基于燃气轮机、Kalina循环与双效吸收式制冷的创新型联供系统的火用经济优化

《Energy Conversion and Management: X》：Exergoeconomic optimization of a novel trigeneration system based on gas turbine, Kalina cycle, and double-effect absorption refrigeration

　　

全球能源需求持续增长，因此实现更高效、可持续的能源利用至关重要。传统电厂通常只能利用不到一半的燃料能量，剩余能量被浪费。本研究提出了一种新型多级配置的冷电联产（CCP）技术，集成Brayton循环（顶循环）、Kalina循环和双效吸收式制冷系统（DARS），通过多个层级利用废热同时发电和制冷。此外，本研究还进行了能量分析与火用分析，以及结合人工神经网络（ANN）多目标优化的火用经济评估，以实现最高效率与最低成本。对级联系统的研究结果表明，系统在总效率、经济性和可持续性方面均有显著改善，因此在先进能源系统中具有很高的应用潜力。Brayton循环和Kalina循环的发电功率分别为34,991 kW和14,759 kW。DARS提供3,000 kW的制冷量。联合循环实现了76.81%的火用效率和66.15%的能量利用因子（EUF），产品单位成本为27 $/GJ，相当于0.097 $/kWh。在特定运行条件下，成本可降至11 $/GJ（0.04 $/kWh），而EUF仅略微下降至63.5%，火用效率降至75%，表明在保持几乎相同效率的同时可实现近60%的成本降低。此外，所提出的系统在经济回收工业废热和生产清洁能源方面展现出强大潜力。

**论文解读：基于燃气轮机-Kalina循环-双效吸收式制冷的创新型级联联供系统火用经济优化**

**一、研究背景与问题陈述**

随着全球化与工业化进程加速，一次能源消耗持续攀升而可用储量日益有限，能源短缺已成为日益严峻的全球性问题。与此同时，以CO₂为代表的温室气体排放所引发的全球变暖，已成为制约经济社会可持续发展的重大障碍。传统电厂通常仅能利用燃料能量的不到一半，其余能量以废热形式排入环境，造成巨大的能源浪费与环境热污染。因此，余热回收不仅关乎提升能源利用效率、降低燃料消耗和环境影响的工程实践，更与全球寻求可持续且经济可行的能源解决方案的大趋势高度契合。

在此背景下，冷电联产（CCP）系统通过同时生产电力和冷量而受到广泛关注，此类系统大多利用废热驱动。然而，系统梳理既有研究发现，现有CCP研究尚存若干关键缺口：部分研究虽实现了冷电联产，但未集成专门的底部动力循环，余热回收深度有限；部分研究虽引入了改进型Kalina循环，但缺少双效吸收式制冷子系统，未能充分利用低品位热量；还有研究采用内燃机而非燃气轮机，且未进行火用经济评估；另有太阳能驱动三联产系统存在集热器火用损失大、缺乏经济分析等不足。在Kalina循环研究方面，尽管已有大量工作证明其作为燃气轮机余热回收底部循环的有效性（性能提升16%–30%），但均未将高品位Kalina循环与下游由剩余低品位废热驱动的吸收式制冷系统集成。对双效吸收式制冷系统（DARS）的研究也大多将其作为独立制冷系统，未纳入上游动力循环的级联框架。在多目标优化领域，非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）、TOPSIS、LINMAP及人工神经网络（ANN）等方法虽已在多种不可逆热力系统中得到验证并广泛适用，但尚无研究将这些优化框架应用于完全级联的Brayton–Kalina–DARS冷电联产配置。

针对上述空白，本研究旨在统一的热力学与火用经济框架内，对级联Brayton-Kalina-DARS系统进行理论建模与综合评价，包括能量、火用和火用经济评估及系统成本绩效分析，并采用ANN辅助的多目标优化方法确定合适运行条件，探究热力学性能与经济目标之间的权衡关系。该研究的创新之处不在于提出新的优化方法，而在于将综合评估与优化方法应用于这一特定的联合循环配置。

