一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，包括监测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统；天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统；市电制冷系统主要由冷水空调组成；监测调控系统调控压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统三者的供电和供冷比例，保证电能和冷能供应的稳定性及发电机组的稳定性、有效解决负载功率变化过大的问题。本发明能实现数据中心及高耗能建筑物的供电供冷，系统效率高，广谱性强，可节约大量电费支出。
【专利说明】
-种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置
技术领域
[0001] 本发明提出一种利用天然气压力能及天然气自身燃烧释放的能量发电制冷，并通 过市电辅助保证数据中屯、及其他高能耗建筑供电供冷稳定性的一体化装置。
【背景技术】
[0002] 电和冷是燃气系统节能技术的两个主要产品，正是互联网数据中屯、的动力能源， 他们的有机结合将是很有前景的发展模式。
[0003] 目前，城市燃气主要通过管网系统进行运输，天然气利用时，上游的天然气通过高 压管网输送到城市燃气或大型用户。高压天然气需根据用户的供气压力要求进行调压，在 各地的天然气接收站或者调压站调压后进行城市燃气管网系统供下游用户使用。高压天然 气在调压的过程中会产生很大的压力降，释放大量的能量，W日生产50万立方米的口站为 例，压力从4. OMPa降至0.4MPa，导致的压力能损失约101.7KJA。如果能采用适当的方式回 收利用运部分压力能，将能在很大程度上提高能源利用率和天然气管网运行的经济性。"十 二五"期间，各级政府全面推广余热余压回收利用技术，推进低品质热源的回收利用，形成 能源的梯级综合利用。随着城市天然气应用力度的逐渐增加，天然气管网的发展，高压天然 气的压力能回收利用技术将具有广阔的发展前景。
[0004] 在互联网方面，随着信息化与工业化的深入推进，特别是移动互联网与智能手机 产业的发展与普及，大大改变了人们的生活方式，社会组织与运作模式也带来了调整。随着 越来越多社会和人类信息的电子化，W及信息交互与计算能力的大大提高和成本逐步下 降。人类社会的生产力再次得到飞跃，人们越来越多的精力投入到创新当中。正是由于此轮 移动互联网技术发展，造就了数字经济业务的飞速扩张。全球G20数字经济增长率平均为 11%，发展中国家平均达到18%，远远高于传统产业。
[0005] 数字经济的飞速发展，带了大量电子数据的储存、计算和交换的需求。数据中屯、的 需求量突飞猛进，2008年起全球主要市场均开始了数据中屯、大规模建设的时代，年度投资 增长率保持在10% W上。数据中屯、机房内放置着大量的服务器、交换机和储存设备，运些IT 设备需要保持7x24x365的在线工作，满足各类数字业务的需求。IT设备的耗电量是惊人的， 每平方米建筑面积的功耗高达1000~2000瓦，甚至更高。而常规的民用或商业建筑，功耗仅 70~150瓦。
[0006] 2016年，在十=五的开局之年，在国家大力倡导互联网+的环境下，天然气余冷及 压力能利用的节能技术，与绿色云计算数据中屯、产业的结合，迎来了最佳发展机遇期。
【发明内容】
[0007] 本发明提出一种利用管网天然气发电制冷的数据中屯、供能系统和一体化装置，该 装置安全性能好，低能耗，易维护，高效率的利用天然气管网压力能进行发电制冷，并W天 然气燃烧发电制冷为辅，市电供应为保障，为高能耗、需求波动较大的建筑提供稳定的低成 本的绿色能源。
[0008] 本发明实现上述目的的技术方案为：
[0009] -种利用管网天然气发电制冷的数据中屯、一体化供能装置，其特征在于:包括监 测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电 制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，
