随着全球对可持续和低碳能源系统需求的增长，研究工作也在朝着高效可靠的可再生能源发电技术方向发展[1]。在地热能源中，它作为一种特别可靠且碳中性的选择脱颖而出，能够提供不受气候波动影响的连续基础负荷电力[2]。然而，尽管如此，传统地热发电厂的热效率相对较低，通常在8%到12%之间，这限制了它们在清洁能源组合中的大规模应用[3]。
双闪蒸地热系统（DFGC）因其从高焓储层中提取能量的能力而受到广泛认可，其净发电量比单闪蒸系统高出约15-25%[4]、[5]。然而，仍有相当一部分盐水焓（通常超过30%）作为未利用的热量被排放到回注井中。这一限制促使研究人员探索将DFGC与二次热力学回路结合的混合策略，以回收剩余能量[6]。其中最有前景的两种选择是有机朗肯循环（ORC）和超临界二氧化碳（t-CO2）循环，每种循环都具有独特的热物理优势。t-CO2循环在临界点以上运行，具有较高的传热系数和紧凑的设计；而ORC系统则由于其有利的沸腾特性，在低温范围内能够实现高效转换。因此，将这些回收单元集成到DFGC中已成为提高地热发电厂整体能量和能量利用效率的技术可行途径[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
多项合作研究已经定量评估了集成超临界CO2回收的混合地热发电厂的热力学行为。El Haj Assad等人[15]对一个与tCO2循环耦合的单闪蒸地热系统进行了完整的能量-能量利用评估。他们的优化配置产生了473.6千瓦的净功率，能量利用效率达到了38.3%，主要不可逆性发生在CO2蒸汽发生器和涡轮机中（分别为182.4千瓦和106千瓦），明确指出了这些组件是改进的目标。Wang等人[16]通过引入回热器改进了单闪蒸-tCO2布置，获得了401.3千瓦的净输出，能量利用效率为32.5%，能量效率为6.5%。与基线工厂相比，这些结果分别提高了2.7倍和167%。Aryanfar和Alcaraz[17]使用遗传算法和Nelder-Mead算法进一步优化了单闪蒸-tCO2循环的分离器和涡轮机入口压力，将能量利用效率从32.5%提高到39.2%，然后在受限条件下进一步提高到36.2%。同样，Huang等人[11]对类似的混合配置进行了热经济评估。他们的基线单闪蒸单元产生了94.5千瓦的功率，而集成的tCO2系统产生了195.1千瓦的功率，峰值能量利用效率为48.2%，输出提高了约2.1倍，能量损失降低了45%。总体而言，这些研究表明tCO2耦合显著提高了地热能的利用效率，主要得益于其优越的传热特性和在超临界膨胀区域内的较低熵生成。
尽管在将单闪蒸地热系统与二次回收单元结合方面取得了显著进展，但对双闪蒸配置的研究仍然相对有限。Sarr和Mathieu-Potvin[18]评估了应用于双闪蒸工厂的六种中间加热方案，并根据分离器压力的调整展示了高达6-8%的热效率提升。Salehi等人[19]将双闪蒸配置与海水淡化和吸收热转换集成，实现了约12%的综合功率-淡水效率，突显了混合利用的潜力。Tian等人[20]提出了一个基于双闪蒸的热电联产系统，其能量利用效率相比基线情况提高了近17%。Feili等人[21]引入了共沸喷射器制冷循环与双闪蒸系统结合，由于双蒸发器中的更好热匹配，报告了9.4%的能量效率提升。除了这些针对配置的研究外，一些近期工作还开始将双闪蒸布局扩展到更广泛的多联产、非设计条件和4E（能量-能量利用-经济-环境）评估，这些都与本文的研究范围更为接近。Yilmaz等人[22]开发了一个结合地热辅助的多联产工厂，与再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环集成，报告了14.09%的能量效率和23.35%的能量利用效率，同时产生了电力、氢气、淡水、冷却和加热，证明了具有环境性能评估的地热驱动多联产平台的可行性。