5月28日，在成都举办的第十三届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会上，内蒙古电力勘测设计院有限责任公司发电机务室主设计师姜耀华发表了题为《熔盐槽式光热电站动态建模与仿真研究》的主题报告。

本次研究针对300MW级大容量熔盐槽式光热电站，通过构建全系统高精度动态仿真模型，系统分析了不同光资源波动下的电站运行特性与变工况协同控制效果，为大型槽式光热电站的设计优化与安全稳定运行提供了关键技术依据。

▲姜耀华

研究背景：瞄准300MW级大容量电站运行痛点

姜耀华指出，当前光热电站单机容量已正式迈入300MW级别，300MW级熔盐槽式集热岛总集热面积超过300万平方米，通过二元熔盐循环实现300℃至550℃的温度提升，在光资源较好时可提供电站60%-70%的瞬时热输入，配合储热系统能够实现全天候稳定发电。

但随着电站规模的扩大，系统的热惯性、流程复杂度显著提升，光资源波动对电站运行稳定性的影响也更为突出。为此，本次研究针对300MW级熔盐槽式光热电站开展全工况动态仿真分析，核心目标分为三个方面：

全厂动态建模：构建包含集热岛、储换热岛、常规岛以及管网、泵阀及控制逻辑的一维或准三维耦合仿真模型，准确表征工质热力学参数特性；

动态工况仿真：对集热岛进行不同形式DNI（太阳直接辐照）扰动的动态仿真，分析相关参数的变化特征；

变负荷控制优化：研究发电岛的全局控制逻辑及变工况下协同控制效果，量化跟踪能力与控制偏差等核心性能指标。

基于Modelica语言打造全系统高精度仿真平台

姜耀华介绍，与传统因果建模工具不同，Modelica采用非因果的方程导向建模方式，用户可直接描述物理守恒关系，无需预定义输入输出，大幅提升了模型的可重用性与扩展性；同时平台拥有丰富的热动力组件库，能够高效处理熔盐复杂物性并精准模拟DNI扰动工况。

▲Dymola平台示意

在此基础上，研究团队完成了三大核心系统的模型搭建与集成：

（1）集热岛模型：单回路高精度+全域分区耦合

集热岛模型以单根集热管为基础单元，综合考虑光学吸热、熔盐流动与全域传热过程，构建了高精度单回路集热器模型。在此之上，采用分区等效方式整合620个并联回路，将约78个回路划分为1个分区，共形成8个分区，依托流量与热阻网络实现回路间的耦合，在保证计算精度的同时大幅缩减了运算量。

▲单回路集热器模型示意

（2）储换热与汽水系统模型：覆盖全流程关键设备

SGS系统（蒸汽发生系统）：针对不同设备特性分别建模，预热器、过热器和再热器采用一维分布式单相换热器模型；蒸发器作为相变核心设备，重点处理两相流物性与沸腾换热区界面移动；汽包模型则严格划分液相区与汽相区，模拟两相间的质量与能量耦合过程。

汽水系统：汽轮机模型基于变工况特性理论，采用弗留格尔公式描述级组流量特性；除氧器、给水加热器与排汽装置均采用精细化建模方法，准确反映其动态响应特性。

最终，研究团队完成了集热储热系统、蒸汽发生系统与汽轮发电系统的全场模型集成，形成了能够模拟电站全工况运行的数字孪生体。

▲全场模型集成示意图

核心发现：全面揭示DNI波动对集热岛运行的影响规律

集热岛作为光热电站的能量输入端，其运行特性直接决定了整个电站的稳定性。姜耀华及其团队通过模拟15种典型DNI动态工况，系统分析了不同辐照变化幅度、变化速率与受扰范围下的集热岛参数响应规律。

▲集热场模型与布置示意图

（集热器单回路长732m，开口宽度为8.6m，考虑620个回路，共设置8个分区）

（1）稳态工况：宽DNI范围下具备良好调节能力

在熔盐进口温度300℃、出口温度恒定550℃的条件下，集热岛在DNI 400–1200W/m²范围内呈现出清晰的运行规律：

随着DNI的增加，单回路及全场质量流量同步提高，以适应集热管吸收太阳辐射热量的持续增加。由下图，表明在保持出口温度稳定的条件下，系统通过提高流量来匹配更高的DNI输入。

▲不同DNI稳态工况质量流量（300-550℃）

随着DNI的提高，集热功率呈现出明显的增长趋势。表明在更高太阳辐照条件下，集热场整体出力能力显著增强，系统能够有效地将增加的太阳辐射能转化为可利用的热能输出。这一变化趋势说明集热场在宽DNI范围内具有良好的输出调节能力；

▲不同DNI稳态工况集热功率（300-550℃）

在保持出口温度恒定的前提下，随着辐照水平的提高，单位入射太阳能中被有效吸收并转化为有用热能的比例逐渐增加。同时，平均线热损失也随运行负荷的提高而逐渐增大，由约478.4W/m增加至1033.3W/m。这主要是由于更高的运行温度和更大的吸热功率导致集热管向环境的散热增强。然而，相对于不断增加的集热功率而言，热损失在总吸热量中的相对比例逐渐降低，因此系统整体热效率仍表现出稳步提升的特征。

