《Next Energy》：Evaluation of preheater material selection with a Value Engineering (VE) approach in the modular Organic Rankine Cycle (ORC) system for converting municipal waste to electricity
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本研究提出了一种集成评价框架，该框架结合了功能分析系统技术（Function Analysis System Technique，FAST）、AHP-TOPSIS多准则决策分析、全生命周期成本（Life-Cycle Cost，LCC）评估以及计算流体动力学
本研究提出了一种集成评价框架，该框架结合了功能分析系统技术（Function Analysis System Technique，FAST）、AHP-TOPSIS多准则决策分析、全生命周期成本（Life-Cycle Cost，LCC）评估以及计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）验证，用于模块化有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）垃圾发电（Waste-to-Energy，WtE）系统中预热器管材的选择。该方法实现了预热器总成本43.17%的降低（对应于预制管束组件成本从37,388美元的原型基线降低68.11%），同时将热工和水动力性能偏差保持在5–6%以内。该集成框架为小型可再生能源系统中换热器部件的成本优化提供了一种可复制且经原型验证的方法，可直接应用于发展中国家以可负担的成本推广垃圾发电技术。
**论文解读**
**一、研究背景与存在问题**
印度尼西亚每日产生超过19万吨城市固体废物，居世界前列，快速的人口增长、城市化进程及一次性塑料消费的持续增加使废物管理系统不堪重负，多数填埋场已超出承载能力。未受控制的废物焚烧产生有害公众健康的空气污染，而倾倒入河流和海洋的废物则破坏水生生态系统。印尼政府已推动垃圾发电（Waste-to-Energy，WtE）倡议，将有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC，一种利用有机工质从低品位热源中回收能量并转化为机械功或电力的热力学循环技术）作为可持续的可再生能源解决方案。在此背景下，印尼国家研究与创新署（BRIN）与PT Bumi Resik Nusantara Raya公司在万隆县Soreang的WtE工厂联合开发了一套100 kW模块化ORC系统，该系统集成了焚烧炉。然而，高资本成本仍然是关键障碍，尤其是预热器部件，在初始设计中其制造成本估计约59,726美元。
现有ORC优化研究主要集中于工质选择、膨胀机设计或系统级热力学性能，涵盖超临界CO
2底循环、混合聚光太阳能发电-化石能源结构以及基于机器学习优化的船舶废热回收装置等先进构型。然而，尽管这些工作广泛考察了宏观层面的热力学参数和全局循环效率，从价值工程（Value Engineering，VE，一种通过功能分析系统性地平衡功能与成本以提升产品价值的结构化方法）视角，结合多准则决策分析、全生命周期成本评估及基于模拟的性能验证来对单个换热器部件——尤其是预热器——进行材料选择的研究尚未见诸报道。此外，既有VE研究主要集中在建筑和基础设施领域，且缺乏基于CFD的性能确认。本研究正是针对上述空白，提出了一套集成的、经原型验证的框架，用于模块化ORC-WtE系统中预热器管材的成本优化。
**二、研究概述与意义**
R. Susalit Setya Wibowo、Zico Pratama Putra、Faisal、Adhi Pramono、Suharto Ngudiwaluyo、Yudi Purwantoro、Nyimas Dewi Sartika、Atang Sulaeman、Bonny Agung Wahyuono、Satmintareja、Asep Duduh Abdurahman、Suyatmin、Ari Gunawan、Kusumawati Dewi Budiarti、Nasrul Baddu、Sunarto、Cahyono Nugroho、Hana Hermawan、Endra Dwi Purnomo、Makmuri及Andita Alizhari等研究人员（均隶属于印尼国家研究与创新署能源与制造研究组织）开展了一项将VE方法系统应用于模块化ORC系统预热器管材选择的研究。研究人员整合了FAST、AHP-TOPSIS多准则决策分析、LCC评估及CFD验证四种方法，基于Soreang运营设施的原型成本数据，成功将预热器管束制造成本从37,388美元的原型基线降低至11,924.46美元（降幅68.11%），总预热器成本降低43.17%（从58,991美元降至33,527.46美元）。CFD模拟证实材料替代对系统热工和水动力性能的影响在5–6%的可接受工程偏差范围内。该集成框架为小型可再生能源系统（尤其是发展中国家）中换热器部件的成本优化提供了一套可复制的、经原型验证的方法论，对推动WtE技术的经济规模化应用具有直接实践意义。