[0010] 所述压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统，所述膨胀发电系统 包括通过管路连接在高压管网和低压管网之间的透平膨胀机，所述透平膨胀机的输出轴依 次连接第一变速器及第一发电机，所述第一发电机的电力输出端通过第一变压同步器向外 供电;所述冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路的换热器、冷媒累、冷媒 储罐、由第一供水累供水的制冷器，所述透平膨胀机流出的天然气与换热器换热后一部分 天然气进入天然气冷电联供系统，另一部分进入中低压管网；
[0011] 天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统，所述燃烧发电系统包括 通过管路依次连接的燃烧室、燃气透平、由第二供水累供水的余热锅炉、蒸汽透平，所述燃 气透平的输出轴依次连接第二变速器及第二发电机，所述第二发电机的电力输出端通过第 二变压同步器向外供电；所述蒸汽透平的输出轴依次连接第=变速器及第=发电机，所述 第=发电机的电力输出端通过第=变压同步器向外供电;所述吸附制冷系统通过管路连接 在蒸汽透平下游，主要由第=供水累供水的吸收式制冷空调组成，蒸汽透平排放的蒸汽作 为输入吸收式制冷空调的热源。
[0012] 所述市电制冷系统通过市电向负载供电，并通过水冷空调向负载供冷，主要由冷 水空调组成，通过管路依次主要由冷却塔、第四供水累、冷水机组冷凝器、冷水机组蒸发器、 第五供水累组成。
[0013] 所述监测调控系统包括:PLC;依次设置在高压管网与透平膨胀机进气口之间管路 上的第一电控阀、压力现场显示器、溫度现场显示器、第一流量计、第一流量调节阀；依次设 置在所述透平膨胀机与换热器之间管路上的压力现场显示器、溫度现场显示器、气动调节 阀；依次设置在换热器与低压管网之间管路上的压力变送器、第二电控阀、压力现场显示 器、溫度现场显示器、=通流量调节阀，所述=通流量调节阀一个出口连接天然气冷电联供 系统，另一出口连接中低压管网，使所述透平膨胀机流出的天然气与换热器换热后流经= 通流量调节阀，一部分天然气进入天然气冷电联供系统，一部分进入中低压管网；设置在第 一变速器与第一发电机之间的速度变送器;依次设置在冷媒累与冷媒储罐之间管路上的第 二流量计和第二流量调节阀；设置在第一供水累与制冷器之间的第=流量调节阀和用于测 量经制冷器制冷后冷水溫度的溫度变送器;依次设置在中压管网和燃烧室进气口之间的第 =电控阀、压力现场显示器、溫度现场显示器、第=流量计、第四流量调节阀；依次设置在燃 气透平和余热锅炉之间的压力现场显示器、溫度现场显示器;设置在第二变速器和第二发 电机之间的速度变送器;依次设置在余热锅炉和蒸汽透平之间的压力变送器、溫度变送器； 依次设置在蒸汽透平和吸收式制冷空调之间的压力现场显示器、溫度现场显示器;设置在 第=供水累与吸收式制冷空调之间的第六流量调节阀；设置在第四供水累与冷水机组冷凝 器之间的第屯流量调节阀；设置在冷水机组蒸发器与第五供水累之间的第八流量调节阀； 设置在冷水机组蒸发器出水管路上的溫度变送器；
[0014] 所述化C通过电路分别连接各电控阀、各个压力变送器、气动调节阀、各流量调节 阀、各速度变送器、各溫度变送器。
[0015] 进一步地，所述透平膨胀机与换热器之间的管路上设置有缓冲罐，保证气压溫度。
[0016] 进一步地，所述的吸收式制冷空调采用余热蒸汽型漠化裡吸收式制冷机组。
[0017] 进一步地，所述第一电控阀、第二电控阀和第=电控阀选用具有紧急切断功能的 ZCRB型燃气紧急切断阀；所述第一流量调节阀、第二流量调节阀、第S流量调节阀、第四流 量调节阀、第五流量调节阀、第六流量调节阀、第屯流量调节阀、第八流量调节阀、=通流量 调节阀和气动调节阀选用电动控制型阀。
[0018] 进一步地，所述化C根据下游天然气用户用气量的不同，通过控制各阀改变进入不 同系统的天然气流量来设置不同的压力能控制发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输 出配比，W满足各种不同工况。
[0019] 进一步地，当冷负荷随气溫升高而增大时，所述化C通过控制各阀增大进入装置的 天然气流量，一方面增大压力能发电制冷系统或天然气冷电联供系统的制冷量，一方面将 多余的电量输入市电制冷系统制冷，W满足较大的冷负荷波动。
[0020] 进一步地，所述透平膨胀机、燃气透平、蒸汽透平的速度变送器将主轴转速信号转 换为标准电信号反馈至化CJLC根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算出输出功率； PLC通过对比速度变送器和所述透平膨胀机、燃气透平、蒸汽透平的前后压力变送器的预设 额定值和当前值得到控制各阀的控制信号，实现根据负载变化快速调节燃气流量和制冷 量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
