一种集成型富氧SCO（合成气）发电循环的热力学、环境和经济评估，该循环结合了LNG（液化天然气）的冷能回收和CO2捕集技术

《Applied Thermal Engineering》：Thermodynamic, environmental, and economic assessment of an integrated oxygen-enriched SCO 2 power cycle with LNG cold energy recovery and CO 2 capture

液化天然气再气化过程与半封闭富氧燃烧超临界CO?循环耦合，通过两阶段有机朗肯循环实现能量梯级利用，降低大温差传热导致的熵损失。系统多联产电力（79.22MW）、冷却（24.96MW）及液态CO?（6.6kg/s），综合能源效率80.43%，经济分析显示3.9年回本。

　　

张书林|陈雷|尚冠珍|何娟|马杰|彭浩

江苏省过程强化与新能源设备技术重点实验室，南京工业大学机械与动力工程学院，中国南京浦珠南路30号，211816

摘要

为了提高液化天然气（LNG）再气化过程中低温能量的利用效率，本研究提出了一种集成系统，该系统结合了半封闭氧燃料超临界CO₂（SCO₂）动力循环。引入了两级有机朗肯循环作为热力学桥梁，以实现SCO₂循环与LNG再气化过程之间的级联能量耦合，从而减少与大温差热传递相关的能量损失。该集成系统能够同时生产电力、冷却液和液态CO₂。通过对系统进行综合的热力学、经济和环境评估，并使用NSGA-II算法进行多目标优化，结果表明：该混合装置可实现79.22兆瓦的净功率输出和24.96兆瓦的制冷负荷，同时完全捕获6.6千克/秒的CO₂。能量效率和能量利用率分别达到了80.43%和75.16%。通过利用回收的浅层LNG低温能量，冷藏子系统带来了最大的环境效益，相当于84.20兆瓦的等效电力输出和38.59吨/小时的二氧化碳减排量。经济分析显示净现值为9246万美元，回收期为3.9年。总体而言，这些结果表明多层次集成方法有效缓解了热匹配限制，为实现接近零碳的电力生产提供了可行且经济可行的途径。

引言

天然气（NG）以其较高的氢碳比以及在燃烧过程中比煤炭和石油更低的碳排放量而成为全球能源转型的关键支柱[1]。随着LNG成为大规模和跨区域天然气贸易的主要载体，其全球消费量近年来持续增长[2]。在LNG供应链中，再气化是分配前的一个不可或缺的过程，在此过程中会释放大量高品位的低温能量。据报道，在常压下，一吨LNG的再气化可以释放约830–860 MJ的冷能[3]，相当于230–240 kWh的电能[4]。然而，大多数现有的LNG终端仍依赖海水加热进行再气化，这不仅导致大量冷能浪费，还可能对海洋生态系统产生不利影响[5]、[6]。因此，提高LNG冷能的回收效率对于优化整个能源系统效率和支持深度脱碳工作至关重要[7]。

LNG再气化过程中释放的低温能量具有巨大的利用价值，已广泛应用于多个领域，包括冷冻海水淡化、空气分离、低温粉碎、海水淡化、区域制冷和发电[8]、[9]。在这些应用中，基于LNG冷能的发电被认为是最具工程实施前景的途径，因为它具有较高的能量转换效率和多样化的电力输出[10]。早期的研究主要集中在直接膨胀循环或简单的朗肯循环上；然而，由于LNG再气化温度-焓曲线的显著非线性[11]，单个循环的热回收效率相对较低[12]。为了解决这一限制，研究人员探索了多个热力学循环的耦合。潘等人[13]将两级并联ORC引入地热发电系统以回收LNG冷能，显著提高了系统的能量利用率。郑等人[5]设计了一个LNG-废热系统，结合了布雷顿循环和ORC用于联合发电和废水淡化。利用LSTM进行预测和NSGA-II进行优化，串联BC–ORC配置表现最佳，实现了1245.2千瓦的净功率输出、56.3%的能量效率和48.2%的能量利用率。李等人[14]设计了一个双环级联ORC，整合了LNG冷能和地热能。与传统双环ORC相比，该系统显示出大约63.7%更高的热效率和43.3%更高的净功率输出。这些研究表明，当由低温和中等温度热源驱动时，级联和混合循环配置可以显著提高LNG冷能的利用率。