**三、关键技术方法**
本研究采用混合方法设计，结合定性与定量研究路径。定性方法包括FAST图和头脑风暴，用于识别替代方案；定量方法包括帕累托分析、成本/价值（Cost/Worth，C/W）模型、层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）及逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）。VE实施遵循三阶段流程：预研讨会阶段（规划与组织）、研讨会阶段（含信息阶段、功能分析阶段、创意阶段、评价阶段、开发阶段和展示阶段）及研讨会后阶段（实施与跟进）。数据收集通过三种途径完成：文献综述以收集方案和替代思路；与四位领域专家（来自BRIN的两位资深热工工程师、一位换热器材料工程师和一位具有VE/LCC专长的工业工程师）进行访谈和头脑风暴以确认预热器的主要和次要功能；问卷调查以获取AHP和TOPSIS所需的准则与替代方案评估数据。CFD模拟采用ANSYS Fluent软件，使用标准k-ε湍流模型，生成约320万单元的网格，边界条件为壳侧入口导热油温度200°C、质量流量2.1 kg/s，管侧入口工质R245fa温度80°C、质量流量1.62 kg/s，出口设为压力出口，通过三种网格密度（180万、320万和510万单元）验证了网格独立性。全生命周期成本分析采用4年项目周期和10%折现率，以现值计算。
**四、研究结果**
**信息阶段**：研究人员通过帕累托分析确定了预热器各组件成本分布。管组件占总预热器成本的63.38%，成本为37,388美元，是最大的成本驱动因素；其次为折流板，占13.50%，成本为7,963美元。
**功能分析阶段**：研究人员采用C/W分析和FAST图进行功能分析。预热器的C/W比为7.45，表明实际成本与实现"传热"这一基本功能所需的最低成本之间存在显著差距。计算得出稳态ORC运行热负荷Q
preheater = 452.47 kW
th，与621 kW的额定设计容量相比，设计裕度约37.39%，该裕度涵盖随时间积累的污垢裕量、瞬态启动负荷以及因季节性废物含水率波动引起的燃料品质变化。
**创意阶段**：研究人员通过文献调研和与利益相关者的头脑风暴，确定了碳钢、304不锈钢（SS304）、铜、黄铜、铝和Inconel六种管材替代方案，并建立了五项评价准则：热导率（C1）、耐腐蚀性（C2）、机械强度（C3）、温度强度（C4）和制造便捷性（C5）。
**评价阶段——准则与替代方案**：准则评估采用1–5级量表，各准则在设定区间内按最小值到最大值划分等级。替代方案评估基于材料数据在量表中进行映射。
**评价阶段——准则成对比较矩阵与权重**：四位领域专家使用Saaty 1–9标度独立完成准则成对比较评估。各专家的一致性比率（CR）分别为R1=0.079、R2=0.088、R3=0.091、R4=0.082，均低于0.10阈值。采用个体优先级聚合方法对四位专家的权重向量取算术平均，得到综合权重：热导率（C1）权重最高（0.311），其次为温度强度（C4，0.287）和耐腐蚀性（C2，0.207），制造便捷性（C5）权重最低（0.052）。
**评价阶段——一致性检验**：以λ
max=5.366和n=5计算，一致性指数CI=0.092，一致性比率CR=0.083，低于AHP方法推荐的0.10容限，表明评估具有逻辑一致性和可靠性。
**评价阶段——基于AHP-TOPSIS的多准则决策分析**：TOPSIS分析表明，仅基于五项技术准则，铜（A3）偏好值最高（0.616），其次为Inconel（0.455）和SS304（0.426）。然而，研究采用显式两层决策框架：第一层为技术排序（AHP-TOPSIS），第二层为VE经济决策——将技术得分与材料成本和LCC相结合。铜的LCC约为SS304的三倍，Inconel约为SS304的7.5倍，而在该ORC系统温和运行条件（最高温度≤200°C，表压≤10 bar）下并无相应的功能收益，因此SS304被确定为最优材料。
**评价阶段——管材质量与成本计算**：基于实际管几何参数（496根管，外径16 mm，壁厚1.65 mm，长度3200 mm）和印尼当地市场价格，计算了各材料替代方案的管束总质量和总成本。铝的管束成本最低（838.71美元），其次为碳钢（1,909.98美元）和SS304（4,724.46美元），Inconel成本最高（35,199.16美元）。
**评价阶段——敏感性分析**：研究人员将经济价值函数V
i(x)=C*
