工业部门是初级能源的主要消费者，在其生产过程中有大量回收中温和低温废热及废压力的潜力[[1], [2], [3]]。全球范围内，工业能源消耗中有20%到50%以废热的形式排放，这可能占总能源消耗的17%到67%；其中大约60%的废热是可技术回收的[4]。例如，在中国，2024年工业废热资源总量估计约为37.5艾焦（EJ），其中66%是低于200°C的低品位热能。然而，实际利用率仍低于35%，导致每年浪费相当于9亿吨标准煤[5]。此外，工业过程中存在广泛的废压力资源——如石化催化裂化单元的高压尾气和钢铁生产中的加压废气——通常压力范围在0.5到3兆帕（MPa）之间。这些压力资源的回收率普遍较低[6]。因此，有效利用这些废热和废压力流对于提高能源效率、减少温室气体排放和加速向低碳经济转型至关重要[[7], [8], [9]]。
有机朗肯循环（ORC）技术近年来受到了广泛关注，作为回收中温和低温工业废热的关键方法[10,11]。通过使用低沸点有机工质，ORC系统可以高效地将90-200°C范围内的工业废热转化为电能或机械能，表现出良好的技术经济性能[[12], [13], [14]]。到2023年，全球ORC系统市场已超过48亿美元，显示出巨大的应用潜力[15]。然而，在传统的ORC系统中，膨胀机排出的蒸汽通常直接进入冷凝器，导致大量的冷凝热损失，限制了热效率的进一步提升[16,17]。为了解决冷凝热损失问题，现有研究提出了诸如引入再生器[18,19]、采用两级ORC配置[20,21]或优化冷凝器结构[22]等解决方案。尽管这些方法取得了一定进展，但往往会导致系统复杂度增加和投资成本上升。此外，这些方法通常忽略了排蒸汽中的剩余压力能量，从而未能有效回收它。
涡管作为一种结构简单且无运动部件的能量分离装置，可以高效地将压缩气体分离成冷流和热流，实现制冷、加热和能量回收等多种功能。这为工业废压力资源的高效利用提供了可行的途径[23,24]。例如，杨等人[25]使用涡管从压缩机排气中回收废压力，为ORC系统提供热量，从而显著提高了系统性能。Azmain等人[26]在超临界二氧化碳循环中利用涡管实现自冷凝和内能分离，提高了热力学性能，同时将单位产品成本降至6.45美元/吉焦（GJ）。
除了能量分离技术外，废压力能量的高效转换和利用同样重要。气动增压泵利用压缩气体驱动大面积活塞，通过面积差推动小活塞压缩气体，实现压力放大，从而输出更高压力的气体[27,28]。它们已被应用于各种场景。例如，杨等人[29]将气动增压泵集成到热系统中，显著提高了低压膨胀机的入口压力，使净输出功率提高了230.2%。
尽管之前的研究推进了涡管和气动增压泵的独立应用，但仍存在一个重大限制：现有系统主要针对废热或废压力的单独回收，未能提供一种综合方法来协同和分层利用这两种常见的工业资源。为了解决这一差距，提出了一种新型ORC系统（DVT-ORC），该系统创新地将双涡管与气动增压泵结合，实现了工业废热和废压力的协调分级回收。具体来说，热源涡管将工业废热和携带压力的气体分离成高温流和低温流，分别用于系统加热和冷凝，实现了能量等级的精确匹配。此外，涡管与气动增压泵的创新耦合构建了一个由工业废压力气体驱动的能量反馈循环。该配置高效回收了涡轮排气中的剩余压力能量，并将其直接反馈到主循环中，显著减少了冷凝熵损失，提高了净功率输出。因此，系统实现了级联能量转换，从而提高了整体系统效率。此外，系统采用了优先考虑空气冷却的混合冷凝机制，辅以水冷却，进一步增强了其在不同条件下的运行稳定性和环境适应性。
为了全面评估DVT-ORC系统的整体性能，建立了一个涵盖能量、熵、熵经济性、经济性和环境方面的多维评估模型。分析了关键参数（如热源压力和双涡管的冷质量分数）对系统性能的影响机制。采用生命周期评估来量化全周期的环境效益。此外，还应用了非支配排序遗传算法II（NSGA-II）与基于相似性到理想解排序的决策方法（TOPSIS）。以系统熵效率、回收期和二氧化碳减排量为优化目标，实现了运行参数的协同优化，为系统的可持续设计和工程应用提供了理论支持。
本研究重点关注在石化和轻工业等行业中普遍存在的中温和低温废热及废压力资源（150°C，0.3–0.8 MPa），这些资源的能量密度远低于钢铁和水泥制造中的高温废热（200–450°C）。这突显了DVT-ORC系统的特点：它旨在解决目前中温和低温能源回收利用率低但总量大的问题。通过集成设计方法，该系统旨在克服与冷凝热损失和剩余压力损失相关的关键瓶颈。尽管实际工业运行参数可能有所不同，但这里阐述的能量级联匹配和协同回收的基本原理具有广泛的适用性，为工业二次能源的高效利用提供了创新的技术途径。
本研究的主要创新总结如下：
(1)在系统配置方面，开发了一种结合双涡管和气动增压泵的协同设计。这使得能够从工业废气和涡轮排气中分离热能和冷能，并实现分阶段能量回收。该配置不仅提高了净功率输出，还显著减少了冷凝热损失。
(2)在运营策略方面，采用了一种综合方法来实现废热和压力能量的协调回收，并通过能量匹配优化进行了支持。通过引入混合空气冷却和水冷却冷凝机制，提高了在复杂工业条件下的适应性和运行可靠性。
(3)在评估方法方面，建立了一个涵盖热力学、熵经济性、经济性和环境标准的多维评估框架，并进行了多目标优化，为工业废热和压力能量回收系统的可持续设计和性能改进提供了全面的方法论基础。
本文分为五个主要部分。第1节阐述了研究背景并介绍了关键创新。第2节详细描述了所提出的DVT-ORC系统的核心配置、运行原理和关键参数。第3节构建了一个包括能量、熵、熵经济性、经济性和环境分析的全面建模框架，以及多目标优化方法。第4节评估了系统在设计条件下的性能，对5种ORC系统进行了比较评估，研究了关键参数对5E性能的影响，并展示了多目标优化结果。第5节总结了本研究的主要发现和结论。