[0021] 本发明与现有的调压工艺和数据中屯、供冷供电方案相比有W下有益成果：
[0022] 1、能源的有效利用。本发明取代了原来的天然气调压工艺，回收了白白浪费的压 力能;膨胀降溫后的低溫天然气与压缩后的冷媒在套管式换热器换热，不仅节约了原工艺 中提升调压后低溫天然气的溫度所耗费的能量和设备，而且也节省了冷媒制冷所需的冷 量。
[0023] 2、能源利用率高。通过压力能膨胀发电制冷和冷电联供，视输出功的大小有效利 用电能，并节约了原有电压缩制冷工艺的电耗，大大提升能源综合利用率。
[0024] 3、工艺流程简单易控，一键启动及关闭：本工艺通过调节阀口和PLC自控系统即可 实现针对下游变动的用气量的变化和上游高压天然气特性的变化，进行生产状态的调节。 根据负荷要求，进行信号反馈，自动开启与关闭设备，有效实现了场站或数据中屯、的无人操 作，节约了大量的人力，保障站工作人员的安全。
[0025] 4、操作弹性大，安全稳定性高:通过设置变速器，透平膨胀机的负荷波动± 20 %范 围发电机仍然能保证较高的效率;通过化C可控制各个系统中的天然气流量和冷媒流量;通 过化C可根据天然气下游用户的用气波动和负载的波动自动调节压力能发电制冷系统、天 然气冷电联供系统和市电制冷系统之间的输出比例，操作弹性大，安全稳定性高。
[0026] 5、易于推广使用：目前，国内城市管网建设发达，相配套的调压站较多，大量压力 能未被利用，同时数据中屯、的需求量突飞猛进。该工艺可实现发电和制冷一体化，为数据中 屯、节约相当大的电力和冷能能耗费用，具有良好的社会效益和经济效益。
【附图说明】
[0027] 图1为一种利用管网天然气发电制冷的数据中屯、供能系统和一体化装置的结构示 意图。
[0028] 图2为压力能发电制冷系统结构示意图。
[0029] 图3为天然气冷电联供系统结构示意图。
[0030] 图4为市电制冷系统结构示意图。
[0031 ]图中所示为：1-天然气调压设备;2-第一电控阀；3-第二电控阀;4-气动调节阀；5- 第一流量调节阀；6-第二流量调节阀；7-第一流量计；8-第二流量计；9-PLC; 10-透平膨胀 机；11-缓冲罐；12-换热器；13-第一变速器；14-第一发电机；15-S通流量调节阀；16-冷媒 储罐；17-第一供水累；18-制冷器；19-冷媒累;20-第一变压同步器;21-第S流量调节阀； 22-第=电控阀；23-第四流量调节阀；24-第=流量计;25-第五流量调节阀；26-第六流量调 节阀；27-燃烧室；28-燃气透平；29-余热锅炉；30-蒸汽透平;31-吸收式制冷空调；32-第二 变速器;33-第二发电机，34-第S变速器;35-第S发电机;36-第二变压同步器;37-第S变 压同步器;38-第二供水累;39-第S供水累;40-冷却塔;41-冷水机组冷凝器;42冷水机组蒸 发器;43-第四供水累;44-第屯流量调节阀；45-第八流量调节阀；46-第五供水累。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明 的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033] 如图1所示，一种利用管网天然气发电制冷的数据中屯、一体化供能装置，其特征在 于:包括监测调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中 压力能发电制冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连，
[0034] 如图2所示，所述压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统，所述膨 胀发电系统包括通过管路连接在高压管网和低压管网之间的透平膨胀机10,所述透平膨胀 机10的输出轴依次连接第一变速器13及第一发电机14,所述第一发电机14的电力输出端通 过第一变压同步器20向外供电;所述冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回 路的换热器12、冷媒累19、冷媒储罐16、由第一供水累17供水的制冷器18,所述透平膨胀机 10流出的天然气与换热器12换热后一部分天然气进入天然气冷电联供系统，另一部分进入 中低压管网；