尽管在利用低温和中等温度热源回收LNG冷能方面取得了显著进展，但这些系统的整体发电效率仍受到热源温度水平的限制。为了从根本上突破低温热源带来的效率上限，最近的研究开始关注在超高温涡轮入口温度下运行的动力循环。在这方面，氧燃料SCO₂循环因其超高温涡轮入口温度（>700°C）[15]、[16]和固有的CO₂捕获能力[17]、[18]而受到越来越多的关注。诸如Allam循环等代表性系统在结构优化后实现了50–56%的净效率，使氧燃料SCO₂循环成为下一代低碳发电技术的关键[19]。在这种背景下，将LNG冷能与氧燃料SCO₂动力循环相结合成为同时提高发电效率和减少碳排放的有前景的方法[20]。李等人[21]提出了一种双压力半封闭直接燃烧SCO₂循环，结合了LNG冷能回收，显著提高了循环效率和功率输出。梁等人[22]开发了一种氧燃料CO₂/H₂O循环系统，结合了LNG冷能，实现了58.78%的最大净功率效率和低能耗的CO₂捕获。陈等人[23]构建了一个结合LNG再气化过程的半封闭SCO₂循环系统，实现了电力、冷却和热能的多联产；经过优化后，该循环的电能效率比传统的半封闭直接燃烧SCO₂循环高出约11%。此外，洪等人[10]提出了一种综合系统，结合了三阶段LNG冷能利用和Allam循环碳捕获，报告了84.8%的最大净功率效率和93.8%的LNG冷能利用率。这些研究表明，将高温氧燃料SCO₂循环与LNG冷能回收相结合具有巨大潜力[11]。

然而，高温氧燃料SCO₂循环与低温LNG冷能利用之间的热力学不兼容性问题尚未得到充分解决，特别是在能量等级匹配和能量损失方面[3]、[23]。这种不匹配从根本上限制了系统效率的实现，并使实际系统集成变得复杂[24]。为了解决这一挑战，本研究重点关注了一种新型半封闭氧燃料多级动力生成系统的热力学设计和优化，该系统结合了LNG冷能利用。引入了两级有机朗肯循环（TORC）作为热力学桥接子系统，建立了LNG直接膨胀发电（LDEP）子系统与半封闭直接燃烧SCO₂循环之间的级联能量等级耦合。这种配置有效缓解了过大的级间温差，减少了能量损失。除了发电之外，该系统还实现了多联产，同时提供再气化的天然气、冷却能量和液态CO₂，形成了基于内部热资源平衡的完全自维持架构。在保守的涡轮入口温度限制（1023 K）下进行了综合的能量、能量利用率、经济和环境分析，以评估该系统的工程可行性。此外，还进行了系统的参数敏感性分析和基于NSGA-II算法的多目标优化，以进一步提高整体系统性能。

系统描述

系统描述

本节简要介绍了发电配置中包含的各个子系统，包括半封闭氧燃料燃烧SCO₂循环子系统、TORC子系统和LDEP子系统。这种集成配置被称为半封闭氧燃料燃烧SCO₂-TORC-LDEP系统。图1和图2分别展示了所提出集成系统的示意图和流程图。

图1展示了示意图

系统建模与验证

本章涵盖了SCO₂-TORC-LDEP系统的能量、能量利用率和经济分析，以及系统的验证。

仿真结果

基于上一节中呈现的仿真验证结果，本节对结合了半封闭SCO₂-TORC-LDEP氧燃料循环与LNG再气化过程的集成热电联产系统的性能进行了全面分析。根据表1中列出的初始仿真条件，每个子系统的关键状态点的热力学性质分别在表8（LDEP子系统）、表9（TORC子系统）和表10（SCO₂子系统）中进行了总结。

结论

提出了一种新型的联合发电系统，该系统结合了半封闭SCO₂-TORC-LDEP氧燃料循环与LNG再气化过程，优先考虑发电并附带制冷功能。通过对关键运行变量进行数学建模和参数分析，评估了系统性能。本研究的主要发现如下：

(1)

所提出的系统在燃料消耗率为2.4千克/秒的情况下，为用户提供了24.96兆瓦的冷却能力，同时

CRediT作者贡献声明

张书林：撰写——原始草案、软件、方法论、正式分析、数据管理。陈雷：正式分析、数据管理、概念化。尚冠珍：验证、软件、正式分析。何娟：方法论、调查、数据管理。马杰：验证、软件、资源管理。彭浩：撰写——原始草案、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢江苏省“碳排放峰值与碳中和科技创新项目”（项目编号：BE2023090–2）、江苏省“研究生研究与实践创新计划”（项目编号：KYCX25_1747）、国家自然科学基金（项目编号：22408157）以及中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（项目编号：GZB20230305）提供的财政支持。