i/[LCC
i·(1+δ
LCC·x)]在δ
LCC=±20%变化范围内进行敏感性分析，涵盖维护频率±20%变化、电价波动或折现率从8%至12%的变化。在所有场景下，材料排序保持稳定：SS304第一，碳钢第二，铜第三，黄铜第四，铝第五，Inconel第六，证实了SS304选择的高度稳健性。
**分析阶段——替代材料选择的工程洞察**：SS304作为奥氏体不锈钢，展现了最均衡的性能组合：优异的耐腐蚀性、足够的机械强度（193 GPa）、高达600°C的良好温度稳定性及良好的制造便捷性。其C/W比仅为1.51，价值函数V
i=1.22，在所有替代方案中最高。碳钢和铝虽成本更低，但耐腐蚀性和温度能力存在显著局限；铜导热优异但成本高且机械柔软；Inconel性能卓越但对于该系统属过度设计，C/W比高达5.96。研究人员还按ASME BPVC第VIII卷第1分册进行了初步解析计算，确认SS304管在指定壁厚和运行表压（≤10 bar）下满足最小壁厚要求，安全系数超过3.0。
**分析阶段——全生命周期成本（LCC）计算**：采用4年项目周期和10%折现率，以现值计算各替代方案的LCC。SS304的LCC为35,153美元，仅略高于碳钢的100,650美元（原文如此，此处应为碳钢LCC高于SS304），其归一化LCC为0.35，远优于铜（0.67）和Inconel（1.90）。结合技术得分与LCC的价值函数计算表明，SS304的V
i=1.22，在所有替代方案中排名第一，确认其为最具经济可持续性的选择。
**分析阶段——计算流体动力学（CFD）模拟**：CFD模拟结果显示，SS304替代碳钢后，温度差（ΔT）偏差仅为±3–5%，传热系数（h）变化在±2–6%以内，管侧压降（ΔP）从碳钢基线的?20.0 kPa变为SS304的?20.6 kPa，相差仅0.6 kPa（3%），流速变化小于1.1%。由于传热机制主要由流体对流主导，材料导热率的变化未显著影响系统热工和水动力性能，总体偏差在5–6%的可接受工程范围内，未超出ASME/TEMA标准的性能允许偏差。
**分析阶段——研究局限性**：研究人员指出，虽然提供了按ASME第VIII卷第1分册的一阶承压计算，但尚未开展综合的机械可靠性评估，高温度梯度（壳侧200°C至管侧80°C）引起的热应力、启停操作中的循环热疲劳、流致管振动以及特定工质所需的腐蚀裕量等尚未进行定量评价。
**五、讨论与结论**
本研究的核心贡献在于首次将FAST、AHP-TOPSIS、LCC和CFD四种方法集成应用于模块化ORC-WtE系统预热器管材选择，并基于运营设施的原型成本数据进行了验证。研究表明，通过帕累托分析识别出管组件为最大成本驱动因素（占总预热器成本63.38%）；经AHP-TOPSIS多准则评价和两层经济决策框架，SS304被确定为最优材料；材料替代实现了管束制造成本68.11%的降低和总预热器成本43.17%的降低；CFD模拟证实材料变更对系统性能影响在5–6%的可接受范围内。该研究证明了将VE与多准则决策分析和数值验证相结合是可再生能源系统（尤其是发展中国家）成本优化的有效方法论。
研究结论如下：本研究成功将综合VE方法应用于100 kW模块化ORC垃圾发电系统预热器管材选择，展示了FAST、AHP-TOPSIS、LCC和CFD验证的集成应用。帕累托分析确定管组件为最高成本驱动因素（占总预热器成本63.38%）。通过AHP-TOPSIS多准则评价和第二层经济决策整合，SS304被确定为提供最佳价值的材料。材料替代至SS304实现了管束制造成本降低68.11%，总预热器成本降低43.17%（从58,991美元降至33,527.46美元，LCC为35,153美元）。CFD模拟证实材料变更对系统性能影响可忽略不计，温度差、压降和传热系数偏差均在5–6%以内。未来工作应包括：（1）对SS304管在运行负荷下进行机械和热应力验证的有限元分析；（2）在部分负荷运行工况和多种工质条件下开展多点CFD模拟；（3）将VE框架扩展至全ORC系统；（4）对Soreang安装的原型进行长期污垢和腐蚀监测；（5）开展面向商业WtE装置规模化的技术经济分析。
