基于LNG冷能梯级利用的有机朗肯循环发电-水合物法海水淡化耦合系统特性研究

LNG cold energy, as a valuable energy source, is very promising to utilize it in a cascade way. However, there is lack of principles and systematic researches on LNG cold energy cascade utilization. In this research, an electricity-water cogeneration system is proposed by utilizing the cold energy in low-temperature ranges for organic Rankine cycle to generate electricity and cold energy in high-temperature ranges for hydrate-based desalination to produce fresh water. Firstly, the optimization studies of the thermodynamic configuration of organic Rankine cycle and the compositions of the mixed working fluids will be conducted. The optimal thermodynamic configuration, mixed working fluid compositions and thermodynamic parameters will be obtained based on the objective function of maximizing the exergy efficiency. Then, in order to improve the disadvantage of low hydrate formation rate in seawater, the effects of porous media, reaction parameters, secondary hydrate former, and the structure of the formation reactor on the hydrate formation kinetics will be investigated and the methods of improving the hydrate formation rate will be obtained. Finally, based on the previous results, an organic Rankine cycle-hydrate based desalination coupled system for LNG cold energy cascade utilization will be built. The impact of different cascade utilization temperature ranges on the thermodynamic performance of the coupled system will be studied. Moreover, the energy transfer mechanism, the exergy loss distribution will be investigated to increase system efficiency. In addition, the techno-economics of the coupled system will be analyzed. The research results will play an important role in building the basic theory of LNG cold energy cascade utilization, and providing theoretical principle to electricity-water cogeneration system.

LNG冷能是一种宝贵的能源，对其进行梯级利用具有广阔的应用前景。但目前尚缺乏LNG冷能梯级利用的基础理论和系统研究。本课题提出低温段冷能进行有机朗肯循环发电，高温段冷能进行水合物法海水淡化的电-水联产LNG冷能梯级利用系统。首先，开展有机朗肯循环结构和多元混合工质组分优化研究，以㶲效率最大为目标函数，获得最佳循环结构、混合工质组分和循环参数。然后，为改善水合物反应速率低的缺点，开展多孔介质、反应参数、辅助水合剂和反应器结构对其反应动力学的影响机理研究，获得提高反应速率的手段。基于上述研究结果，建立有机朗肯循环发电-水合物法海水淡化耦合系统，开展LNG冷能梯级利用研究，研究不同冷能梯级利用温度分区对热力学特性的影响规律，探索系统内部能量传递机理、㶲损失分布及降低㶲损失的理论，并对其热力学经济性进行分析。研究成果有助于完善LNG冷能梯级利用的基础理论，为电-水联产系统的建立提供理论基础。

本项目针对LNG冷能利用率低和水合物法海水淡化生成速率慢的挑战，以实现能源-水低碳高效联产为目标。首先提出针对LNG冷能高效利用的低温ORC热力学循环模型，研究了单级、两级串联和两级并联等ORC布置方式，回热器、两级膨胀等热力学循环结构，混合工质组分对LNG冷能利用系统性能的影响，获得了最优的利用LNG冷能的低温ORC热力学循环结构布置方式，最优的二元混合工质组分以及系统热力学关键参数对系统性能影响的规律。随后通过水合物生成实验分析不同因素对于水合物在海水中的反应动力学的影响规律，获得最佳过冷度、反应压力、水合剂组分以及多孔介质参数。采用分子动力学模拟的方法给出了体系在分子水平上旳动力学演化信息，初步探索了解水合物成核、生长和分解的微观机理。并基于化学势差动力学模型进行了优化和改进，综合考虑了盐浓度、多孔介质对水活度的影响，改进后的模型被证实精确度更高。最后构建了基于LNG冷能梯级利用的ORC-HBD耦合系统，实现了零能耗海水淡化以及对外输出功，对耦合系统中热力学参数对于系统性能参数的定量影响规律展开了研究，为水电联产系统的性能优化提供了一定的理论支撑。同时，探索了耦合系统中LNG-ORC发电与HBD之间的能量传递机理，为进一步降低耦合系统的㶲损失提供了可能性。本项目的研究成果可以为LNG冷能梯级利用技术提供科学依据和理论指导。. 项目研究成果凝练为学术论文19篇，其中SCI收录14篇（第一作者或通讯作者），申请发明专利4项，其中3项获得授权。项目负责人贺天彪入选斯坦福大学2020，2021年全球前2%顶尖科学家（年度影响力）榜单。在本项目资助下，培养硕士研究生9人，其中2人已毕业。