CN103883398B - 一种数据中心液态空气制冷发电装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心液态空气工质制冷发电装置及工作方法，其中的一种数据中心液态空气工质制冷发电装置，包括：超低温储液罐、高压超低温液体泵、高压超低温管路、射流引流器、低温换热器、低温高压气管路、气体混合引流器、由气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器、常温工作气体管路、气轮机输入阀、工作气路、气轮机、发电机、乏气气路、气轮机输出阀、回气管路、制冷回水输入管路、中低温换热器连接管路、制冷回水输出管路、余气排放口、液态空气加注口、检修短路管路、检修短路气阀及引流回气管路。本发明可以降低制冷机组采购成本、降低备用发电机组采购成本，通过减免数据中心制冷机组电耗，低温发电机组发电自用等方式，可以使得数据中心电耗大幅度降低。

Description

一种数据中心液态空气制冷发电装置及工作方法

技术领域

本发明属于液态空气发电领域，具体涉及一种数据中心液态空气制冷发电装置及工作方法。

背景技术

目前，数据中心都拥有大量服务器、网络设备，耗能巨大，一个数据中心耗电有时可以达到上百万千瓦。全国所有数据中心耗电总和相当于天津市的全部耗电量。数据中心设备工作时发出大量热量，需要大功率制冷***维持适宜环境温度。长期以来多采用空调制冷***和自然冷源冷却配合实施，所有的热量均属于搬出数据中心“扔”到大气层、自然环境中了，不同的地方往往只是尽可能采用更低成本的手段实现“扔”热量的办法。数据中心本身是高耗电***，用大功率制冷***制冷，综合耗电量将更高。

现有用热泵，将机房空调冷却水中热能回收利用，产生热水，供采暖、生活、生产使用。数据中心每1万千瓦能耗，回收得到的热水可以供10万平米住宅采暖，现实中很多情况下回收的大量热水无法得到利用。

目前已有的低温热源发电技术多是是在热泵回收热量，产生80℃以上高温热水后，采用低温发电机组转化为电能，发电效率很低，热能转换为电能的效率只有1~5%，没有使用价值。

发明内容

本发明目的是提出一个采用液态空气作为工作介质，高效率吸收数据中心机房设备产生的大量热量，将热能转化为电能自用的解决方案，减少电能消耗、减少冷却水资源消耗、减少对环境的热排放，实现环保、节能、减排、资源循环利用。

本发明针对上述问题，提供一种数据中心液态空气工质制冷发电装置及工作方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种数据中心液态空气工质制冷发电装置，包括：超低温储液罐、高压超低温液体泵、高压超低温管路、射流引流器、低温换热器、低温高压气管路、气体混合引流器、由气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器、常温工作气体管路、气轮机输入阀、工作气路、气轮机、发电机、乏气气路、气轮机输出阀、回气管路、制冷回水输入管路、中低温换热器连接管路、制冷回水输出管路、余气排放口、液态空气加注口、检修短路管路、检修短路气阀及引流回气管路；所述超低温储液罐输出端连接高压超低温液体泵；所述高压超低温液体泵的输出端通过高压超低温管路连接射流引流器；所述射流引流器连接低温换热器；所述低温换热器的输出端通过低温高压气管路连接气体混合引流器；所述气体扩张段设置在气体混合引流器上方（输出方）；所述中温换热器设置在气体扩张段上方（输出方）；所述气体收缩段设置在中温换热器上方（输出方）；所述中低温换热器连接管路连接低温换热器和中温换热器；所述制冷回水输入管路连接中温换热器；所述引流回气管路连接射流引流器和气体收缩段；所述余气排放口连接气体收缩段；所述常温工作气体管路输出端分别连接检修短路管路和气轮机输入阀；所述检修短路管路输出端连接检修短路气阀；所述检修短路气阀通过回气管路连接气体混合引流器；所述气轮机输入阀通过工作气路连接气轮机；所述气轮机连接发电机；所述气轮机通过乏气气路连接气轮机输出阀；所述气轮机输出阀通过回气管路连接气体混合引流器。

根据本发明的又一方面，提供了一种数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，包括以下步骤：

S1，高压超低温液体泵把超低温储液罐中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；

S2，高压的超低温的液体通过高压超低温管路到达射流引流器，吸入从引流回气管路输送来的气态空气，混合后形成较低温度的汽液混合物；

S3，30MPa以上的高压的较低温的气液混合物通过射流引流器输出端进入到低温换热器，和从中低温换热器连接管路输入到低温换热器的回水进行换热，液态空气的高压气液混合物吸热气化，成为高压低温气体，然后再通过低温高压气管路进入到气体混合引流器；

