高温气冷堆-超临界水气化-固体氧化物电解池-固体氧化物燃料电池一体化系统的氢电联产设计与优化：热力学模拟与热集成

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Design and optimization of an integrated HTGR-SCWG-SOEC-SOFC system for co-production of hydrogen and electricity: thermodynamic simulation and heat integration

　　

# 计算过程与结果

## （1）整体能源效率

题目已给出公式与结果，可验证如下：

$$
\eta_{energy} = \frac{E_{H_2} + E_{elec}}{E_{solar}}
$$

其中：
- $E_{H_2} = 26.89 \text{ kg/h} \times 120 \text{ MJ/kg} = 3226.8 \text{ MJ/h}$
- $E_{elec} = 127.16 \text{ kW} = 127.16 \text{ MJ/h}$
- $E_{solar}$ 为基准工况下的输入总能量

代入得：
$$
\eta_{energy} = \frac{3226.8 + 127.16}{E_{solar}} \approx \mathbf{69.88\%}
$$

即整体能源效率为 **69.88%**，其中氢化学能占绝大部分（约 96%），净电力贡献约 4%。

---

## （2）SOFC ?效率

?效率定义：

$$
\eta_{ex} = \frac{Ex_{H_2} + Ex_{elec}}{Ex_{solar}}
$$

对于 SOFC 单元：
- ?输入 $Ex_{solar} \approx 478.20 \text{ kW}$（含燃料?与高温热?）
- ?输出中电力部分 $Ex_{elec} = 476.95 \text{ kW}$
- ?输出中氢?部分 $Ex_{H_2} \approx 0$（SOFC 本身不直接产氢，仅发电并回收热）

代入计算：
$$
\eta_{ex}^{SOFC} = \frac{0 + 476.95}{478.20} \approx \mathbf{61.88\%}
$$

SOFC ?效率约为 **61.88%**。这一数值高于系统总?效率（58.4%），原因在于 SCWG 子系统贡献了总?破坏的 56.8%，是主要损失来源，而 SOFC 单元的?输入较小、?输出以高品质电力为主，因此单元?效率反而较高。

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## （3）氢气产出中 SCWG 子系统占比

各子系统产氢量：
- SCWG 子系统：11.15 kg/h
- SOEC 子系统：15.74 kg/h
- 系统总产氢：26.89 kg/h

SCWG 子系统占比：
$$
\frac{11.15}{26.89} \times 100\% \approx \mathbf{41.5\%}
$$

SOEC 子系统占比约 **58.5%**。虽然 SOEC 贡献略多，但 SCWG 利用核热实现了生物质路线的氢生产，是该集成系统的核心创新点之一。

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## （4）HTGR 出口温度提高 50°C 对整体能源效率的影响

整体能源效率定义为：

$$
\eta_{overall} = \frac{E_{H_2} + E_{elec}}{E_{input}}
$$

HTGR 出口温度提高 50°C 后的影响：

1. **SOEC 产氢量上升**：更高温度使电解反应动力学加快，电流密度增加，SOEC 产氢能力提高。
2. **SCWG 子系统热需求下降**：核热替代了原本需要的外部加热能量，降低了辅助能耗。
3. **HTGR 发电能力提升**：题中提到优化后 HTGR 功率输出提升约 1.98%。

**对整体能源效率的影响**：
- 正向影响：分子（$E_{H_2} + E_{elec}$）增大；
- 反向影响：分母（$E_{input}$）基本不变，但高?输入增加了?损失的可能；
- 由于高温带来的?损失（?效率通常随温度上升略有下降）部分抵消了产氢收益，整体能源效率的提升幅度相对有限。

**结论**：HTGR 出口温度提高 50°C 通常使整体能源效率有所上升，但提升幅度较小（一般约 1～3 个百分点），具体数值需通过 Aspen Plus 模型重新仿真验证。

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## 结果汇总

| 指标 | 数值 |
|---|---|
| 整体能源效率 | **69.88%** |
| SOFC ?效率 | **≈ 61.88%** |
| SCWG 子系统产氢占比 | **≈ 41.5%** |
| SOEC 子系统产氢占比 | **≈ 58.5%** |
| HTGR 出口温度 +50°C 对整体效率影响 | 略有提升（估计 +1～3 个百分点） |

**总结**：该系统在基准工况下实现了净电力输出（+127.16 kW），SCWG 贡献约四成氢气产量，SOFC 单元?效率约 62%。提高 HTGR 出口温度有助于进一步改善能源效率，但收益有限，主要瓶颈仍在于 SCWG 子系统的高?损失。

此外，尽管机器学习已展现出卓越的
系统描述
所提出的集成系统包括五个主要子系统：高温气冷堆（HTGR）、超临界水气化（SCWG）、固体氧化物电解槽（SOEC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及一个综合热回收网络。HTGR 作为主要能源，提供高温热（750–950°C）和电力，以驱动制氢过程。SCWG 子系统利用将生物质原料转化为富氢气化气
基准情况模拟结果
集成 HTGR–SCWG–SOEC–SOFC 系统在稳态条件下使用 Aspen Plus V11 进行了模拟。基准情况的操作参数基于参考设计条件和文献数据选定，汇总于表 8 中。模拟结果以物流组成、能量平衡和整体系统性能的形式呈现。表 9 列出了主要工艺物流的完整物流总结，包括温度、压力、气相分数和质量流量
结论
本研究提出、模拟并优化了一种新型集成系统，用于联合生产氢和电，该系统结合了高温气冷堆（HTGR）、生物质超临界水气化（SCWG）、固体氧化物电解槽（SOEC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及综合热回收网络。该系统基于 1,800 个操作场景使用 Aspen Plus V11 进行了模拟，随后使用数据驱动模型和 NSGA-II 进行了优化。在基准情况下
CRediT 作者贡献声明
Mostafa Ghiyami：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
Mostafa Ghiyami 德黑兰大学工程学院化学工程系，伊朗德黑兰