Thermodynamic Analysis and Optimization of Multi⁃Stage Cycle Cogeneration System Based on LNG Cold Energy

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.03.010

Abstract

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

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

CLC Number:

TK119

Shanshan SUN, Fan YANG, Changshun WANG, Ke XIAO, Wenquan JIANG. Thermodynamic Analysis and Optimization of Multi⁃Stage Cycle Cogeneration System Based on LNG Cold Energy[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2026, 46(3): 73-81.

孙闪闪, 杨帆, 王长顺, 肖可, 姜文全. 基于LNG冷能的多级循环联产系统热力学分析与优化[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2026, 46(3): 73-81.

Figures/Tables 15

References 27

[1]	汪红，牟君禾，武静云，等. 发电行业低碳技术创新协同激励机制研究［J］. 热力发电， 2024， 53（2）： 8⁃16.
	WANG H， MU J H， WU J Y， et al. Research on collaborative incentive mechanism for low carbon technology innovation in the power generation industry［J］. Thermal Power Generation， 2024， 53（2）： 8⁃16.
[2]	武艺. 新型能源体系目标下中国气电发展趋势及应对策略［J］. 油气储运， 2025， 44（2）： 135⁃144.
	WU Y. Development trends and countermeasures for China's gas⁃fired power sector in the context of building new energy systems［J］. Oil & Gas Storage and Transportation， 2025， 44（2）： 135⁃144.
[3]	HE T B， CHONG Z R， ZHENG J J， et al. LNG cold energy utilization： Prospects and challenges［J］. Energy， 2019， 170： 557⁃568.
[4]	PARK J， LEE I， YOU F Q， et al. Economic process selection of liquefied natural gas regasification： Power generation and energy storage applications［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2019， 58（12）： 4946⁃4956.
[5]	田松峰，刘亚轩，李正宽，等.基于碳捕集系统半闭式S⁃CO₂布雷顿循环性能分析［J］.动力工程学报，2023，43（3）：349⁃358.
	TIAN S F， LIU Y X， LI Z K， et al. Performance analysis of semi⁃closed S⁃CO₂ brayton cycle based on carbon capture system［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2023， 43（3）： 349⁃358.
[6]	王长顺，宋昕洋，杨帆，等.利用液化天然气冷能的冷热电联供系统热力分析与优化［J］. 热力发电， 2024， 53（11）： 21⁃30.
	WANG C S， SONG X Y， YANG F， et al. Thermal analysis and optimization of combined cooling， heating and power system using LNG cold energy［J］. Thermal Power Generation， 2024， 53（11）： 21⁃30.
[7]	郭嘉琪，王坤，朱含慧，等.超临界CO₂及其混合工质布雷顿循环热力学分析［J］.工程热物理学报，2017，38（4）：695⁃702.
	GUO J Q， WANG K， ZHU H H， et al. Thermodynamic analysis of brayton cycles using supercritical carbon dioxide and its mixture as working fluid［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2017， 38（4）： 695⁃702.
[8]	谢昊源，杨雨缘，饶政华. 二氧化碳及其混合工质跨临界朗肯循环热力学研究［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2021， 52（1）： 160⁃167.
	XIE H Y， YANG Y Y， RAO Z H. Thermodynamic research on transcritical rankine cycle using CO₂ and CO₂⁃based mixtures［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2021， 52（1）： 160⁃167.
[9]	FANG Z H， SHANG L Y， PAN Z， et al. Exergoeconomic analysis and optimization of a combined cooling， heating and power system based on organic Rankine and Kalina cycles using liquified natural gas cold energy［J］. Energy Conversion and Management， 2021， 238： 114148.
[10]	LI Z K， ZHANG X T， HE X L， et al. Comparative analysis of thermal economy of two SOFC⁃GT⁃ST triple hybrid power systems with carbon capture and LNG cold energy utilization［J］. Energy Conversion and Management， 2022， 256： 115385.
[11]	张丽，王文武，张智恩，等.一种天然气液化和CO₂捕集相结合的余热回收发电系统［J］.化工学报，2019，70（1）：261⁃270.
	ZHANG L， WANG W W， ZHANG Z E， et al. A waste heat recovery power generation system combined with natural gas liquefaction and CO₂ capture［J］. CIESC Jorunal， 2019， 70（1）： 261⁃270.
[12]	乔焱，姜文全，杨帆，等. 一种冷热电联供和CO₂捕集的联合动力循环［J］. 化学工程， 2023， 51（2）： 46⁃50.
	QIAO Y， JIANG W Q， YANG F， et al. A combined power cycle of cold， heat and electricity and CO₂ capture［J］. Chemical Engineering， 2023， 51（2）： 46⁃50.