S4，在气体混合引流器，少量高压气流带动10倍~100倍大量低压乏气气流一起流动，热量、压力混合交流，成为较低压力的，较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间；

S5，较低压力的，较大气流量的气流进入到由气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器，在气体扩张段，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于吸收热量；进入下一个循环的初步增压的工作气体在中温换热器部分，和由制冷回水输入管路输入的温度在18-25摄氏度的制冷回水继续升温、升压、补熵；然后制冷回水通过中低温换热器连接管路输入到低温换热器和从射流引流器输入的高压超低温的液体进行换热，再通过制冷回水输出管路输出4-18摄氏度的制冷水；

S6，气体到气体收缩段后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体；该气体一小部分通过引流回气管路被射流引流器吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过常温工作气体管路、气轮机输入阀及工作气路进入到气轮机做功输出，并通过共轴输出，带动发电机发电；

S7，气轮机排出的低温低压气体经过乏气气路、气轮机输出阀及回气管路输入到气体混合引流器，然后再重复进入到由气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器；

S8，进入下一个循环。

所述的数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，还包括所述由气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器中的压力达到0.1MPa到5MPa的任意设定值时，可以通过余气排放口将气体排放气体到大气中。

所述的数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，还包括所述气轮机或发电机突然出现故障的时候，关闭气轮机输入阀和气轮机输出阀，打开检修短路气阀，气体通过检修短路管路、检修短路气阀及回气管路进入到由气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器中，多余气体从余气排放口排放到大气，此时进入检修状态，不影响装置制冷运行。

本发明的优点：

1、通过节约制冷机组电耗，数据中心电耗大幅度降低；还可以降低制冷机组采购成本、降低备用发电机组采购成本；

2、可以自发电自用，耗电进一步减少，甚至完全实现自我供应；

3、制冷效果好，和环境温度无关；

4、气轮机可靠性高，发电可用性强，能长期稳定工作；

5、备份多种模式，液态空气可以直接制冷，保障机房应急制冷；

6、省去了冷却散热***，没有冷却塔水耗，节约了环境水资源；

7、排气洁净、低温、无水，通过机房加湿后，可以做新风，进一步提高吸收热量的能力；

8、减少了对环境的热排放，实现低碳、减排、循环利用能源；

9、数据中心运营成本降低；如增加***，错峰时使用“垃圾电”制作液态空气，运营成本还可以进一步下降。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种数据中心液态空气工质制冷发电装置结构示意图；

图2是本发明的一种数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法流程图；

图3是本发明的射流引流器结构示意图；

图4是本发明的气体混合引流器结构示意图。

附图说明：

1为超低温储液罐、2为高压超低温液体泵、3为高压超低温管路、4为射流引流器、5为低温换热器、6为低温高压气管路、7为气体混合引流器、8为气体扩张段、9为中温换热器、10为气体收缩段、11为常温工作气体管路、12为气轮机输入阀、13为工作气路、14为气轮机、15为发电机、16为乏气气路、17为气轮机输出阀、18为回气管路、19为制冷回水输入管路、20为中低温换热器连接管路、21为制冷回水输出管路、22为余气排放口、23为液态空气加注口、24为检修短路管路、25为检修短路气阀及26为引流回气管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1，如图1所示的一种数据中心液态空气工质制冷发电装置，包括：超低温储液罐1、高压超低温液体泵2、高压超低温管路3、射流引流器4、低温换热器5、低温高压气管路6、气体混合引流器7、由气体扩张段8、中温换热器9、气体收缩段10组成的升温增压补熵换热器、常温工作气体管路11、气轮机输入阀12、工作气路13、气轮机14、发电机15、乏气气路16、气轮机输出阀17、回气管路18、制冷回水输入管路19、中低温换热器连接管路20、制冷回水输出管路21、余气排放口22、液态空气加注口23、检修短路管路24、检修短路气阀25及引流回气管路26；所述超低温储液罐1输出端连接高压超低温液体泵2；所述高压超低温液体泵2的输出端通过高压超低温管路3连接射流引流器4；所述射流引流器4连接低温换热器5；所述低温换热器5的输出端通过低温高压气管路6连接气体混合引流器7；所述气体扩张段8设置在气体混合引流器7上方（输出方）；所述中温换热器9设置在气体扩张段8上方（输出方）；所述气体收缩段10设置在中温换热器9上方（输出方）；所述中低温换热器连接管路20连接低温换热器5和中温换热器9；所述制冷回水输入管路19连接中温换热器9；所述引流回气管路26连接射流引流器4和气体收缩段10；所述余气排放口22连接气体收缩段10；所述常温工作气体管路11输出端分别连接检修短路管路24和气轮机输入阀12；所述检修短路管路24输出端连接检修短路气阀25；所述检修短路气阀25通过回气管路18连接气体混合引流器7；所述气轮机输入阀12通过工作气路13连接气轮机14；所述气轮机14连接发电机15；所述气轮机14通过乏气气路16连接气轮机输出阀17；所述气轮机输出阀17通过回气管路18连接气体混合引流器7。