[0035] 如图3所示，天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统，所述燃烧发 电系统包括通过管路依次连接的燃烧室27、燃气透平28、由第二供水累38供水的余热锅炉 29、蒸汽透平30,所述燃气透平28的输出轴依次连接第二变速器32及第二发电机33,所述第 二发电机33的电力输出端通过第二变压同步器36向外供电;所述蒸汽透平30的输出轴依次 连接第=变速器34及第=发电机35,所述第=发电机35的电力输出端通过第=变压同步器 37向外供电；所述吸附制冷系统通过管路连接在蒸汽透平28下游，主要由第=供水累39供 水的吸收式制冷空调31组成，蒸汽透平30排放的蒸汽作为输入吸收式制冷空调31的热源。
[0036] 如图4所示，所述市电制冷系统通过市电向负载供电，并通过水冷空调向负载供 冷，主要由冷水空调组成，通过管路依次主要由冷却塔40、第四供水累43、冷水机组冷凝器 41、冷水机组蒸发器42、第五供水累46组成。
[0037] 所述监测调控系统包括:PLC9;依次设置在高压管网与透平膨胀机10进气口之间 管路上的第一电控阀2、压力现场显示器、溫度现场显示器、第一流量计7、第一流量调节阀 5;依次设置在所述透平膨胀机10与换热器12之间管路上的压力现场显示器、溫度现场显示 器、气动调节阀4;依次设置在换热器12与低压管网之间管路上的压力变送器、第二电控阀 3、压力现场显示器、溫度现场显示器、=通流量调节阀15，所述=通流量调节阀15-个出口 连接天然气冷电联供系统，另一出口连接中低压管网，使所述透平膨胀机10流出的天然气 与换热器12换热后流经=通流量调节阀15,一部分天然气进入天然气冷电联供系统，一部 分进入中低压管网；设置在第一变速器13与第一发电机14之间的速度变送器;依次设置在 冷媒累19与冷媒储罐16之间管路上的第二流量计8和第二流量调节阀6;设置在第一供水累 17与制冷器18之间的第S流量调节阀21和用于测量经制冷器18制冷后冷水溫度的溫度变 送器;依次设置在中压管网和燃烧室进气口之间的第=电控阀22、压力现场显示器、溫度现 场显示器、第=流量计24、第四流量调节阀23;依次设置在燃气透平28和余热锅炉29之间的 压力现场显示器、溫度现场显示器;设置在第二变速器32和第二发电机33之间的速度变送 器;依次设置在余热锅炉29和蒸汽透平30之间的压力变送器、溫度变送器;依次设置在蒸汽 透平30和吸收式制冷空调31之间的压力现场显示器、溫度现场显示器;设置在第=供水累 39与吸收式制冷空调31之间的第六流量调节阀26;设置在第四供水累43与冷水机组冷凝器 41之间的第屯流量调节阀44;设置在冷水机组蒸发器42与第五供水累46之间的第八流量调 节阀45;设置在冷水机组蒸发器42出水管路上的溫度变送器；
[0038] 所述化C9通过电路分别连接第二电控阀3、各个压力变送器、气动调节阀4、第一电 控阀2、第一流量调节阀5、各个速度变送器、第二流量调节阀6、=通流量调节阀15、第=流 量调节阀21、各个溫度变送器、第=电控阀22、第四流量调节阀25、第五流量调节阀25、第六 流量调节阀26、第屯流量调节阀44、第八流量调节阀45。
[0039] 具体而言，所述透平膨胀机10与换热器12之间的管路上设置有缓冲罐11，保证气 压溫度。
[0040] 具体而言，所述的吸收式制冷空调31采用余热蒸汽型漠化裡吸收式制冷机组。
[0041] 具体而言，所述第一电控阀2、第二电控阀3和第=电控阀22选用具有紧急切断功 能的ZCRB型燃气紧急切断阀；所述第一流量调节阀5、第二流量调节阀6、第S流量调节阀 21、第四流量调节阀23、第五流量调节阀25、第六流量调节阀26、第屯流量调节阀44、第八流 量调节阀45、S通流量调节阀15和气动调节阀4选用电动控制型阀。
[0042] 所述化C9根据下游天然气用户用气量的不同，通过控制各阀改变进入不同系统的 天然气流量来设置不同的压力能控制发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输出配比，W 满足各种不同工况。
[0043] 具体而言，当冷负荷随气溫升高而增大时，所述化C9通过控制各阀增大进入装置 的天然气流量，一方面增大压力能发电制冷系统或天然气冷电联供系统的制冷量，一方面 将多余的电量输入市电制冷系统制冷，W满足较大的冷负荷波动。