**二、研究内容与主要方法**

研究人员提出了一种新颖的联合循环系统，包含燃气轮机循环（Brayton循环）、高温Kalina循环和双效吸收式制冷系统（B-K-DARS循环）。Kalina循环和制冷循环均仅利用燃气轮机循环的排气能量运行，无需额外外部能源输入，实现了高效的余热回收。Brayton循环采用空气压缩、预热、甲烷燃烧和燃气透平膨胀产生主电力输出；Kalina循环采用氨-水二元混合物作为工质，利用蒸汽发生器回收燃气轮机排气余热，通过高低压多级配置和多个混合腔实现额外的动力输出；DARS采用LiBr-H₂O工质对、平行流配置，由Kalina循环出口的残余低品位排气驱动，两级发生器（高压发生器HPG和低压发生器LPG）依次产生制冷效应。系统通过级联方式逐级利用排气余热，实现电力和冷量的联合生产。

研究采用的主要关键技术方法包括：（1）基于工程方程求解器（EES）建立系统的热力学数学模型，结合质量、能量和火用平衡方程对各部件进行能量分析与火用分析，计算各部件的火用破坏率与火用效率；（2）运用火用经济分析法，结合资本投资成本函数与化学工程工厂成本指数（CEPCI）缩放方法，对各部件建立成本流率平衡方程和辅助方程，计算产品单位成本、火用破坏成本率、火用经济因子等性能参数，并对系统进行简单回收期（SPP）、净现值（NPV）和均化能源成本（LCOE）等经济可行性评估；（3）利用ANN建立决策变量与三个目标函数（能量利用因子EUF、二定律效率、产品单位成本）之间的非线性映射代理模型，并与NSGA-II算法耦合进行多目标优化，获取Pareto前沿；（4）采用逼近理想解排序法（TOPSIS）从Pareto前沿中选取最优折衷解。

**三、研究结果**

**（一）模型验证**

为确保模型的可靠性和准确性，研究人员将EES开发的Brayton循环、Kalina循环及DARS模型分别与文献中的参考数据进行验证比较。通过与Valero等、Sohrabi等和Bagheri等的参考结果比较，燃气轮机循环的压缩机功耗和透平功率误差分别为0.0152%和0.0662%，Kalina循环一效率净功率最大误差分别为3.728%和6.041%，DARS的COP和冷凝器排热误差分别为8.237%和2.478%。Kalina循环在不同氨浓度下的一效率比较显示最大相对误差保持在3.79%以内，DARS各状态点的热力学参数与LiBr质量分数的相对误差大部分低于3%。验证结果表明模型具有良好的精度和鲁棒性，适用于进一步的参数分析。

**（二）能量、火用及火用经济性能**

在基准运行条件下，Brayton循环净电功率输出为34,991 kW，Kalina循环净电功率为14,759 kW，DARS制冷量为3,000 kW。系统总能量利用因子（EUF）为66.15%，级联火用效率为76.81%，产品单位成本为26.99 $/GJ。Sankey火用流图分析表明，大部分火用输入供给燃气轮机循环产生大量功率，剩余排气火用被Kalina循环有效回收并随后用于DARS制冷。总火用破坏约为25.887 MW，其中燃烧室（CC）的火用破坏率最高（9,577 kW），约占总火用破坏的67.8%，主要归因于高温不可逆化学反应和巨大的温度梯度；其次是空气预热器（APH）的3,271 kW和燃气透平（GT）的2,577 kW；Kalina循环中蒸汽发生器（SG）是主要不可逆源（2,507 kW），Kalina循环透平（KCT）破坏1,834 kW；DARS子系统中HPG和LPG分别贡献60.9 kW和23 kW，吸收器贡献123 kW，蒸发器和冷凝器破坏率分别为62.7 kW和24.8 kW。火用经济分析显示，燃气透平具有最高的火用经济因子（96.51%），表明其成本主要由资本投资主导，而冷凝器1和冷凝器2的火用经济因子较低（34.23%和49.34%），表明火用破坏成本占据较大比重。经济可行性评估显示，系统总资本投资为3.436×10⁷$，年净现金流为2.217×10⁷$，简单回收期（SPP）仅1.55年，净现值（NPV）为9.088×10⁷$，均化能源成本（LCOE）为0.04404 $/kWh。

