《Energy Nexus》：Multi-objective optimization and performance analysis of an integrated biomass-fueled multi-generation system combining Brayton cycle, LiBr–H2O absorption chiller, and MSF desalination: energy, exergy, emergy, and economic assessments
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本研究针对一个基于城市固体废弃物生物质（Biomass）和天然气（NG）的四相发电、供热、制冷及海水淡化系统展开。该系统利用气化部分的废热和燃气轮机（GT）的废气从Brayton循环中产生电力、热量、冷量并实现海水淡化。研究人员对包含能值产出率（EYR）、能值
本研究针对一个基于城市固体废弃物生物质（Biomass）和天然气（NG）的四相发电、供热、制冷及海水淡化系统展开。该系统利用气化部分的废热和燃气轮机（GT）的废气从Brayton循环中产生电力、热量、冷量并实现海水淡化。研究人员对包含能值产出率（EYR）、能值投资率（EIR）、环境负荷率（ELR）、可再生性指数和能值可持续性指标（ESI）的能值分析，以及具有不同功能的能量和?分析进行了优化。研究中使用了非支配排序遗传算法（NSGAII）方法，并将EES软件代码与MATLAB软件链接以进行系统的多目标优化。本研究的优化目标包括[功率-Ren]、[功率-EIR]、[功率-ESI]、[功率-ELR]、[平准化度电成本（LCOE）-ESI]、[LCOE-ELR]、[LCOE-?效率]以及[功率-能量效率]。结果表明，在所选定的最优点处，上述目标函数对应的最优值分别为：[9085kW-0.6]、[17775kW-0.205]、[16822kW-6.67]、[17298kW-0.94]、[0.057$/kWh-6.6]、[0.059$/kWh-0.69]、[0.059$/kWh-27%]和[17212kW-79.39%]。总体结论为，随着稳定性指数的增加，系统的净功率会下降，平准化度电成本会上升，从而导致能量效率和?效率的降低。
随着人口的增长，社会对电能的需求急剧上升。传统化石燃料发电厂的使用不仅排放了大量有害气体并对环境造成了破坏，化石燃料本身的枯竭也促使人们将目光转向可再生能源。在此背景下，生物质能因其潜力受到重视。然而，在淡水生产过程中，如何最小化脱盐过程的能耗并减少其环境影响一直是具有挑战性的难题。可持续性的三个重要支柱——经济、环境和社会，必须在能源系统的性能评估中得到兼顾。能值分析方法与其他分析不同，它具有更广泛和全面的边界，通过衡量直接和间接用于生产服务或产品的能量，同时考量经济、环境等各个方面来评估系统的可持续性指数。
虽然之前已有不少研究调查了多联产系统的热力学、能量、?和经济性能，但大多数研究仅局限于性能评价，缺乏一个综合多目标优化的框架。特别是在同时优化能值、能量、?和经济目标方面存在明显的研究空白。因此，研究人员开展了一项针对新型多联产系统的综合多目标优化研究，该系统由23%的天然气和77%的生物质联合供能，用于生产电力、冷量、热量和淡水。这项研究发表在《Energy Nexus》上，通过将基于能值的可持续性指标与热力学（能量和?）及经济目标明确结合，使得系统性能的评价超越了热力学第一和第二定律的范畴，能够考虑上游资源消耗和环境负荷效应。这一创新框架使得最优设计空间发生了显著变化，得出的操作条件和最优配置更加注重资源效率并采取更可持续的方法。
为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用工程方程求解器（EES）建立系统模型，并通过将其与MATLAB软件链接，采用非支配排序遗传算法（NSGAII）进行多目标优化。其次，引入TOPSIS多准则决策方法对Pareto最优解进行排序以确定最佳折中方案。在系统建模方面，采用化学平衡法对生物质气化过程进行模拟；通过质量、能量及?平衡方程求解系统各节点的热力学状态；并运用能值分析理论计算可再生性指数、能值投资率（EIR）、环境负荷率（ELR）、能值可持续性指标（ESI）等五大核心指标。最后，结合平准化度电成本（LCOE）对系统进行综合经济性评估。本研究的输入燃料来源于城市固体废弃物生物质，海水盐度设定为42,000 ppm。