[0044] 具体而言，所述透平膨胀机10、燃气透平28、蒸汽透平30的速度变送器将主轴转速 信号转换为标准电信号反馈至化C9，PLC9根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算出输 出功率;PLC9通过对比速度变送器和所述透平膨胀机10、燃气透平28、蒸汽透平30的前后压 力变送器的预设额定值和当前值得到控制各阀的控制信号，实现根据负载变化快速调节燃 气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
[0045] 第一发电机14、第二发电机33、第=发电机35的电力输出端通过变压同步器一路 与外界的各种仪表、电动阀口等用电设备连接，一路与下游用户连接。
[0046] 本发明的监测调控系统的工作原理及过程为：
[0047] 压力能发电制冷系统中，高压管网天然气通过第一电控阀2进入系统，压力变送器 (PT)将压力信号转换成标准电信号反馈至化C9,当压力较长时间超出允许范围内时，PLC9 输出切断设备指令作用于第一电控阀2与第二电控阀3,将整套装置与原天然气管道彻底脱 离，同时开启原有的天然气调压设备1，保证下游正常用气，系统切换时间少于1秒;第一流 量调节阀5用于调节进入透平膨胀机10的天然气流量，当天然气流量在正常范围内变动时， 透平膨胀机10与第一发电机14转速成倍数关系而发电；第二流量调节阀6用于调节进入往 复式的冷媒累19的冷媒流量；当天然气流量在异常范围内波动时，通过速度变送器(ST)将 速度信号转换成标准电信号反馈至化C9，PLC9输出调节指令作用于第一流量调节阀5,调节 进入透平膨胀机10的天然气流量，从而改变透平膨胀机10转速进而实现与发电机匹配发 电；当负载波动时，将导致制冷器18出水口溫度发生变化，通过速度变送器(ST)将速度信号 转换成标准电信号反馈至化C9，PLC9输出控制信号作用于第二流量调节阀6,调节进入冷媒 累19的冷媒流量;气动调节阀4的作用是调节压力，W保证天然气有足够的压力进入天然气 主管道。当压力现场显示器显示压力过大时，通过压力变送器(PT)将压力信号转换成标准 电信号反馈至化C9，PLC9控制作用于气动调节阀4,增大气动调节阀4的开度。反之，当压力 过小时，PLC9通过减小气动调节阀4的开度保证天然气能正常进入下游中低压天然气管道； 冷水通过第一供水累17进入制冷器18换热，设定换热后出水溫度，通过溫度变送器(PT)将 溫度信号转换成标准电信号反馈至化C9，当溫度较长时间超出允许范围内时，PLC9输出控 制信号作用于第二流量调节阀6,调节循环冷媒的流量；当下游用冷负荷波动时，PLC9输出 控制信号作用于第=流量调节阀21，调节输入制冷器18的冷水流量。
[0048] 天然气冷电联供系统中，低压管网天然气通过第S电控阀22进入系统，PLC9通过 下游用户负载和压力能发电制冷系统中的发电功率调节第四流量调节阀23,调节进入系统 的天然气流量；当天然气流量在异常范围内波动时，通过速度变送器(ST)将速度信号转换 成标准电信号反馈至化C9，PLC9输出控制信号作用于第四流量调节阀23,调节进入燃烧室 27的天然气流量，从而改变燃气透平28转速进而实现与发电机匹配发电；第五流量调节阀 25根据第四流量调节阀23的流量初步调节第二供水累38进入余热锅炉29的冷水流量，溫度 变送器测量从余热锅炉出来的蒸汽溫度，通过溫度变送器(TT)将溫度信号转换成标准电信 号反馈至化C9，PLC9控制第五流量调节阀25进一步调节进入余热锅炉29的冷水流量使溫度 在设定的波动范围内；冷水通过第=供水累39进入吸收式制冷空调31换热，设定换热后出 水溫度，通过溫度变送器(PT)将溫度信号转换成标准电信号反馈至化C9，PLC9输出控制信 号作用于第五流量调节阀26,调节冷水的流量，使出水溫度在设定范围内波动。
[0049] 监测调控系统调控压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统= 者的供电和供冷比例，保证电能和冷能供应的稳定性，同时保证发电机组的稳定性、有效解 决负载功率变化过大的问题、根据负载变化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负 载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运行。
[0050] 本装置W天然气管网压力能进行发电制冷为主，W天然气燃烧发电制冷为辅，市 电供应为保障，Aspen模拟结果表明：