所述的射流引流器4用来降低低温换热器5的换热技术复杂性。

所述低温换热器5中的冷媒是乙二醇或冷冻水或防冻液或防冻油。

实施例2

参考图2，如图2所示的一种数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，包括以下步骤：

S1，高压超低温液体泵2把超低温储液罐1中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；

S2，高压的超低温的液体通过高压超低温管路3到达射流引流器4，吸入从引流回气管路26输送来的气态空气，混合后形成较低温度的汽液混合物；

S3，30MPa以上的高压的较低温的气液混合物通过射流引流器4输出端进入到低温换热器5，和从中低温换热器连接管路20输入到低温换热器5的回水进行换热，液态空气的高压气液混合物吸热气化，成为高压低温气体，然后再通过低温高压气管路6进入到气体混合引流器7；

S4，在气体混合引流器7，少量高压气流带动10倍~100倍大量低压乏气气流一起流动，热量、压力混合交流，成为较低压力的，较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间；

S5，较低压力的，较大气流量的气流进入到由气体扩张段8、中温换热器9、气体收缩段10组成的升温增压补熵换热器，在气体扩张段8，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于吸收热量；进入下一个循环的初步增压的工作气体在中温换热器9部分，和由制冷回水输入管路19输入的温度在18-25摄氏度的制冷回水继续升温、升压、补熵；然后制冷回水通过中低温换热器连接管路20输入到低温换热器5和从射流引流器4输入的高压超低温的液体进行换热，再通过制冷回水输出管路21输出4-18摄氏度的制冷水；

S6，气体到气体收缩段10后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体；该气体一小部分通过引流回气管路26被射流引流器4吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过常温工作气体管路11、气轮机输入阀12及工作气路13进入到气轮机14做功输出，并通过共轴输出，带动发电机15发电；

S7，气轮机排出的低温低压气体经过乏气气路16、气轮机输出阀17及回气管路18输入到气体混合引流器7，然后再重复进入到由气体扩张段8、中温换热器9、气体收缩段10组成的升温增压补熵换热器；

S8，进入下一个循环。

所述的数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，还包括所述由气体扩张段8、中温换热器9、气体收缩段10组成的升温增压补熵换热器中的压力达到0.1MPa到5MPa的任意设定值时，可以通过余气排放口22将气体排放气体到大气中。

所述的数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，还包括所述气轮机14或发电机15突然出现故障的时候，关闭气轮机输入阀12和气轮机输出阀17，打开检修短路气阀25，气体通过检修短路管路24、检修短路气阀25及回气管路18进入到由气体扩张段8、中温换热器9、气体收缩段10组成的升温增压补熵换热器中，多余气体从余气排放口22排放到大气，此时进入检修状态，不影响装置制冷运行。