▲不同DNI稳态工况热效率和平均热损失（300-550℃）

（2）动态工况：变化速率与幅度决定系统响应特征

研究设计了3个DNI变化幅度（高幅度1200→400W/m²、中幅度1200→880W/m²、低幅度880→400W/m²）与5个变化时间（1分钟快速变化至30分钟极缓慢变化）的完整工况矩阵，核心结论如下：

中幅度DNI变化（1200→880W/m²）：

1分钟快速变化：系统温度与效率出现短暂波动后重新稳定，输出功率下降约27%，整体过渡平滑；

▲口温度与热效率图

▲功率图

10分钟典型变化：效率轻微持续下降，温度变化曲线无明显陡降，运行平稳性显著提升；

▲口温度与热效率图

▲功率图

30分钟极缓慢变化：集热效率基本无变化，熔盐温度下降过程自然柔和，系统缓冲能力达到极致。

▲口温度与热效率图

▲功率图

大幅度DNI变化（1200→400W/m²）：

1分钟快速变化：集热效率出现明显快速跌坠，随后逐步回升，输出功率骤降约67%，但系统未出现剧烈振荡；

▲口温度与热效率图

▲功率图

30分钟极缓慢变化：效率仅发生极其轻微的降低，温度与功率变化全程平稳，系统展现出极强的适应性。

▲口温度与热效率图

▲功率图

（3）局部至全场扰动：受扰范围越大，影响越显著

为模拟实际运行中常见的局部云遮挡现象，研究进一步设置了1个分区、2个分区、半集热场（4个分区）与全集热场（8个分区）四类受扰范围，结果表明：

单分区与双分区局部扰动下，系统依靠未受扰区域的热容量补偿能力，各项参数变化温和，整体稳定性良好；例如单分区遭遇1200→400W/m²骤降时，全场集热功率仅下降约6.7%；

半集热场与全集热场大范围扰动对系统影响显著，全集热场遭遇极端骤降时，出口温度降至约383.41℃，集热功率降幅达67.1%；

所有工况下，系统动态响应均保持平滑过渡，未出现失稳现象，充分体现了槽式光热系统良好的热惯性缓冲能力。

（4）变化速率影响：同等幅度下，变化越慢，长期影响越强

对比分析表明，在相同DNI扰动幅度下，变化时间越长（速率越慢），集热功率的最终降幅越大，对出口温度的抑制作用也越显著；但快速变化会导致更剧烈的瞬时参数波动，对控制系统的响应速度提出更高要求。

控制验证：变工况协同控制策略性能优异

在掌握系统动态响应规律的基础上，姜耀华及其团队进一步验证了电站变工况协同控制策略的有效性，分别从集热岛温度控制与常规岛发电控制两个维度进行了全面测试。

（1）集热岛出口温度控制：偏差不超过1℃

研究采用基于熔盐质量流量调节的出口温度控制策略，在额定DNI 880W/m²基础上，施加±150W/m²与±300W/m²的阶跃扰动。结果显示，无论DNI增加还是降低，出口温度的最大偏差均不超过1℃，且变化过程平缓无振荡。

在不同扰动速率测试中，1分钟快速变化时出口温度超调量最大，而30分钟极缓慢变化时超调量最低，温度接近设定值550℃，系统响应最为平缓。

（2）常规岛发电协同控制：全负荷段精准跟踪

发电系统采用汽轮机功率、给水流量、熔盐流量与冷凝液位多回路精密协同控制，并在熔盐流量控制中加入前馈补偿，有效抑制了变工况过程中的参数波动。研究选取了15%-100%、30%-100%、50%-100%与70%-100%四个典型升负荷工况进行验证，核心数据如下：

▲不同起始负荷升至满负荷的动态控制指标对比表

综合来看，四种工况下实际发电功率均能快速精准跟随指令，响应基本无延迟，功率超调与稳态误差均控制在极低水平；汽包压力波动最大值均出现在深度降负荷过程，且远小于限定标准；熔盐温度始终保持稳定，满足变负荷运行要求。

注：如需深入了解姜耀华及团队在熔盐槽式光热电站动态建模与仿真研究领域的具体进展，可联系平台工作人员索取演讲资料13261472218（微信同号）。

附：内蒙古电力勘测设计院有限责任公司简介

公司始建于1958年，隶属于内蒙古能源集团，是国家甲级电力勘测设计企业。持有工程勘察综合甲级、电力工程设计咨询甲级、国家住建部颁发的电力行业及多个专业甲级工程设计资质证书、工程勘察综合甲级资质证书、电力工程甲级监理、环境影响评价甲级、测绘甲级等14类资质，是电力行业甲级勘测设计、总承包企业。

在光热发电领域，公司拥有以下核心优势：

技术与知识产权：推出行业内首个自主研发的计算软件——《槽式、塔式太阳能光热电站设计与优化系统》，拥有30余项光热相关专利，覆盖槽式、塔式、碟式三大技术路线，涵盖太阳能热发电、供热、联合供热等领域。

标准编制：主导或参与编制了《槽式太阳能光热电站设计规范》《塔式太阳能光热电站设计规范》《菲涅尔工程技术标准》三大国家级行业标准；

团队与经验：组建了50余人的专业光热设计研发团队，具备承接3个光热发电项目勘察设计和1个项目EPC总承包的综合能力，同时拥有30多个国家的国际工程项目经验。