《Renewable Energy》：Environmental and Technical Assessment through Computer Simulation and Design of a Solar Hybrid Power Plant with MSF/TVC-MED/TVC Desalination
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海水淡化与发电耦合系统研究：采用双蒸汽Rankine循环与MSF-MED-TVC多效蒸馏技术，通过太阳能聚光发电同时实现高效海水淡化。系统实现79.07 MW发电能力及3689 m3/h淡水产量，57%脱盐效率，电价0.055美元/kW，水价2.2美元/m3，净现值765百万美元。热力学仿真显示76.62%能源效率和50.77%火用效率，LCA验证环境效益显著提升。
Xin Lu|Xiaomin Yin|Shiyu Guo|Xin Fang|Yongxing Gao|Youming Hu
中国江苏省常熟市苏州工业技术大学汽车工程学院，邮编215500
摘要
本文描述了一种新型的混合系统，该系统可用于海水淡化、发电和淡水生产。该创新系统利用太阳能（通过抛物面槽式集热器）产生电力，并通过蒸汽朗肯循环与多效蒸馏-热蒸汽压缩机/多级闪蒸（MED-TVC/MSF-TVC）工艺结合来淡化海水。通过采用双蒸汽朗肯循环与MSF-TVC和MED-TVC淡化技术，实现了高淡化效率、高收益输出比（GOR）、低成本的产品以及大量的电力产出。使用ASPEN Plus软件对工艺参数和设计进行了分析。研究结果表明，该发电厂的发电能力为79.07兆瓦，淡水产量为3689立方米/小时。该淡化工艺的淡化效率达到了57%，收益输出比为9.58%。设计的系统具有良好的经济效益，淡水成本为2.2美元/立方米，电力成本为0.055美元/千瓦时，净现值（NPV）为7.65百万美元。通过敏感性分析还评估了系统性能对各种参数的响应。结果显示，新工艺的能量效率和?效率分别为76.62%和50.77%。此外，生命周期评估（LCA）证实，重新设计的系统在环保方面更具优势。这种创新设计通过结合发电和淡化功能解决了能源和水资源短缺的问题。
引言
随着人口的增长，对能源的需求也在激增，这表现为频繁的停电；清洁水资源变得稀缺，影响了卫生条件；食品生产难以满足需求，导致许多地区出现饥饿问题[1]、[2]。试图用化石燃料解决这些问题却引发了一系列问题，从全球变暖的威胁到普遍的环境污染，形成了一个恶性循环[3]、[4]。在联合发电厂中利用可再生能源提供了一种可行的解决方案，通过热电联产提高了效率并减少了环境影响[5]、[6]。太阳能作为一种具有广泛应用潜力的能源，是可再生能源的重要组成部分[7]。像抛物面槽式集热器（PTC）和线性菲涅尔集热器（LFC）这样的太阳能热集热器可以将热量转化为电能[8]。多余的热量可以用于热淡化过程（如多效蒸馏MED和多级闪蒸MSF）来生产淡水[9]、[10]。然而，MSF的高收益输出比（GOR）带来了成本问题；其复杂的多级系统需要大量的资本投资，而MED虽然成本较低但效率较低[11]。热淡化系统中的能量和?损失导致整体效率较低，意味着实际消耗的能量超过了淡化过程所需的理想能量。设计一种新型结构，将MSF和MED工艺结合在一起，以实现同时加热、提高GOR、提高水价和电价，并提升能量和?效率，可以解决这一问题。设计时需要考虑集成系统内的热传递和流体动力学相互作用。
如前所述，MSF和MED是两种主要的热淡化工艺[11]、[12]。已有大量研究评估了这些工艺并探索了优化其输出的方法。例如，Aly等人进行的试点测试表明，三效MED工艺在65摄氏度下每小时可生产25立方米的淡水[13]。Rostamzadeh及其同事报告称，通过安装机械蒸汽压缩机，MED淡化工艺的?效率和GOR分别提高了10.78%和1%[14]。Obaid等人通过优化工艺中的能量回收，使前馈MED淡化工艺的收益输出比提高了26%，淡水生产成本降低了14%；?损失减少了12.59%[15]。Liponi等人发现，预热进水可提高四效MED工艺的性能约10%[16]。Ghenai及其同事通过结合MED和吸收蒸馏工艺，实现了能耗降低57.78%和淡水产量增加2.68倍[17]。Kermani等人的研究取得了重大突破，他们的四阶段MED系统产生了34.547兆瓦的电力和783立方米的淡水[18]。
