基于LNG冷能的双闪蒸联合循环系统热经济分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.05.009

辽宁石油化工大学学报 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5): 73-80.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2025.05.009

基于LNG冷能的双闪蒸联合循环系统热经济分析

张忠睿¹(), 姜媛媛¹, 曹英举², 陈旭阳¹, 王长顺³, 姜文全¹()

^1.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.大连船舶重工集团装备制造有限公司，辽宁大连 116083
^3.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2025-01-10 修回日期:2025-03-22 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-10-20
通讯作者: 姜文全
作者简介:张忠睿（2000⁃），男，硕士研究生，从事LNG冷能综合利用方面的研究；E⁃mail：Zzr20000612@126.com。
基金资助:
辽宁省教育厅基本科研项目(LJKMZ20220725)

Thermo⁃Economic Analysis of Dual⁃Flash Combined Cycle System Using LNG Cold Energy

Zhongrui ZHANG¹(), Yuanyuan JIANG¹, Yingju CAO², Xuyang CHEN¹, Changshun WANG³, Wenquan JIANG¹()

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.Dalin Shipbuilding Induetry Equipment Manufacturing Co. ，Ltd. ，Dalian Liaoning 116083，China
^3.College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2025-01-10 Revised:2025-03-22 Published:2025-10-25 Online:2025-10-20
Contact: Wenquan JIANG

摘要/Abstract

摘要：

针对以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池余热回收与液化天然气冷能利用相结合以及烟气中CO₂的捕集问题，提出了一种由双重再压缩布雷顿循环、CO₂回热朗肯循环和双级闪蒸循环构成的新型冷热电联供系统；采用热力学仿真软件对该循环系统进行模拟，分析了混合工质中Xe质量分数、CO₂回热朗肯循环膨胀机入口压力p₂₃、闪蒸循环的泵出口压力p₂₆和分流比x对系统热效率、?效率、净输出功和冷?回收率的影响。结果表明，提高p₂₃有利于提升系统的热效率、?效率和净输出功；降低p₂₆有利于提升系统的净输出功及热效率，提高Xe质量分数与分流比x可提升系统的循环净功、热效率与?效率；当Xe质量分数为0.3、p₂₃为16 MPa、p₂₆为13.5 MPa时，系统的热效率、?效率、净输出功分别为67.17%、58.13%、2 587.96 kW。

关键词: 固体氧化物燃料电池, 液化天然气, 余热回收, ?分析, 混合工质

Abstract:

A new type of combined cooling, heating and power (CCHP) system is proposed, consisting of a dual recompression Brayton cycle, a CO₂ reheat Rankine cycle and a two?stage flash cycle, to achieve synergistic waste heat recovery from a natural gas?fueled solid oxide fuel cell, utilization of liquefied natural gas (LNG) cold energy, and capture of CO? from flue gas. The cycle system was simulated using thermodynamic simulation software to analyze the effects of the mass fraction of mixed workmass Xe, the inlet pressure p₂₃ of the CO₂ reheat Rankine cycle expander, the pump outlet pressure p₂₆ of the flash cycle, and the shunt ratio x on the system's thermal efficiency, saprophytic efficiency, net work output, and cold water recovery rate. The results demonstrate that increasing p₂₃ is favorable to improve the net output work, thermal efficiency and hydronic efficiency of the system; decreasing p₂₆ is favorable to improve the net output work and thermal efficiency of the system, and increasing the Xe mass fraction and shunt ratio can improve the net circulating work, thermal efficiency and hydronic efficiency of the system. When the mass fraction of Xe is 0.3, p₂₃ is 16 MPa and p₂₆ is 13.5 MPa, the thermal efficiency, the net efficiency and the net output work of the system are 67.17%, 58.13% and 2 587.96 kW, respectively.

Key words: Solid oxide fuel cell, Liquefied natural gas, Waste heat recovery, Energy analysis, Mixed media

中图分类号:

TE09

张忠睿, 姜媛媛, 曹英举, 陈旭阳, 王长顺, 姜文全. 基于LNG冷能的双闪蒸联合循环系统热经济分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2025, 45(5): 73-80.

