通过有机朗肯循环回收液化天然气冷能以实现发电和冷库应用

《Energy》：Liquefied natural gas cold energy recovery through organic Rankine Cycle for Power generation and cold storage applications

　　

**摘要**

天然气以液化形式进行长距离运输更具经济性；然而，在液化过程中消耗的大量能源通常会在液化天然气（LNG）终端的再气化过程中被浪费掉。本研究探讨了利用有机朗肯循环（ORC）的各种配置方案来回收LNG冷能用于发电和制冷应用的可能性。研究人员开发了详细的ORC热力学模型，并通过文献进行了验证（误差在±2%以内），并对系统性能进行了全面的能量、?、经济和环境分析（4E分析）。在所研究的配置中，串联式ORC在整体热力学、经济和环境性能方面表现最佳，实现了19.4%的能量效率和35.3%的?效率，回收期约为3年11个月，净现值为印度卢比4.05亿（约420万美元），年温室气体减排潜力为23.5千吨二氧化碳当量。敏感性分析进一步表明，利用率对发电成本的影响最大（-10.2%至20.5%），其次是LNG进口温度（-3.5%至4.7%）和再气化压力（-2.3%至2.25%）。在分析的多种低可燃性制冷剂中，R1234ze(E)表现出最佳能量性能。冷能集成策略分析表明，当在三个温度水平——-40°C、-20°C和4°C——同时提供制冷服务时，系统性能达到最优。总体而言，本研究确定了一种高效的ORC配置用于LNG冷能回收，并突出了其在工业制冷系统中的实际适用性。

**引言**

人口快速增长和工业化进程导致能源需求持续增加、全球变暖加剧以及环境污染。解决这些问题的方式之一是在日常生活和工业设置中提高可再生能源的使用比例[1]。然而，技术利用不足、成本问题以及此类资源的间歇性特征为其有效部署造成了巨大障碍。在此背景下，天然气（NG）已作为一种过渡性替代能源崭露头角。虽然天然气并非完全无碳，但与煤炭和石油相比，其全球变暖潜值（GWP）显著较低。这一相对优势使天然气在通往低碳未来的过渡中成为关键的"桥梁燃料"。展望未来，预计到2040年全球天然气需求将增长50%以上[2]。这一趋势既带来了机遇也带来了挑战：虽然天然气可以在中短期内减少排放，但其日益增长的使用必须与提高能源效率相平衡。

为了实现长距离运输，天然气在-162°C下被液化形成液化天然气（LNG）。液化过程消耗了10%–15%的天然气，从而产生了巨大的?潜力，如补充材料附录A（图A.1）所示。LNG到达接收终端后，通过加热回10°C进行再气化。这一再气化过程将冷能排放到海水中而不加以利用[3]。这些被浪费的冷能代表了一种有价值的资源，可以回收并与其他工艺集成。根据能源系统集成方法[4]，LNG冷能可以与多种应用耦合以提高整体效率。先前的研究已证明其通过集成氩气和CO?的朗肯循环用于区域冷却和发电的应用，?效率达到34.7%[5]。天然气联合循环电厂等创新概念已被提出，其中利用LNG冷能冷却烟气以捕获CO?，随后将CO?重新用于天然气液化，使整体?效率提高到46.39%[3]。LNG冷能也已与空气分离单元集成以生产高纯度气体，使?性能提高16%[6]。在海水淡化方面，冷能集成将单位能耗降低了最多27.42%[7]。这些例子表明LNG冷能在多联产系统中的多样性。

在发电方面，LNG冷能回收已利用多种热力学循环进行了探索，如卡利纳循环、朗肯循环、有机朗肯循环（ORC）和直接膨胀系统[5]。ORC因其设计更简单、能在较低压力下高效运行而特别具有吸引力[8]。在早期研究中，级联式ORC（多个ORC串联）已被考察，其中三阶段设计显示出最高的热效率，而两阶段系统在经济方面表现更佳，同时也指出在使用碳氢化合物时，真空泵或喷射器可以降低火灾风险[9]。多级朗肯循环串联排列最初能改善能量回收，但超过五阶段后效益递减，此时功率输出和经济回报均下降[10]，然而该结果未对多级系统进行环境影响评估。其他比较表明，简单循环通常比复杂系统更有利。此外，LNG再气化压力起着关键作用，较高的压力（70 bar）相比较低压力（30 bar）可提供17%更多的电力，并将换热器面积需求减少近一倍。双级ORC在使用乙烷和丙烷等碳氢化合物时表现出优于单级系统的性能[11]，然而该研究未提供换热器夹点分析的信息。

