塔式太陽能熱發電站的輸出與儲熱調峰特性研究

周慧，張開宇，胡錦華*，劉盛豪，王玄驊，王巍

(浙江可勝技術股份有限公司，杭州310053)

摘要：隨著電網峰谷差的增大，其對調峰電源的需求也隨之增加，塔式太陽能熱發電站具有良好的可調度性，是優質的綠色調峰電源。以青海省某商業化運行的50MW塔式太陽能熱發電站為研究對象，對其組成部分、運行模式、輸出特性及儲熱調峰能力進行了分析。分析結果顯示：（1）該太陽能熱發電站可克服光伏發電、風電的隨機性、波動性缺點，在多云天氣下也能維持穩定高功率輸出，同時還能根據用電需求維持低功率持續運行，表現出良好能量調節能力。（2）該太陽能熱發電站可以在光伏發電、風力發電高峰期時，快速降功率運行；而在光伏發電、風力發電處于谷值時，快速升功率運行，使電網最大限度地消納光伏發電和風電。

關鍵詞：塔式太陽能熱發電站；儲熱調峰；輸出特性；調峰電源

DOI：10.19911/j.1003-0417.tyn20241211.01 

文章編號：1003-0417(2025)06-38-07

可再生能源存在間歇性和波動性，其大規模并網增大了電網等效負荷的峰谷差，進而對電網的安全運行造成了威脅[1-4]。為使電網有效消納可再生能源，使用高穩定性的電源進行靈活調峰成為一種有效方法[5-6]，其中，采用熔鹽儲能技術的塔式太陽能熱發電站，可通過儲換熱系統實現能量的快速釋放與轉換，具有天然的調峰優勢[7-12]。

國內外學者已做了大量有關太陽能熱發電儲熱調峰特性的研究。比如：Boukelia等[13]對有無儲熱和燃料備用系統的槽式太陽能熱發電站的輸出功率進行了研究。崔楊等[14]研究發現：火電機組的調峰成本受并網太陽能熱發電站儲熱容量的影響，通過合理配置儲熱容量能有效降低火電機組的調峰成本。張堯翔等[15]對太陽能熱發電的可調節特性及太陽能熱發電-火電聯合調峰控制的可行性進行了分析，并通過算例驗證了其有效性。贠韞韻等[16]基于電網經濟性調度問題建立了太陽能熱發電站需求響應模型，得出火電機組和太陽能熱發電站配合可以提高電網對可再生能源的消納深度。董海鷹等[17]對熱電聯產運行模式下的太陽能熱發電儲熱調峰策略進行了研究，研究結果表明：熱電聯產運行模式下，通過太陽能熱發電站的輔助供熱，可顯著提高電網的風電消納水平。

雖然已有研究對太陽能熱發電站的儲熱調峰特性進行了研究，但基于太陽能熱發電站實際運行數據的儲熱調峰特性的研究仍較為欠缺。因此，本文以青海省某商業化運行的50MW塔式太陽能熱發電站(下文簡稱為“本太陽能熱發電站”)為研究對象，對其組成部分、運行模式、輸出特性及儲熱調峰能力進行分析，旨在為大規模商業化塔式太陽能熱發電站的設計和運行提供理論支持。

1

本太陽能熱發電站概括

1.1組成部分介紹

本太陽能熱發電站由聚光集熱系統、儲換熱系統(包括儲熱系統和換熱系統)、汽輪機發電系統3部分組成，其運行原理圖如圖1所示。圖中：高加和低加分別為高壓加熱器和低壓加熱器的簡稱。

本太陽能熱發電站通過定日鏡陣列(鏡場)將太陽輻射反射到吸熱塔塔頂的吸熱器上，吸熱器將表面聚集的太陽輻射能轉化為吸熱器內部傳熱工質(采用熔鹽，由60%的NaNO3和40%的KNO3組成)的熱能；隨后，通過管道將由吸熱器加熱至565℃的熔鹽輸送到儲熱系統的熱鹽罐中儲存，發電時熱鹽罐內的高溫熔鹽由熱鹽泵輸送至換熱系統，在換熱系統中高溫熔鹽與給水換熱，產生高品質過熱蒸汽，進而推動汽輪發電機組發電。

本太陽能熱發電站配置了儲熱時長為7h的儲熱系統，采用具有超高壓、高溫、中間一次再熱特性的凝氣式汽輪發電機組，支持頻繁啟停。本太陽能熱發電站的主要技術參數如表1所示。

1.2本太陽能熱發電站的運行模式分析

由于太陽輻照具有周期性和波動性的特點，通過配備儲熱系統，本太陽能熱發電站可實現聚光集熱系統和汽輪機發電系統的解耦運行。根據運行特點，本太陽能熱發電站可分為4種運行模式，分別為：