在后续研究中，Yilmaz等人[23]对基于地热的多联产配置进行了参数化的能量-能量利用-环境分析，表明系统性能对源温度变化和组件级别的不可逆性非常敏感，强调了在混合地热系统中需要先进的热力学建模和可持续性指标。Li等人[24]为超临界CO2系统开发了一个非设计框架，由地热热能驱动，表明在源温度波动时必须连续调整最佳运行压力和泵速，这是经典双闪蒸分析中几乎从未考虑过的方面。Yılmaz等人[25]提出了一个基于DFGC的多联产工厂，将两个蒸汽涡轮机与tCO2朗肯子循环、PEM电解器、生活用水加热和干燥单元结合；他们报告了4,431千瓦的净功率和总体能量及能量利用效率分别为26.2%和37.5%，证实了DFGC是多输出地热系统的稳健顶置循环。Hai等人[26]后来用Kalina-plus-TEG尾部替换了二元部分，获得了35.6%的能量利用效率和1.55的可持续性指数，证明了可以在不牺牲环境性能的情况下构建废热级联的双闪蒸系统。同时，Castellanos等人[14]在单闪蒸和双闪蒸试验台上证实，添加一个回收的tCO2回路可以将净功率大约翻倍，并将能量效率提高45-65%，但也将能量损失的热点转移到了CO2蒸汽发生器和气体冷却器，这需要在组件级别进行优化。更先进的集成[27]甚至将DFGC-tCO2系统与反渗透海水淡化结合，实现了22%的能量效率提升和22%的功率输出增加，尽管由于超临界回路和淡化泵中的额外不可逆性，能量利用效率略有下降（2-5%）。关于独立双闪蒸工厂的并行4E研究[28]报告了约13%的能量效率和超过50%的能量利用效率，以及适合区域供热的较高冷凝热率，表明混合DFGC平台不仅可以与仅发电的布局进行比较，还可以与热回收和热电联产基线进行比较。最后，Mohammadi和Fallah[29]对集成有ORC、吸收冷却和TEG模块的DFGC进行了能量利用研究，表明高达35%的总能量损失是可以避免的，并且主要是内源性的，因此仍缺乏在相同热力学框架内对DFGC-tCO2、DFGC-ORC和DFGC-Kalina选项进行比较的研究。
尽管之前的研究已经证实，将单闪蒸地热系统与二次回收单元结合可以提高发电量，但这些研究大多针对特定配置，在不一致的边界条件下进行，并且通常仅使用传统的第一定律和第二定律指标进行评估。因此，当应用于双闪蒸地热循环（DFGC）时，混合回收选项的热力学行为、不可逆性结构和可持续性排名仍然了解不足。鉴于DFGC提取了更多的资源能量，但仍然会排放大量剩余热量，文献中缺失的关键要素不是另一种孤立的混合布局，而是一个类似比较的、边界一致的框架，能够揭示不同的回收回路热物理特性如何影响能量损失、环境性能和整体系统可持续性。为了解决这一差距，本研究开发了一个基于EES的统一热力学建模平台，在该平台上，参考DFGC、DFGC-tCO2系统、DFGC-ORC系统和DFGC-ORC-CCP配置在相同的地热条件、一致的组件模型、真实气体属性和组件级别的能量利用核算下进行了模拟。能量和能量利用平衡与两个互补的可持续性指标——能量可持续性指数（ESI）和能量环境指数（EEI）相结合，使得性能评估超越了传统的效率指标，并将热力学不可逆性与环境相关性联系起来。分析表明，超临界CO2循环通过提高功率密度来弥补较高的压缩相关不可逆性，而ORC集成改善了热匹配并减少了能量损失，而CCP配置扩展了系统的多功能服务。因此，本研究的科学创新和新颖之处在于：（1）首次在同一建模环境中对DFGC-tCO2和DFGC-ORC回收架构进行了边界一致的统一热力学比较；（2）首次将ESI和EEI作为联合决策支持指标用于排名双闪蒸地热混合系统；（3）在相同假设下首次定量证明了回收回路热物理属性如何决定高焓DFGC工厂的能量损失结构和可持续性性能。