本发明通过节约制冷机组电耗，数据中心电耗大幅度降低；还可以降低制冷机组采购成本、降低备用发电机组采购成本；可以自发电自用，耗电进一步减少，甚至完全实现自我供应；制冷效果好，和环境温度无关；气轮机可靠性高，发电可用性强，能长期稳定工作；备份多种模式，液态空气可以直接制冷，保障机房应急制冷；省去了冷却散热***，没有冷却塔水耗，节约了环境水资源；排气洁净、低温、无水，通过机房加湿后，可以做新风，进一步提高吸收热量的能力；减少了对环境的热排放，实现低碳、减排、循环利用能源；数据中心运营成本降低；如增加***，错峰时使用“垃圾电”制作液态空气，运营成本还可以进一步下降。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数据中心液态空气工质制冷发电装置，其特征在于，包括：超低温储液罐（1）、高压超低温液体泵（2）、高压超低温管路（3）、射流引流器（4）、低温换热器（5）、低温高压气管路（6）、气体混合引流器（7）、由气体扩张段（8）、中温换热器（9）、气体收缩段（10）组成的升温增压补熵换热器、常温工作气体管路（11）、气轮机输入阀（12）、工作气路（13）、气轮机（14）、发电机（15）、乏气气路（16）、气轮机输出阀（17）、回气管路（18）、制冷回水输入管路（19）、中低温换热器连接管路（20）、制冷回水输出管路（21）、余气排放口（22）、液态空气加注口（23）、检修短路管路（24）、检修短路气阀（25）及引流回气管路（26）；所述超低温储液罐（1）输出端连接高压超低温液体泵（2）；所述高压超低温液体泵的输出端通过高压超低温管路（3）连接射流引流器（4）；所述射流引流器（4）连接低温换热器（5）；所述低温换热器（5）的输出端通过低温高压气管路（6）连接气体混合引流器（7）；所述气体扩张段（8）设置在气体混合引流器（7）上方；所述中温换热器（9）设置在气体扩张段（8）上方；所述气体收缩段（10）设置在中温换热器（9）上方；所述中低温换热器连接管路（20）连接低温换热器（5）和中温换热器（9）；所述制冷回水输入管路（19）连接中温换热器（9）；所述引流回气管路（26）连接射流引流器（4）和气体收缩段（10）；所述余气排放口（22）连接气体收缩段（10）；所述常温工作气体管路（11）输出端分别连接检修短路管路（24）和气轮机输入阀（12）；所述检修短路管路（24）输出端连接检修短路气阀（25）；所述检修短路气阀（25）通过回气管路（18）连接气体混合引流器（7）；所述气轮机输入阀（12）通过工作气路（13）连接气轮机（14）；所述气轮机（14）连接发电机（15）；所述气轮机（14）通过乏气气路（16）连接气轮机输出阀（17）；所述气轮机输出阀（17）通过回气管路（18）连接气体混合引流器（7）。

2.一种数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1 ，高压超低温液体泵（2）把超低温储液罐（1）中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；

S2 ，高压的超低温的液体通过高压超低温管路（3）到达射流引流器（4），吸入从引流回气管路（26）输送来的气态空气，混合后形成较低温度的汽液混合物；

S3 ，30MPa以上的高压的较低温的气液混合物通过射流引流器（4）输出端进入到低温换热器（5），和从中低温换热器连接管路（20）输入到低温换热器（5）的回水进行换热，液态空气的高压气液混合物吸热气化，成为高压低温气体，然后再通过低温高压气管路（6）进入到气体混合引流器（7）；

S4 ，在气体混合引流器（7），少量高压气流带动10倍~100倍大量低压乏气气流一起流动，热量、压力混合交流，成为较低压力的，较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间；

S5 ，较低压力的，较大气流量的气流进入到由气体扩张段（8）、中温换热器（9）、气体收缩段（10）组成的升温增压补熵换热器，在气体扩张段(8)，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于吸收热量；进入下一个循环的初步增压的工作气体在中温换热器（9）部分，和由制冷回水输入管路（19）输入的温度在18-25摄氏度的制冷回水继续升温、升压、补熵；然后制冷回水通过中低温换热器连接管路（20）输入到低温换热器（5）和从射流引流器（4）输入的高压超低温的液体进行换热，再通过制冷回水输出管路（21）输出4-18摄氏度的制冷水；

S6 ，气体到气体收缩段（10）后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体；该气体一小部分通过引流回气管路（26）被射流引流器（4）吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过常温工作气体管路（11）、气轮机输入阀（12）及工作气路（13）进入到气轮机（14）做功输出，并通过共轴输出，带动发电机（15）发电；

S7 ，气轮机排出的低温低压气体经过乏气气路（16）、气轮机输出阀（17）及回气管路（18）输入到气体混合引流器（7），然后再重复进入到由气体扩张段（8）、中温换热器（9）、气体收缩段（10）组成的升温增压补熵换热器；

S8 ，进入下一个循环。

3.根据权利要求2所述的数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，其特征在于，还包括所述由气体扩张段（8）、中温换热器（9）、气体收缩段（10）组成的升温增压补熵换热器中的压力达到0.1MPa到5MPa的任意设定值时，可以通过余气排放口（22）将气体排放气体到大气中。

4.根据权利要求2所述的数据中心液态空气工质制冷发电装置工作方法，其特征在于，还包括所述气轮机（14）或发电机（15）突然出现故障的时候，关闭气轮机输入阀（12）和气轮机输出阀（17），打开检修短路气阀（25），气体通过检修短路管路（24）、检修短路气阀（25）及回气管路（18）进入到由气体扩张段（8）、中温换热器（9）、气体收缩段（10）组成的升温增压补熵换热器中，多余气体从余气排放口（22）排放到大气，此时进入检修状态，不影响装置制冷运行。