1)儲熱模式。法向直接輻照度(DNI)達到聚光集熱系統運行條件時，聚光集熱系統運行，儲熱系統儲熱，但此時儲熱量達不到汽輪發電機組啟動條件。

2)儲熱且發電模式。當儲熱系統儲熱量滿足汽輪發電機組啟動條件時，汽輪發電機組啟動，汽輪機發電系統運行；此時，本太陽能熱發電站儲熱與發電同時進行。

3)發電模式。當DNI不滿足聚光集熱系統運行條件時，聚光集熱系統停運，但此時儲熱系統儲存的熱量能滿足汽輪機發電機組運行，汽輪發電機組可根據電網調度需求進行負荷調節。

4)停機模式。在DNI為零或處于低值的情況下，聚光集熱系統不運行且儲熱系統熱量不足時，汽輪機發電系統停運。

1.3本太陽能熱發電站典型日的運行模式分析

選取2019年12月21日(晴天)作為典型日，對本太陽能熱發電站在4種運行模式下的運行情況進行分析，分析結果如圖2所示。圖中：①為停機模式；②為儲熱模式；③為儲熱且發電模式；④為發電模式。

由圖2可知：00:00～08:50時段，本太陽能熱發電站處于停機模式，主要是因為此時DNI為零且儲熱系統的儲熱量不足導致的。08:50～11:45時段，本太陽能熱發電站處于儲熱模式，隨著DNI逐漸升高，聚光集熱系統開始工作，儲熱系統中的熱熔鹽液位不斷升高，但汽輪發電機組尚未啟動，因此本太陽能熱發電站處于儲熱模式。11:45～17:40時段，本太陽能熱發電站處于儲熱且發電模式，隨著熱鹽罐液位不斷上升，儲熱系統熱量達到汽輪發電機組啟動條件，其開始運行并發電。17:40～24:00時段，本太陽能熱發電站處于發電模式，隨著DNI下降，聚光集熱系統停止運行，此時汽輪發電機組使用儲熱系統儲存的熱量發電。

2

本太陽能熱發電站的輸出特性及儲熱調峰能力分析

2.1高輸出功率分析

從電網角度來看，為有效消納大幅增加的風電、光伏發電等隨機性大的可再生能源，其需要配置大量調峰電源。本塔式太陽能熱發電站配備了儲熱系統，能實現聚光集熱系統和汽輪機發電系統解耦運行，使汽輪發電機組的輸出功率不再受DNI的限制，在各種天氣下均可實現高負荷下的高功率輸出，可作為極好的調峰電源。

為驗證本太陽能熱發電站在不同天氣條件下的輸出特性，選取2019年8月8—10日，對應的天氣狀態分別為多云(厚云)、少云和晴天，對本太陽能熱發電站在這72h內的輸出功率進行分析，分析結果如圖3所示。

由圖3可知：在0～24h期間，當DNI發生劇烈變化時，聚光集熱系統從第13h開始逐漸降低負荷運行直至停機；而在10～19h期間，汽輪發電機組利用熱鹽罐中的熱量產生蒸汽，使自身維持在高輸出功率狀態(平均輸出功率大于45MW)；然后隨著熱熔鹽被消耗至低位值，汽輪發電機組停止運行，本太陽能熱發電站進入停機模式。在24～72h期間，汽輪發電機組輸出功率從第32h開始提高，并以高輸出功率狀態維持至第44h時，隨著用電負荷的下降，汽輪發電機組的輸出功率維持在20MW左右。

綜上可知，在本太陽能熱發電站連續運行的72h中，聚光集熱系統可與汽輪機發電系統解耦運行，汽輪機發電系統不受DNI限制，即使在多云天氣DNI劇烈變化、早晚光照資源不理想時，只要熱鹽罐液位高，本太陽能熱發電站仍可實現高負荷穩定輸出。說明本太陽能熱發電站在太陽輻照資源波動時，仍具有高輸出功率穩定輸出的能力。

2.2低輸出功率的連續輸出特性

由于本太陽能熱發電站的儲熱時長只有7h，無法滿足汽輪發電機組24h滿負荷運行的需求，但汽輪發電機組頻繁啟停又會影響其使用壽命。因此，本太陽能熱發電站采取白天滿功率發電、夜間降功率保證汽輪發電機組連續運行的優化策略，以減少汽輪發電機組的啟停次數，降低設備頻繁啟停過程產生的熱沖擊，提高汽輪發電機組的使用壽命。

為驗證該策略有效性，對本太陽能熱發電站在2020年2月1—13日期間連續運行13天的情況進行統計，得到該期間的輸出功率、熱鹽罐液位及DNI數據，如圖4所示。

由圖4可知：連續13天運行期間，在白天，本太陽能熱發電站以儲熱且發電模式運行，當聚光集熱系統停止運行時，汽輪發電機組則維持在低輸出功率工況運行。

在運行的13天中，汽輪發電機組連續運行了292.8h，不間斷發電量達8.39GWh，不間斷發電量達成率為105.2%。這表明，汽輪發電機組的低輸出功率運行能力不僅為本太陽能熱發電站的發電量提供了保障，也為其響應電網調度帶來更多的操作空間。