性能结果
Effect of Gas Mass Rate (GMR) and Equivalence Ratio (ER) Variation
通过研究气体质量比（GMR）和当量比（ER）对系统的影响，研究人员发现，随着GMR和ER的增加，能值投资率（EIR）、环境负荷率（ELR）和净发电功率呈上升趋势，而能值产出率（EYR）、可再生性指数和能值可持续性指标（ESI）则随之下降。这是因为增加气体流量和当量比导致空气消耗增加，设备规模扩大，投资成本和能值消耗上升。同时，天然气作为非可再生能源比例的增加导致了更严重的污染，进而降低了系统的可持续性。在能量和?效率方面，GMR的增加提高了进入燃烧室的燃料热值和涡轮机入口温度，从而提升了能量和?效率；但ER的增加会降低合成气中一氧化碳和氢气的摩尔分数，反而使效率下降。
Effect of Combustion Chamber Temperature (Tcc) and Combustion Chamber Pressure (Pcc) Variables
通过调节燃烧室温度（T
cc）和燃烧室压力（P
cc），研究表明，这两个变量的增加会导致EIR和ELR上升，同时使EYR、Ren和ESI下降。T
cc的升高增加了热能输出并提升了净发电功率，但过度升温会对系统的可再生性、环境和稳定性造成负面影响。P
cc的增加在初期（400-1000 kPa之间）能有效提高涡轮机进气温度并增加功率，但一旦超过1000 kPa，由于涡轮叶片材料承受极限及额外冷却系统的能耗需求，系统效率反而会下降，同时增加经济成本并加剧环境负荷。
The effect of variable gasification temperature (Tgh)
通过考察气化温度（T
gh）的影响，研究得出升高T
gh对系统性能有双重影响：一方面，由于气化系统使用的是生物质，温度升高提升了系统的ESI，使其在经济和环境上保持可持续性；另一方面，由于生物质本身热值较低，提高气化温度会导致燃料的热潜力未被充分利用，从而降低了系统的净发电输出。因此，在设计基于生物质的多联产系统时，必须在提高运行稳定性与维持高输出功率之间寻找平衡。
优化结果
通过八种不同目标函数的Pareto前沿分析，研究发现各个优化目标之间存在着显著的权衡关系。在[功率-Ren]优化中，随着可再生指数增加，功率因排气热值低而下降，最优功率范围在4663-17426 kW之间；在[功率-EIR]优化中，经济投入和成本的增加带来了功率的上升，最优范围在17223-17949 kW；对于[功率-ESI]优化，为实现高可持续性必须使用更多低热值的生物质，导致功率下降；而在[功率-ELR]优化中，增加天然气等非可再生能源的使用虽然提高了功率，但也加重了环境影响。在探讨平准化度电成本（LCOE）与各项指标的优化时，研究表明LCOE与ESI呈正相关，而与ELR呈负相关。同时，提高?效率需要以增加LCOE为代价。在[功率-能量效率]的优化中，最高能量效率在特定高功率区间内取得，但功率的进一步增加会导致效率下降。最终，通过TOPSIS决策方法，研究人员选取了兼顾?效率（26.35%）、高EYR（5.86）、具有竞争力的LCOE（0.057 $/kWh）以及良好环境表现的最优折中解。
讨论与结论
本研究的总体结论是，随着系统可持续性指数的增加，系统的净功率会下降，平准化度电成本会上升，从而导致能量效率和?效率的降低。具体而言，增加GMR和T
cc能提升能量和?效率，而ER的增加会降低效率；增加T
gh提升了加热能力但降低了发电功率；P
cc对系统性能有复杂影响，不仅需要加以调节以避免负面的经济效应，其引起的成本上升也会削弱系统效率。虽然增加天然气的使用会增大设备尺寸和成本并影响环境可持续性，但在气化过程中提高以生物质驱动的温度能增加环境可持续性，只是会以降低功率为代价。分析表明，该系统的环境负荷率低于2且ESI高于5，展现了良好的长期可持续性。此外，经济模型显示，在考虑碳收入等因素后，系统的净现值（NPV）可达2390万美元，投资回收期缩短至5.2年。这项研究证实了合理调节燃烧室压力、气体质量比及燃料成分对于提升系统稳定性和效率的关键作用，为使用生物质等可再生能源设计可持续多联产系统提供了坚实的理论和数据基础。