Zhongrui ZHANG, Yuanyuan JIANG, Yingju CAO, Xuyang CHEN, Changshun WANG, Wenquan JIANG. Thermo⁃Economic Analysis of Dual⁃Flash Combined Cycle System Using LNG Cold Energy[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2025, 45(5): 73-80.

图/表 9

表1 TC?DOFC?CO2RRC系统的主要参数

Table 1 Main parameters of the TC?DOFC?CO2RRC system

参数	数值	参数	数值
环境温度/K	298.15	烟气入口压力/MPa	0.101 3
LNG入口温度/K	111.15	烟气质量流量/（kg·s^-1）	1.93
LNG入口压力/MPa	0.110 0	CO₂质量流量/（kg·s^-1）	1.60
LNG质量流量/(kg·s^-1)	6.75	CO₂⁃Xe质量流量/(kg·s^-1)	1.50
烟气入口温度/K	873.15	R134a质量流量/(kg·s^-1)	2.50

图1 TC?DOFC?CO2RRC循环系统流程图

Fig.1 The flow chart of the TC?DOFC?CO2RRC cycle system

图2 再压缩循环、回热朗肯循环、双级闪蒸循环关键状态点的温熵图（a）再压缩循环（b）回热朗肯循环（c）双级闪蒸循环

Fig.2 Recompression cycle，Reheat Rankine cycle，Two?stage flash cycle temperature entropy diagram of critical state points

图3 混合工质中Xe质量分数对系统热力学性能的影响

Fig.3 The influence of mixed working fluid Xe mass fraction on the thermodynamic performance of the system

图4 CO2回热朗肯循环中膨胀机入口压力p23对系统热力学性能的影响

Fig.4 The influence of inlet pressure p23 of the expander on the thermodynamic performance of the CO2 regenerative Rankine cycle system

图5 双级闪蒸循环中泵出口压力p26对系统热力学性能的影响

Fig.5 The influence of pump outlet pressure p26 on the thermodynamic performance of the system in a two?stage flash evaporation cycle

图6 新型再压缩循环分流比对系统热力学性能的影响

Fig.6 The influence of the new recompression cycle split ratio on the thermodynamic performance of the system

表2 各设备的?损率、?损失系数和?效率

Table 2 The loss rate, loss coefficient, and efficiency of each device

设备	㶲损率/%	㶲损失系数	㶲效率/%	设备	㶲损率/%	㶲损失系数	㶲效率/%
蒸发器1	0.07	5.08	94.92	热交换器	0.02	12.58	87.42
蒸发器2	3.05	45.49	54.51	膨胀机1	1.62	27.99	72.01
蒸发器3	1.25	76.03	23.97	膨胀机2	7.88	29.87	70.13
蒸发器4	1.24	41.57	58.43	膨胀机3	0.06	4.15	95.85
冷凝器1	5.70	55.90	44.10	膨胀机4	1.34	23.99	76.01
冷凝器2	4.92	73.87	26.13	膨胀机5	32.79	34.45	65.55
冷凝器3	9.14	35.58	64.42	压缩机1	0.17	28.84	71.16
冷凝器4	29.03	84.20	15.80	压缩机2	0.12	26.16	73.84
冷凝器5	0.22	3.93	96.07	压缩机3	0.27	14.03	85.97
高温回热器	0.03	2.54	97.46	泵1	0.28	0.32	99.68
中温回热器	0.02	4.08	95.92	泵2	0.19	3.75	96.25
低温回热器	0.01	10.39	89.61	泵3	0.23	11.69	88.31
回热器	0.33	45.39	54.61	泵4	1.25	1.25	98.75

图7 各设备投资成本与总投资成本之比及各膨胀机的投资成本与膨胀机总投资成本之比（a）各设备投资成本与总投资成本之比（b）各膨胀机的投资成本与膨胀机总投资成本之比

Fig.7 The ratio of investment cost of each equipment to the total investment cost, and the ratio of investment cost of each expander to the total investment cost of the expander

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Thermo⁃Economic Analysis of Dual⁃Flash Combined Cycle System Using LNG Cold Energy

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