一种混合地热能与液化天然气（LNG）驱动的联合发电系统的设计优化与性能评估，该系统结合了轻质烃分离技术、有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）以及单级闪蒸循环（Single Flash Cycle）

《Chemical Engineering Research and Design》：Design optimization and performance assessment of a hybrid geothermal-LNG driven polygeneration system integrating light hydrocarbon separation, organic Rankine cycle and single flash cycle

　　

摘要

液化天然气（LNG）的冷能与地热能的混合利用可以显著提高能源和性能效率。本文提出了一种混合地热-LNG驱动的多联产系统，该系统集成了轻质烃分离（LHS）、有机朗肯循环（ORCs）和单闪蒸循环（SFC）。为了确保系统稳定并提高运行效率和经济可行性，对有机朗肯循环的工质进行了筛选。通过NSGA-II和MOPSO算法进行多目标优化，并结合LINMAP/TOPSIS决策方法，确定了帕累托最优解。对此进行了全面评估，涵盖了系统的热力学、经济性和性能环境方面。结果表明，乙烷、R600和R601是适合该系统的工质。多目标优化显示，该系统的净输出功率为10187.37 kW，性能效率为38.39%，净现值（NPV）为2.918×10^9美元。此外，在最佳条件下，系统的总性能破坏、熵产生和冷却能耗分别为17445.255 kW、280017.476 J/(K·s)和19891.72 kW，均高于参考的LHS系统。

引言

液化天然气（LNG）在储存和运输过程中含有大量的低温能量资源。随着LNG进口量的持续增长，回收和利用其冷能变得越来越重要（Ma等人，2025年）。Emadi等人（2018年）提出了一种集成系统，结合了地热能、Kalina循环、斯特林循环、LNG冷能利用和PEME。进行了全面的能量和性能分析，以评估系统的性能，包括其净输出功率、氢气产量、可持续性指数和性能效率，并研究了关键设计参数的影响。有机朗肯循环（ORC）系统（Feng等人，2025年）在利用LNG冷能的低温发电领域有广泛的应用。该系统基于天然气的直接膨胀方法，并采用优化的朗肯循环。这一过程不仅充分利用了LNG的压力性能，还高效地回收了其热性能，从而显著提高了LNG的冷能利用率和系统的性能效率。Joy和Chowdhury（2022年）研究了三段式串联有机朗肯循环（ORC）系统利用LNG冷能发电的潜力。他们发现三段式系统具有最大的发电潜力，尽管两段式系统在设计和技术操作上更简单，换热器表面积减少了20%。

LNG轻质烃分离过程涉及从液态天然气中分离和回收碳氢化合物成分（C2+）（Wan等人，2024年）。通过这一过程，不仅可以有效调整天然气的热值以满足统一的产品标准，还可以显著提高其经济价值。Gao等人（2020年）提出了两种创新工艺。第一种工艺使用高压（4.5 MPa）的脱甲烷塔，生产出可压缩至管道压力的富甲烷天然气，能耗低。第二种工艺使用低压（2.4 MPa）的脱甲烷塔，实现富甲烷天然气的完全再液化。Zhang等人（2020年）介绍了一种由LNG冷能驱动的集成系统，用于空气分离和轻质烃的回收。该研究旨在通过分析九个关键操作参数来最大化冷能利用率和乙烷回收率，并降低成本。最终通过多目标优化确定了最优参数集。Pan等人（2022年）提出了一种集成LNG冷能利用系统，结合了轻质烃分离、ORC、数据中心冷却和冷藏。通过热力学和经济分析，并结合NSGA-II参数优化，结果表明：该系统的净输出功率为4259.72 kW，NPV为2.9982×10^9美元。提供给数据中心和冷藏的冷却能相当于节省了12685.87 kW的电力。

同时，地热能作为一种清洁和可再生资源，具有丰富的储量、强大的可持续性和低碳环保特性。科学合理地开发和利用这些地热资源将对优化中国的能源结构以及推动绿色和低碳转型产生深远影响。近年来，结合地热发电与ORC的耦合系统已成为研究重点。Franco（2011年）分析了不同配置、两种基本循环配置和两种再热循环在热效率和性能效率方面的表现。他们还研究了涡轮入口温度和压力等参数对系统的影响。Gkousis等人（2025年）研究了地质条件对经济性能和环境特性的影响，以优化地热ORC单元的设计。他们进行了能源平准化成本（LCOE）、全球变暖潜力和15个额外环境指标的多目标优化。Wang等人（2014年）提出了一种利用地热能和LNG冷能的超临界CO2发电循环，在十种稳定运行条件下模拟了该循环。使用NSGA-II算法进行了多目标优化，从热力学和经济角度对系统进行了评估。

为了最大化LNG的价值并有效利用LNG冷能和附近的低温地热资源，本文提出了一种混合地热-LNG驱动的多联产系统，该系统集成了轻质烃分离、有机朗肯循环和地热闪蒸循环。本研究探讨了关键参数对系统性能的影响，并采用多目标优化以提高经济可行性和降低能源消耗。所提出的系统不仅为LNG再气化提供了稳定的热源，还提高了地热循环的效率，从而实现了两种能源之间的高效结合。这有助于环境保护和资源节约，为实际工程应用提供了理论基础和技术支持。

章节片段

工艺描述

图1展示了所提出集成系统的具体工艺流程结构。基于能量互补原理，该系统利用LNG冷能和地热资源的级联回收来驱动系统运行，同时结合轻质烃分离和有机朗肯循环实现电力和轻质烃的联产。该集成系统由四个主要子系统组成：

性能评估指标

根据热力学第一定律和第二定律，本研究采用了一种多角度的综合评估方法，重点关注两个关键指标：联合循环发电系统的热力学特性和经济效益。建立了五个系统性能评估指标：净输出功率、性能效率、冷能利用率、热能利用率和NPV。

ORC工质选择

对于该系统而言，选择一种在各方面都能紧密匹配系统性能要求的有机工质至关重要。这一选择过程不仅影响系统的运行效率，还直接影响其经济可行性、稳定性和环境可持续性。因此，必须仔细全面地评估所有因素，以确保所选的工质满足系统的特定需求。

该系统使用LNG作为

结论

本文提出了一种混合地热-LNG驱动的多联产系统，集成了轻质烃分离、有机朗肯循环和地热闪蒸循环。通过分析工质的物理特性，选择了合适的候选工质。然后基于净输出功率、性能效率和NPV等关键性能指标建立了系统模型，并通过多目标优化来确定最佳性能。此外，还研究了能量、性能、熵等因素。

CRediT作者贡献声明

Ran Li：监督、研究。Jie Pan：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、研究、资金获取、概念化。Yongge Li：撰写 – 原稿、可视化、研究、形式分析、数据管理。Zhen Wang：研究、形式分析、数据管理。Jingwen Yu：软件、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（批准编号：52274064, 51774237）的支持。

Jie Pan|Yongge Li|Zhen Wang|Jingwen Yu|Ran Li

西安石油大学管道工程学院，中国西安710065