水，回水从第二三通阀22左侧流入，右侧流出，进入第一换热器5对余热进行利用，此时应打开第二三通阀22、第十阀门24、第三三通阀25；当数据中心余热量较大，制取的ng超过市政天然气管网26的接纳量时，由第一循环泵20驱动，将另一路数据中心回水通入溴冷机17制取冷冻水，此时应打开第七阀门18、第八阀门19、第九阀门21、第二三通阀22、第三三通阀25，此时回水从第二三通阀22左侧流入，上侧和右侧分别流出，冷冻水从第三三通阀25下侧和右侧流入，从左侧流出。
56.上述步骤(3)和步骤(4)中，所述lng梯级换热系统由丙烷循环泵3、第一换热器5、第二换热器11通过管路连接而成；利用丙烷循环泵3驱动中间换热工质丙烷进行循环，通过第一换热器5与数据中心回水进行换热，丙烷气化，由液态变为气态，获取数据中心回水中的余热。通过第二换热器11将余热应用于lng气化，丙烷由气态冷凝成液态，再次开始循环，实现数据中心余热利用。
57.所述天然气供应回路由lng循环泵8、lng储罐10、第二换热器11、第一三通阀12、电加热器14通过管路连接而成；由lng循环泵8驱动，将lng从lng储罐10中取出，借助第二换热器11利用数据中心回水的余热使lng气化为ng，当ng余气的温度达不到要求时，打开第五阀门15，利用电加热器14将ng加热到指定温度后，通过第一三通阀12将ng接入市政天然气管网26，此时应打开第三阀门7、第四阀门9、第一三通阀12，ng从第一三通阀12左侧进下侧出；当ng供给量超过市政天然气管网26的需求时，通过第一三通阀12为燃气轮机组16供气，此时应打开第一三通阀12、第六阀门13，ng从第一三通阀12左侧进入，右侧和下侧出。
58.所述燃气轮机余热利用系统利用燃气轮机组16燃烧ng发电，与市政电网1共同为数据中心2供电。燃烧后的烟气通过溴冷机17与数据中心回水进行换热，换热后回水的温度降低，作为数据中心供水，经由第三三通阀25汇入数据中心2，换热后的烟气废气经处理后排放。
59.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。