《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic analysis based on energy, exergy and economic (3E) assessment and multi-objective optimization of multi generation energy system: case study of a tri-generation power plant with LHTES integrated using W-to-E incineration technology
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本文提出了一种基于固废转能（W-to-E）焚烧技术的多联产能源系统的技术经济评估，采用能量、?与经济（3E）综合框架进行评估。该方法对W-to-E焚烧电厂尤为关键，因为系统中各部件尤其是焚烧炉的?损毁严重制约了该类技术的发展与实际应用。研究人员通过案例研究，提
本文提出了一种基于固废转能（W-to-E）焚烧技术的多联产能源系统的技术经济评估，采用能量、?与经济（3E）综合框架进行评估。该方法对W-to-E焚烧电厂尤为关键，因为系统中各部件尤其是焚烧炉的?损毁严重制约了该类技术的发展与实际应用。研究人员通过案例研究，提出并采用了一种基于敏感性分析的系统策略，利用多目标优化工具，在W-to-E焚烧电厂?效率最大化的同时保障其经济可行性。城市固废（MSW）成本率被选作敏感性分析的关键输入参数以考虑不确定性因素。研究人员设计了一种混合热力学方法，结合有限时间热力学（FTT）与传统不可逆热力学，对基于W-to-E焚烧技术的创新型多联产能源系统进行联合建模。该联合循环电厂集成了由潜热蓄热（LHTES）系统驱动的单效供暖、通风、空调与吸收式制冷（HVAC-AR）系统，能够同时提供电力、供暖与制冷。FTT被构建为线性规划问题（LPP）以优化分配HVAC-AR的热导率，而整体系统则采用进化多目标优化（EMOO）算法进行优化，以探索?效率与总产品成本之间的权衡关系。在巴西南部的典型条件下进行的案例研究表明，该系统可实现13.27%的?效率和13.82美元/小时的总生产成本。优化程序确定了可提高?效率3.18%、发电量6%的运行工况，同时调整了部件级成本贡献。敏感性分析表明，多联产能源系统要保持与当地电价成本的竞争力，MSW价格上限为41美元/吨。
本文发表于能源领域权威期刊《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，研究围绕城市固废（MSW）焚烧技术的多联产能源系统展开。随着全球气候变化后果日益显现，减少温室气体（GHG）排放、实现《巴黎协定》净零目标成为国际共识。工业能源系统贡献了显著的全球碳排放，因此提升能源系统性能、开发可再生能源、集成先进控制系统、降低运行成本以及采用冷热电联产电厂（CCHPP）等低碳技术成为研究重点。负排放技术（NET）如碳捕集、利用与封存（CCUS）和生物能源碳捕集（BECC）也被提出作为实现碳中和能源系统的补充方案，但这些技术通常需要消耗电厂净能量输出的4%–10%。
W-to-E系统，特别是基于MSW焚烧的系统，可通过减少填埋场甲烷排放并从不可规避的废物流中回收能源，为碳中和贡献力量。若考虑废物流的不可规避性——填埋比焚烧产生更多GHG——MSW焚烧理论上可视为一种负排放解决方案。MSW产生与城市化、人口增长密切相关，其管理长期是环境与社会经济问题。然而，现有W-to-E研究主要聚焦于单一发电目标或单目标性能指标，对联合供热供冷输出以及热蓄能电池对废热波动控制的关注不足，这一空白促使了本项研究的开展。
研究人员提出并评估了一种基于MSW焚烧、集成潜热蓄热（LHTES）的三联产电厂模型，旨在同时满足电力、供暖与制冷需求，以改善MSW W-to-E焚烧技术的性能指标。为消除烟气波动、保障HVAC-AR的最优运行，研究人员在多联产模型中的制冷机上游设置了热蓄能电池。为优化HVAC-AR，研究人员采用有限时间热力学（FTT）模型，该模型源于1975年Berry、Salamon和Andresen提出的用于热力学优化过程的内可逆模型，与假设完全可逆过程的卡诺模型不同，FTT通过考虑系统与热源之间的温差引起的不可逆性（热阻），更接近真实热力学过程。
针对传统基于参数研究（COPS）的FTT优化方法局限于三维空间的不足，研究人员设计了FTT与线性规划方法（FTT-LPP）耦合的新模型，将设计参数扩展至四个以上变量，求解更接近真实运行条件的问题。FTT-LPP以制冷量为目标函数，以COP受卡诺效率限制、总热导率守恒、能量平衡及热导率正值有界为约束，采用内点法（IP）求解该线性规划问题。
整体研究采用NSGA-II进化多目标优化（EMOO）算法，以?效率最大化和总产品成本率最小化为双目标，决策变量包括汽轮机入口压力与温度、再生压力比（RPR）、低压比（LPR）、MSW质量流率、HVAC-AR总热导率（UA）及PCM质量。案例研究选取巴西南部和东南部地区，基于当地MSW回收率较高（南部7.12%、东南部4.08%）的地理社会条件。
研究结果显示，参考工况下系统?效率为13.27%，总生产成本为13.82美元/小时；净发电能力179.18千瓦，制冷量16.92千瓦，蒸发温度-11.17摄氏度；由LiNO?-NaNO?共晶二元混合物构成的热蓄能电池可提供40分钟固液相变自主运行时间。系统各部件中，焚烧炉（916.83千瓦，占62.5%）、余热回收换热器（293.19千瓦，占20%）和锅炉（147千瓦，占10%）是?损毁的主要来源。以零MSW成本计算，电、热、冷单位成本分别为0.015美元/千瓦时、0.08美元/千瓦时和0.33美元/时，电价显著低于巴西国家电力能源局（ANEEL）规定的南里奥格兰德州监管电价0.0697美元/千瓦时。
经多目标优化后，最优工况点对应?效率从13.27%提升至17.27%，增幅3.18%；发电量从179.18千瓦增至185.43千瓦，增幅6%；但能量效率从47.9%降至41.25%，主因余热换热器热容量显著降低。优化后电、热、冷成本分别为0.017美元/千瓦时、0.042美元/千瓦时和0.39美元/千瓦时，电价仍具市场竞争力。敏感性分析确定了MSW采购价格上限为41美元/吨，以保证多联产系统相对于当地电价的成本竞争力。
研究结论指出，MSW焚烧基多联产电厂在技术上是可行的，3E评估框架下的严格分析表明其兼具环境与经济效益。所配置的LHTES单元稳定了吸收式制冷循环的热能输入，改善了运行性能。尽管?效率较低（约16%），但通过免费或低价获取MSW，仍可生产具有价格优势的清洁电力。研究人员建议将电厂设于大学校园、医院、商业区等现场，直接回用产生的MSW以避免采购与运输成本。未来研究应关注MSW预处理、降低焚烧炉不可逆性的运行变量，以及微藻光生物反应器（MPhBr）CO?捕集模型的集成。