**（三）参数分析**

参数分析系统地考察了主要运行变量对系统性能的影响。研究表明：Brayton循环压比（PR）增大可提高顶循环效率但会降低排气温位从而削弱Kalina循环的性能，由于顶循环的主导作用，总效率随PR呈上升趋势；Kalina循环透平入口压力（P_high,KCS）增加可线性提升Kalina循环功率输出和一、二定律效率，但对Brayton循环和DARS影响甚微；透平入口氨浓度（x_Turb,in）从0.65提升至0.90可使Kalina循环净功率从约14.1 MW增至20.5 MW，一效率从30.8%增至43.2%，二效率从48%增至72%，系统EUF从约65.5%增至72.2%，二效率从约75%增至83%；DARS的分配比（DR）对COP和二效率呈现抛物线形影响，存在最优值约0.35–0.36；蒸发器温度（T_Evp）升高使COP从约1.16指数增至1.54，但二效率在约277–278 K处达到最大值后下降；高压发生器温度（T_HPG）升高使COP从约1.21增至1.44，二效率在约410–413 K处达到峰值后降低；吸收器和冷凝器温度升高则使Q?_HPG,DARS指数增加，COP和二效率持续下降；Kalina循环透平效率提升使净功率从约14,000增至15,500 kW，一效率从30.8%增至34.2%，二效率从约50%增至55%。

**（四）敏感性分析与优化结果**

基于Spearman秩相关系数的全局数据驱动敏感性分析表明，燃气透平效率对二定律效率、EUF和产品单位成本均呈现最强的正相关（系数0.95），是主导性影响参数；透平入口氨浓度和二效率及EUF呈中等正相关（0.37和0.36），与成本相关性较弱（0.08）；环境温度与成本中等正相关（0.40）；蒸汽发生器夹点温差与所有输出呈现弱负相关；燃料价格影响较弱。多目标优化采用ANN（7-10-3架构，贝叶斯正则化训练，回归系数R=1，MSE低至1.99×10^-5）作为代理模型耦合NSGA-II算法，获得由35个非支配解组成的Pareto前沿，展现了热力学性能与成本之间的权衡关系。通过TOPSIS决策方法选取的最优运行条件为：燃气透平入口温度1,493.64 K，压比12.67，Kalina循环透平入口压力130.4 bar，HPG入口温度430.16 K，蒸发器温度278.97 K，吸收器温度308.5 K。

**四、结论与意义**

研究人员提出并综合评估了由Brayton循环、Kalina循环系统（KCS）和双效吸收式制冷系统（DARS）组成的级联热电冷联产系统，实现了燃气轮机排气余热的高效梯级利用。系统基准工况下能量效率为66.15%，火用效率为76.81%，分别产生34,991 kW（Brayton循环）和14,759 kW（Kalina循环）的电力以及3,000 kW的制冷量。通过ANN耦合的多目标优化，产品单位成本从27 $/GJ（0.097 $/kWh）降至11 $/GJ（0.04 $/kWh），降幅约60%，而EUF仅从66.15%微降至63.5%，火用效率从76.81%降至74.95%，损失仅为2.65%和1.86%，表明在几乎不损失热力学性能的前提下实现了显著的成本降低。环境方面，该级联系统通过依次利用燃气轮机排放的高品位和低品位废热，减少了排入环境的热量总量，实现了燃料的高效利用，降低了与能源生产相关的碳足迹，与联合国可持续发展目标中的目标7（经济适用的清洁能源）、目标12（负责任消费和生产）和目标13（气候行动）高度契合。论文发表在《Energy Conversion and Management: X》。尽管研究存在稳态理想化建模、未进行全生命周期环境影响评估、系统放大性和工程实施复杂性等局限性，但该联合系统显示出高效率和高成本效益，在可持续电力和制冷生产方面具有巨大潜力，未来研究应侧重于理论结果的实验验证、瞬态分析与动态建模以评估变负荷和变燃料条件下的系统性能。

关于论文局限性方面，该研究基于稳态和理想部件行为进行建模，可能无法完全代表实际运行条件，未进行整体环境分析、排放分析或生命周期评估，系统的工业应用可扩展性尚待探索，高度集成的级联系统在工程实践中可能面临控制复杂性、氨水处理与安全性、工质腐蚀、变负荷运行稳定性、启停行为和维护需求等挑战，这些实际工程因素有待综合工程设计和实验验证加以解决。