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

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.05.009

Abstract

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

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

CLC Number:

TE09

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Figures/Tables 9

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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

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

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

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