[0051] 1、数据中屯、所需的电与冷全由压力能发电制冷系统提供，输入系统的天然气瞬时 流量为20000kg/h，压力4MPa，溫度20°C，通过第一电控阀2、第一流量调节阀5后进入透平膨 胀机10膨胀降压至-83°C，0.4M化后进入套管式的换热器12,与高溫高压冷媒换热回溫后至 5~25°C后再进入天然气燃烧发电系统和下游中低压燃气管网；
[0052] 2、高压天然气通过透平膨胀机10膨胀将压力能转化成机械能，然后通过第一变速 器13使转子转速与第一发电机14频率匹配发电，可发出977.5kW的电用于供给数据中屯、。当 流量发生变化时需要通过化C9进行控制调节，比如系统从停止状态到工作状态时，就需要 通过化C9进行不断的控制调节，使整个发电装置可进行正常运作。
[0053] 3、R404a冷媒在冷媒储罐的初始状态为-25°C，0.2MPa，根据第二流量调节阀6调节 流量进入套管式的换热器12与低溫天然气等压换热，套管式的换热器12充当冷凝器的作 用，冷媒变成液态（-35°C，0.2MPa)进入制冷器18与冷冻水回水换热，冷冻水从12°C降到7 r。
[0054] 4、表1显示了透平膨胀机10出入口在不同压力状态下的燃气流量与发电率的关 系。
[0055] 从表1可W看出，利用天然气管网压力能发电-压缩制冷的装置的进气压力范围为 0.4~4MPa。可根据不同的进出气压力即不同的压差，通过调节天然气流量可将发电功率控 制在300~1446.2kW，满足大部分数据中屯、用电要求。当进气压力为较小的0.4MPa，而出气 压力也为较小的〇.2MPa，此时燃气流量为16000kg/h，发电功率约为300kW。当进气压力为较 大的4.0MPa，而出气压力为较小的0.4MPa，此时燃气流量为20000kg/h，发电功率约为 977 .化W;或进气压力为1.6M化，而出气压力为较小的0.4MPa，此时燃气流量为较大的 24000kg/h，发电功率约为809.3kW;当进气压力为较大的4MPa，而出气压力为较小的 0.2MPa，此时燃气流量为较大的24000kg/h，发电率可达，1446.2kW。可见，若W20000kg/h的 天然气流量为该套装置的设计基准，在80 %~120%即leOOOkg/h~24000kg/h的范围内可 通过调节天然气流量控制发电功率在300~1446.2kW，所W本套发电系统可操作弹性大，能 够利用的压力能范围大，广谱性强，该生产装置可W满足大部分数据中屯、的用电要求，具有 良好的节能减排效果。表1燃气流量与发电量、最大制冷量的关系表：
[0化6]
[0057] 5、当下游天然气用量较小，压力能发电制冷系统没法供应足够的电和冷时，数据 中屯、所需的电与冷可由天然气冷电联供系统辅助供应。输入天然气冷电联供系统的天然气 压力为0.2MPa，进入燃烧室27充分燃烧后，烟气W1100°C的高溫进入燃气透平28;燃气透平 28的出气溫度520°C，所出烟气进入余热锅炉29生产蒸汽；余热锅炉29的蒸汽出口压力 4MPa，溫度498 °C左右，进入蒸汽透平30;蒸汽轮机出口压力为0.5MPa，溫度232 °C左右，进入 余热蒸汽型漠化裡吸收式制冷机组
[0058] 6、表2显示了天然气冷电联供系统的燃气流量与发电率的关系。
[0059] 从表2可W看出所有的溫度和压力为既定，所W天然气的流量与系统的发电量和 输入吸收式制冷空调31的功率等比例变化。当天然气流量为2 5 0 k g / h时，总发电量为 982.7kW，输入吸收式制冷空调31的功率为607.3kW;当天然气流量为500kg/h时，总发电量 为1965.4kW，输入吸收式制冷空调31的功率为1214.5kW。取吸收式制冷空调31的COP为1.5， 则天然气流量为250kg/h时的制冷量为910.95kW;天然气流量为500kg/h时的制冷量为 1821.9kW。则该系统可在500kg/h的天然气流量下满足绝大多数类型的数据中屯、的电和冷 的需求，为整套装置的发电供冷能力提供了良好的保障。
[0060] 表2燃气流量与发电率的关系：
[00611
[0062] 7、常见数据中屯、的电负荷在lOOOkW左右，故所需供冷量也在lOOOkW左右。
[0063] 如果下游用户天然气需求量较大，从表1我们可知，天然气W进口压力为4M化，透 平膨胀机10出口压力为0.2M化，流量为20000kg/h输入压力能发电制冷系统，发电量为 1205kW，制冷量为1335kW。故此时全由压力能发电制冷系统发电供冷，可满足绝大部分数据 中屯、电与冷的需求。
