基于LNG冷能的多级循环联产系统热力学分析与优化

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.03.010

摘要/Abstract

摘要：

针对液化天然气冷能利用、燃气轮机烟气余热回收问题及烟气中二氧化碳液化的需求，提出了一种新型冷热电联供系统；分析了分流比（x）、压缩机入口压力（p₂₅）以及混合工质中四氟化碳的质量分数（w）对系统的热效率、?效率、净输出功及平均单位成本的影响，并基于遗传算法进行了多目标优化。结果表明，减小x、增大w有利于提高系统的热效率、?效率、净输出功，降低平均单位成本；最佳p₂₅范围为8.0～9.0 MPa；在最优工况下，系统的热效率、?效率、平均单位成本分别为67.62%、56.98%、22.11 $/GJ。

关键词: 液化天然气, 冷热电联供, ?效率, 经济分析, 多目标优化

Abstract:

To address the challenges in LNG cold energy utilization and waste heat recovery from gas turbine flue gas, and to facilitate the liquefaction of the contained carbon dioxide, a novel combined cooling, heating and power (CCHP) system is proposed. The effects of the split ratio (x), the compressor inlet pressure（p₂₅),and the mass fraction of carbon tetrafluoride in the mixed working fluid (w) were analyzed. A multi?objective optimization was subsequently performed using a genetic algorithm. The results show that decreasing x and increasing w enhances thermal efficiency, exergy efficiency,and net output work,while reducing the average unit cost.The optimal compressor inlet pressure (p₂₅) was found to be in the range of 8.0 MPa to 9.0 MPa. The thermal efficiency, exergy efficiency, the average unit cost and the average unit cost under the optimal working conditions of the system were 67.62%, 56.98% and 22.11 $/GJ，respectively.

Key words: Liquefied natural gas, Combined cooling, heating and power, Exergy efficiency, Economic analysis, Multi?objective optimization

中图分类号:

TK119

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图/表 15

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参数	数值	参数	数值
环境压力/kPa	101.325	LNG初始压力/kPa	101.325
环境温度/K	298.15	LNG质量流量/(kg‧s^-1)	8.2
烟气初始温度/K	947.00	膨胀机等熵效率/%	85
烟气压力/kPa	101.325	泵等熵效率/%	85
烟气质量流量/(kg‧s^-1)	3.0	压缩机等熵效率/%	85
LNG初始温度/K	111.15

参数	数值	参数	数值
环境压力/kPa	101.325	LNG初始压力/kPa	101.325
环境温度/K	298.15	LNG质量流量/(kg‧s^-1)	8.2
烟气初始温度/K	947.00	膨胀机等熵效率/%	85
烟气压力/kPa	101.325	泵等熵效率/%	85
烟气质量流量/(kg‧s^-1)	3.0	压缩机等熵效率/%	85
LNG初始温度/K	111.15

工质	临界温度/℃	临界压力/MPa	安全性	全球变暖潜能值
R170	32.08	4.870	A2（低毒但可燃）	201
R134a	101.06	4.060	A1（低毒且不燃）	1 430
R143a	72.71	3.760	A2L（低毒且低可燃，燃烧速度较慢）	4 800
CO₂	30.98	7.380	A1（低毒且不燃）	1

工质	临界温度/℃	临界压力/MPa	安全性	全球变暖潜能值
R170	32.08	4.870	A2（低毒但可燃）	201
R134a	101.06	4.060	A1（低毒且不燃）	1 430
R143a	72.71	3.760	A2L（低毒且低可燃，燃烧速度较慢）	4 800
CO₂	30.98	7.380	A1（低毒且不燃）	1

工质	热效率/%	㶲效率/%	净输出功/kW	平均单位成本/（$·GJ^－1）
R170	66.03	55.78	4 099	24.20
R134a	64.88	54.24	3 998	24.96
CO₂	64.25	52.97	3 889	25.25
R143a	63.19	52.56	3 823	25.48