许多传统发电厂被改造为高效的热电联产设施，体现了现有基础设施的再利用[19]、[20]。Imandoust等人成功利用PTC集热器的太阳能为联合发电单元供电，用可再生能源替代了淡水，产生了6.123兆瓦的电力，并显著提高了淡化效果。与旧系统嘈杂的发电机不同，新的太阳能电池板运行时非常安静[21]。另一项优化同一发电厂的研究取得了显著成果：收益输出比为3.66，淡化效率为53.8%，淡水产量为126.87立方米/小时，发电量为6089千瓦——这是一个显著的改进。本研究使用的是0.0328美元/千瓦和8.49美元/立方米的电力和水价[22]。
通过使用结合多种淡化技术的混合系统，可以解决淡化厂的挑战。Emamdoost等人利用反渗透（RO）冷却MED产生的水，通过结合MED和RO的方法，将MED的能耗降低了45%，生产成本降低了67%；同时能耗降低了6%，收益输出比提高了31%[23]。Abbasi等人利用太阳能和风能的混合系统与MSF-RO结合，产生了57.63兆瓦的电力，成本仅为0.037美元/千瓦时，淡化淡水产量为2505立方米/小时，价格合理（1.38美元/立方米），展示了该系统的经济可行性。根据敏感性分析，最优的MSF阶段数为28[24]。Moharram等人也在另一项研究中展示了MSF-RO设计的有效性，在7月份每天产生了16,000立方米的淡水和2,000立方米的盐水[25]。
根据以往的研究，MSF和MED淡化技术各有优势，但也存在固有的局限性。本文提出的创新解决方案采用了一种新型混合设计，利用可再生能源来克服这些难题。该方案建议使用双半循环朗肯循环产生额外的热能，同时运行MSF和MED淡化系统。通过在每个子循环中加入热蒸汽压缩机（TVC），并采用关注收益输出比（GOR）和淡水成本的优化方法，提高了能源利用效率和生产效率。与早期的混合设计不同，本研究提出了独特的集成方案，考虑了双朗肯循环与MSF–TVC/MED–TVC单元的热力学和控制因素。一个中压蒸汽网络连接了两个淡化子系统，能够根据太阳能的波动自适应地分配热量。此外，MSF单元产生的废盐水被用作MED-TVC单元的热源，从而提高了?回收率，并确保了系统在热负荷变化下的稳定运行。这种创新的集成策略提高了淡水产量，提升了整体系统效率，使该工艺与以往的MSF–MED混合研究区分开来。
因此，本研究提出了一种新型混合系统，通过采用双半循环朗肯工艺来优化MSF和MED单元的供热，从而提高了GOR、效率和经济效益。
工艺描述
该提出的太阳能驱动的热电联产系统包含四个关键组成部分：（1）太阳能场；（2）发电设备；（3）MSF淡化厂；（4）MED淡化厂。抛物面槽式集热器（PTC）用于收集太阳能，然后使用HItec熔盐作为传热介质。电力由双半循环朗肯动力系统产生，该系统由储存的太阳能热能驱动
结果与讨论
本节详细分析了当前设计的联合发电厂获得的结果，运用了前一节中概述的分析方法对其运行性能进行了细致评估。
结论
在本研究中，通过以下过程成功实现了79.07兆瓦的电力和3689立方米/小时的淡水联合生产。该设计包括以下要素：两个并联的朗肯蒸汽循环为使用PTC集热器的太阳能发电厂供电；一个27级的MSF海水淡化单元；一个6效的MED-TVC海水淡化单元。与传统的冷凝器不同，这两个循环阶段的多余能量被
作者贡献声明
Youming Hu：资源提供、方法论设计。Xin Lu：初稿撰写。Xiaomin Yin：监督、正式分析。Shiyu Guo：审稿与编辑。Xin Fang：验证。Yongxing Gao：软件支持
未引用的参考文献
[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45].
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Xiaomin Yin报告称获得了中国苏州工业技术大学“基础科学（自然科学）研究项目”的财政支持。Xin Lu报告称获得了江苏省“高等教育机构基础科学（自然科学）研究项目”的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有其他已知的利益冲突
致谢
本工作得到了中国苏州工业技术大学“研究项目启动”[KYZ2021063Q]和江苏省“高等教育机构基础科学（自然科学）研究项目”[24KJD470001]的资助。