[0064] 如果下游用户天然气需求量较小，从表2我们可知，天然气W进口压力为0.2M化， 流量为300kg/h输入天然气冷电联供系统，发电量为1178.9kW，制冷量为1092kW。故此时全 由天然气冷电联供系统发电供冷，可满足绝大部分数据中屯、电与冷的需求。
[0065] 如果下游用户天然气需求量较大较为正常，假设输入整个装置的天然气流量能维 持在lOOOkg/h，天然气W进口压力为4MPa，透平膨胀机10出口压力为0.2MPa，压力能发电制 冷系统发电量为60kW，制冷量为66kW;从透平膨胀机10排出的天然气，其中740kg/h进入下 游管网，260kg/h输入天然气冷电联供系统，天然气冷电联供系统发电量为1021kW，制冷量 为946kW。则装置整体发电量为lOSlkW，制冷量为1012kW，可满足绝大部分数据中屯、电与冷 的需求。
[0066] 本装置可根据下游天然气用户用气量的不同设置不同的压力能发电制冷系统与 天然气冷电联供系统的输出配比，对各种工况有良好的适应性。
[0067] 数据中屯、用电负荷较为稳定，但冷量负荷受季节溫度变化波动较大，此时可通过 改变输入系统的天然气流量来改变发电量，并将多余的电量输入市电制冷系统制冷，从而 满足较大的冷负荷波动。
[0068] 本发明通过压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统实现发电与制冷一体化， 市电和市电供冷系统用于辅助并保证电能和冷能的稳定供应，同时根据负载变化快速调节 燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持续的稳定运 行。
[0069] 本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明 的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可W做出 其它不同形式的变化或变动。运里无需也无法对所有的实施方式予W穷举。凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置，其特征在于:包括监测 调控系统、压力能发电制冷系统、天然气冷电联供系统和市电制冷系统，其中压力能发电制 冷系统的天然气排气口与天然气冷电联供系统的天然气进气口相连， 所述压力能发电制冷系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统，所述膨胀发电系统包括 通过管路连接在高压管网和低压管网之间的透平膨胀机（10)，所述透平膨胀机(10)的输出 轴依次连接第一变速器(13)及第一发电机(14)，所述第一发电机(14)的电力输出端通过第 一变压同步器(20)向外供电;所述冷媒制冷系统包括依靠管路依次连接形成冷媒循环回路 的换热器（12)、冷媒栗（19)、冷媒储罐（16)、由第一供水栗（17)供水的制冷器（18)，所述透 平膨胀机(10)流出的天然气与换热器(12)换热后一部分天然气进入天然气冷电联供系统， 另一部分进入中低压管网； 天然气冷电联供系统包括燃烧发电系统和吸附制冷系统，所述燃烧发电系统包括通过 管路依次连接的燃烧室(27 )、燃气透平(28 )、由第二供水栗(38)供水的余热锅炉(29 )、蒸汽 透平(30)，所述燃气透平(28)的输出轴依次连接第二变速器(32)及第二发电机(33)，所述 第二发电机(33)的电力输出端通过第二变压同步器(36)向外供电;所述蒸汽透平(30)的输 出轴依次连接第三变速器(34)及第三发电机(35 )，所述第三发电机(35)的电力输出端通过 第三变压同步器(37)向外供电；所述吸附制冷系统通过管路连接在蒸汽透平(28)下游，主 要由第三供水栗(39)供水的吸收式制冷空调(31)组成，蒸汽透平(30)排放的蒸汽作为输入 吸收式制冷空调(31)的热源。 