$UR_{Terminal}^{LNG}(\%) = \frac{LNG Consumed}{LNG Terminal Capacity} \times 100$

尽管取得了这些进展，仍存在若干研究空白。首先，LNG终端的利用率往往被忽视，尽管它直接影响有效的LNG流量和可回收的冷能量。终端的利用率UR$_{Terminal}^{LNG}$定义为LNG消耗量与LNG再气化终端容量之比（以百分比表示），如式(1)所示。在全球范围内，2023年的平均利用率仅为41%[12]，然而许多研究隐含地假设了满负荷利用率。这种疏忽导致了文献中报告的LNG流量存在不一致性。例如，如附录A（表A.1）所述，关于LNG冷能应用的研究考虑了广泛变化的流量，从小于15 kg/s到数千kg/s不等，往往缺乏基于终端利用率的一致依据。解决这一差异对于真实评估LNG冷能回收潜力至关重要。其次，ORC与LNG再气化集成的系统性技术经济和环境研究有限[13]。第三，许多提议的设计将LNG再气化分配到多个子系统（例如ORC、制冷单元、膨胀透平机和燃气轮机），由于广泛的低温处理而增加了技术复杂性、成本和安全风险[5]。第四，文献缺乏通过TOPSIS（逼近理想解排序法）等多准则优化方法对最优ORC配置进行定量选择的分析[14]。

因此，本研究开发了一个综合数值模型，并使用能量、?、经济和环境的4E分析以及敏感性分析来评估所提议系统的可行性。本研究突出了全球利用率的作用，考察其对技术经济性能和环境影响的影响，这构成了本研究的一个关键创新点。此外，对LNG出口温度和ORC透平出口压力等关键工艺参数对4E指标的影响进行了分析，提供了进一步的见解。基于所得到的性能权衡，使用TOPSIS方法确定了优化的ORC配置，并调查了替代制冷剂的影响。最后，考察了多种冷能应用场景，并确定了最优温度分布，进一步扩展了现有文献。总体而言，本研究为设计更安全、更高效的LNG再气化系统提供了实用框架。

**方法**

所提议的ORC配置的性能评估采用图1所示的程序。分析首先初始化进口和出口参数，包括LNG和工作流体的温度和质量流量。然后指定运行条件，确保压力和温度范围保持在可行限度内。最后，进行全面4E和敏感性分析以确定性能最佳的配置。

**结果与讨论**

所开发的仿真模型被应用于不同的ORC配置，包括简单式、再热式、串联式、级联式、级联-串联式和扩展串联式。进行了全面的4E分析，包括能量、?、环境和经济方面，以确定影响整体系统性能的关键变量。

**局限性及未来工作**

需要指出的是，本分析假设LNG为纯甲烷以减少建模复杂性。然而，在实际中，LNG通常含有87%–95%的甲烷，其余由乙烷和其他碳氢化合物组成。这些成分的存在会在汽化过程中引入温度滑移，并略微减少可用的冷却焓，从而略微降低ORC系统的功率输出；这代表了本分析的一个局限性。

**结论**

在本研究中，评估了用于LNG冷能回收集成的ORC配置。使用4E框架（能量、?、经济和环境）对其性能进行了评估。进一步在能量效率、?效率和净功输出方面比较了其热力学性能；通过发电成本（PPC）、回收期（PBP）、净现值（NPV）和内部收益率（IRR）评估了经济性能；以及环境性能为

**CRediT作者贡献声明**

Hemant Pratap Singh：撰写——原稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Nishant Modi：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，指导，概念化。Satyanarayanan Seshadri：撰写——审阅与编辑，可视化，指导，资源，概念化。

**生成式AI使用声明**

使用了ChatGPT来增强稿件的可读性和语言表达，所有修改均经作者审阅和批准，以确保准确性、公平性并避免错误。

**资金来源**

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项拨款。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

Hemant Pratap Singh | Nishant Modi | Satyanarayanan Seshadri

能源与排放研究组（EnERG），印度理工学院马德拉斯分校，应用力学与生物医学工程系，印度金奈600036