[13]	潘本艺，杨帆，周莉，等. 液化天然气冷能利用的联合动力循环［J］. 高校化学工程学报， 2021， 35（4）： 702⁃710.
	PAN B Y， YANG F， ZHOU L， et al. Combined power cycle for cold energy utilization of liquefied natural gas［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities， 2021， 35（4）： 702⁃710.
[14]	董亮，商丽艳，韦丽娃，等. 非共沸混合工质有机朗肯循环系统变工况特性研究［J］. 石油化工高等学校学报， 2021， 34（3）： 68⁃75.
	DONG L， SHANG L Y， WEI L W， et al. Study on variable working characteristics of non⁃azeotropic mixture organic rankine cycle system［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2021， 34（3）： 68⁃75.
[15]	陈旭阳，杨帆，姜文全，等. 基于LNG冷能的卡琳娜⁃三级有机朗肯循环性能分析［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2024， 44（5）： 90⁃96.
	CHEN X Y， YANG F， JIANG W Q， et al. Performance analysis of the Kalina⁃three⁃stage organic rankine combined cycle based on LNG cold energy［J］. Journal of Liaoning Petrochemical University， 2024， 44（5）： 90⁃96.
[16]	ZHANG F， LIAO G L， E J Q， et al. Thermodynamic and exergoeconomic analysis of a novel CO₂ based combined cooling， heating and power system［J］. Energy Conversion and Management， 2020， 222： 113251.
[17]	ANSARINASAB H， MEHRPOOYA M， MOHAMMADI A. Advanced exergy and exergoeconomic analyses of a hydrogen liquefaction plant equipped with mixed refrigerant system［J］. Journal of Cleaner Production， 2017， 144： 248⁃259.
[18]	JIANG Y， ZHAN L， TIAN X L， et al. Thermodynamic performance comparison and optimization of sCO₂ brayton cycle， tCO₂ brayton cycle and tCO₂ rankine cycle［J］. Journal of Thermal Science， 2023， 32（2）： 611⁃627.
[19]	ZHOU A Z， LI X S， REN X D， et al. Improvement design and analysis of a supercritical CO₂/transcritical CO₂ combined cycle for offshore gas turbine waste heat recovery［J］. Energy， 2020， 210： 118562.
[20]	MOSAFFA A H， MOKARRAM N H， FARSHI L G. Thermo⁃economic analysis of combined different ORCs geothermal power plants and LNG cold energy［J］. Geothermics， 2017， 65： 113⁃125.
[21]	封康，郑莆燕，仇中柱，等. 超临界二氧化碳动力循环余热利用方案优化研究［J］. 热力发电， 2023， 52（6）： 119⁃126.
	FENG K， ZHENG P Y， QIU Z Z， et al. Study on optimization of supercritical carbon dioxide power cycle schemes in waste heat utilization［J］. Thermal Power Generation， 2023， 52（6）： 119⁃126.
[22]	LIU Z M， HE T B. Exergoeconomic analysis and optimization of a gas turbine⁃modular helium reactor with new organic rankine cycle for efficient design and operation［J］. Energy Conversion and Management， 2020， 204： 112311.
[23]	AALI A， POURMAHMOUD N， ZARE V. Exergoeconomic analysis and multi⁃objective optimization of a novel combined flash⁃binary cycle for Sabalan geothermal power plant in Iran［J］. Energy Conversion and Management， 2017， 143： 377⁃390.
[24]	FANG Z H， PAN Z， MA G Y， et al. Exergoeconomic， exergoenvironmental analysis and multi⁃objective optimization of a novel combined cooling， heating and power system for liquefied natural gas cold energy recovery［J］. Energy， 2023， 269： 126752.
[25]	潘振，吴京京，陈轶男，等. 基于LNG冷能利用的多联产系统模拟与性能优化［J］. 油气储运， 2022， 41（7）： 810⁃818.
	PAN Z， WU J J， CHEN Y N， et al. Simulation and performance optimization of a poly⁃generation system based on LNG cold energy utilization［J］. Oil & Gas Storage and Transportation， 2022， 41（7）： 810⁃818.
[26]	李宪昭，田静怡，逯国英，等. 基于朗肯循环液化天然气冷能利用［J］. 当代化工， 2022， 51（10）： 2459⁃2462.
	LI X Z， TIAN J Y， LU G Y， et al. Cold energy utilization of liquefied natural gas based on rankine cycle［J］. Contemporary Chemical Industry， 2022， 51（10）： 2459⁃2462.
[27]	李凤岭，杨晓宇，田婷婷. 炼油厂空气冷却器低温余热回收系统优化研究［J］. 石油炼制与化工， 2024， 55（5）： 113⁃122.
	LI F L， YANG X Y， TIAN T T. Optimization research on low⁃temperature heat recovery system of air coolers in refinery［J］. Petroleum Processing and Petrochemicals， 2024， 55（5）： 113⁃122.

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