所述市电制冷系统通过市电向负载供电，并通过水冷空调向负载供冷，主要由冷水空 调组成，通过管路依次主要由冷却塔(40)、第四供水栗(43)、冷水机组冷凝器(41)、冷水机 组蒸发器(42 )、第五供水栗(46)组成； 所述监测调控系统包括:PLC(9);依次设置在高压管网与透平膨胀机（10)进气口之间 管路上的第一电控阀（2)、压力现场显示器、温度现场显示器、第一流量计(7)、第一流量调 节阀（5);依次设置在所述透平膨胀机（10)与换热器（12)之间管路上的压力现场显示器、温 度现场显示器、气动调节阀(4);依次设置在换热器（12)与低压管网之间管路上的压力变送 器、第二电控阀（3)、压力现场显示器、温度现场显示器、三通流量调节阀（15)，所述三通流 量调节阀（15)-个出口连接天然气冷电联供系统，另一出口连接中低压管网；设置在第一 变速器(13)与第一发电机(14)之间的速度变送器;依次设置在冷媒栗（19)与冷媒储罐(16) 之间管路上的第二流量计(8)和第二流量调节阀(6);设置在第一供水栗（17)与制冷器(18) 之间的第三流量调节阀（21)和用于测量经制冷器（18)制冷后冷水温度的温度变送器;依次 设置在中压管网和燃烧室进气口之间的第三电控阀（22)、压力现场显示器、温度现场显示 器、第三流量计(24)、第四流量调节阀（23);依次设置在燃气透平(28)和余热锅炉(29)之间 的压力现场显示器、温度现场显示器;设置在第二变速器(32)和第二发电机(33)之间的速 度变送器;依次设置在余热锅炉(29)和蒸汽透平(30)之间的压力变送器、温度变送器;依次 设置在蒸汽透平（30)和吸收式制冷空调（31)之间的压力现场显示器、温度现场显示器;设 置在第三供水栗(39)与吸收式制冷空调(31)之间的第六流量调节阀（26);设置在第四供水 栗(43)与冷水机组冷凝器(41)之间的第七流量调节阀（44);设置在冷水机组蒸发器(42)与 第五供水栗(46)之间的第八流量调节阀（45);设置在冷水机组蒸发器(42)出水管路上的温 度变送器； 所述PLC(9)通过电路分别连接各电控阀、各个压力变送器、气动调节阀（4)、各流量调 节阀、各速度变送器、各温度变送器。2. 根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置， 其特征在于:所述透平膨胀机(10)与换热器12之间的管路上设置有缓冲罐(11)。3. 根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置， 其特征在于:所述的吸收式制冷空调(31)采用余热蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组。4. 根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置， 其特征在于:所述第一电控阀2、第二电控阀3和第三电控阀（22)选用具有紧急切断功能的 ZCRB型燃气紧急切断阀；所述第一流量调节阀5、第二流量调节阀6、第三流量调节阀21、第 四流量调节阀（23)、第五流量调节阀（25)、第六流量调节阀（26)、第七流量调节阀（44)、第 八流量调节阀（45)、三通流量调节阀（15)和气动调节阀（4)选用电动控制型阀。5. 根据权利要求1所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置， 其特征在于:所述PLC(9)根据下游天然气用户用气量的不同，通过控制各阀改变进入不同 系统的天然气流量来设置不同的压力能控制发电制冷系统与天然气冷电联供系统的输出 配比，以满足各种不同工况。6. 根据权利要求5所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置， 其特征在于：当冷负荷随气温升高而增大时，所述PLC(9)通过控制各阀增大进入装置的天 然气流量，一方面增大压力能发电制冷系统或天然气冷电联供系统的制冷量，一方面将多 余的电量输入市电制冷系统制冷，以满足较大的冷负荷波动。7. 根据权利要求6所述的一种利用管网天然气发电制冷的数据中心一体化供能装置， 其特征在于:所述透平膨胀机(10)、燃气透平(28)、蒸汽透平(30)的速度变送器将主轴转速 信号转换为标准电信号反馈至PLC(9)，PLC(9)根据主轴转速与输出功率之间的函数关系算 出输出功率;PLC(9)通过对比速度变送器和所述透平膨胀机（10)、燃气透平(28)、蒸汽透平 (30)的前后压力变送器的预设额定值和当前值得到控制各阀的控制信号，实现根据负载变 化快速调节燃气流量和制冷量，进而使得整个负载系统功率匹配发电量，保证发电机组持 续的稳定运行。
【文档编号】F17D1/07GK106050341SQ201610615548
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】徐文东, 熊凡凡, 符仁义, 丁际昭, 张容伟, 陈秋雄, 陈运文, 陆涵, 温永刚, 安成名, 游咏
【申请人】华南理工大学, 深圳市燃气集团股份有限公司