2.3快速變負荷儲熱調峰能力

隨著可再生能源發電裝機容量的增加，電網峰谷差進一步加大，可再生能源電力消納能力面臨挑戰，致使出現大量棄風、棄光現象。雖然火電是重要的調峰電源，但火電機組的調峰能力受鍋爐燃燒穩定性、水動力安全性和環保裝置在低負荷運行下適應性的限制。在傳統火力發電系統中，由于汽包的筒體壁較厚，機組快速變負荷運行時，汽包筒體會產生由內外壁溫差引起的徑向熱應力和外壁上下溫差引起的周向熱應力，從而降低其使用壽命。自然循環形式下，鍋爐的變負荷速率主要受汽包壽命的限制[18-20]。對于未進行靈活性改造的火電機組，其負荷可調范圍通常為50%～100%，負荷調節率為1%～3%Pe/min[21-22]。

本太陽能熱發電站在設計上考慮了汽輪發電機組的頻繁啟停和寬負荷調節能力，運行中可精準控制汽輪機發電系統的熔鹽流量和溫度。該設計可實現汽輪發電機組蒸汽參數數值的精細化控制和平穩過渡，降低快速變負荷時溫度變化對汽輪發電機組主要設備的熱沖擊，延長設備使用壽命。利用文獻[23]中的公式，對本太陽能熱發電站變負荷運行下汽包的循環應力幅值進行計算。汽包內徑為1500mm，壁厚為65mm，材料為低合金高強度的13MnNiMoR鋼，計算結果如表2所示。

由表2可知：升負荷時汽包的最大循環應力幅值為60.97MPa，降負荷時汽包的最大循環應力幅值為83.96MPa。根據文獻[24]的研究結果，汽包壁上的循環應力幅值低于150MPa時，對其壽命損耗很小。由此可得，本太陽能熱發電站變負荷運行時對汽包造成的影響較小。

由于本太陽能熱發電站變負荷運行時冷/熱鹽罐內的冷/熱鹽溫度基本不變，因此變負荷運行對儲罐產生的熱應力可忽略不計。文獻[24]的研究結果表明，當主蒸汽溫度波動不超過±25℃時，轉子和氣缸上不會產生有害熱應力。

根據本太陽能熱發電站2019年11月9日的數據，其變負荷時主蒸汽最大溫度波動為-3.720℃(升負荷)/4.152℃(降負荷)，均小于±25℃，因此，可以認為在變負荷運行過程中汽輪發電機組側產生的熱應力對其自身壽命的影響很小。

根據文獻[25]，塔式太陽能熱發電站的負荷調節范圍可達20%～100%，負荷調節率可達3%～6%Pe/min。將傳統火電廠與塔式太陽能熱發電電站的變負荷能力進行對比，如表3所示。

由表3可知：變負荷運行時，塔式太陽能熱發電站在安全性、環保性、負荷調節范圍和負荷調節速率等方面均優于傳統火電廠。

選取2019年11月9—10日期間本太陽能熱發電站儲熱調峰時的運行曲線，如圖5所示。

由圖5可知：在夜間時段，本太陽能熱發電站維持在低負荷運行狀態，但在31h用電高峰期時卻能快速升至滿功率運行狀態。

2019年11月9日本太陽能熱發電站儲熱調峰時的升、降負荷變化率如圖6所示。

結合圖5、圖6可知：在10:44～11:07時段內，本太陽能熱發電站的輸出功率從48.82MW降至20.89MW，平均降負荷變化率為2.32%Pe/min，最大降負荷變化率為4.72%Pe/min，隨后維持約20.77MW的低輸出功率運行3.7h。限功率時段(10:30～15:00)結束后，本太陽能熱發電站重新開始升功率，在14:58～15:17時段內從20.77MW升至50.13MW，平均升負荷變化率為2.94%Pe/min，最大升負荷變化率為5.02%Pe/min。

根據本太陽能熱發電站在不同時期的運行結果可以發現，其通過儲熱調峰能夠靈活配合電網調度時的快速變負荷需求。

結合光伏發電、風電及太陽能熱發電的輸出特性可知，本太陽能熱發電站可以在光伏發電、風力發電高峰期時，快速降功率運行；而在光伏發電、風力發電處于谷值時，快速升功率運行，使電網最大限度地消納光伏發電和風電，成為穩定的儲熱調峰電源，承擔調峰電源削峰填谷的作用，與光伏發電和風電等可再生能源電力實現良好的互補。

3

結論

塔式太陽能熱發電站具有零碳排放、調峰靈活、相對調峰幅度大等優點，可以較好地滿足電網對調峰電源的要求。本文以青海省某商業化運行的50MW塔式太陽能熱發電站為研究對象，對其組成部分、運行模式、輸出特性及儲熱調峰能力進行了分析。得到以下結論：

1)該太陽能熱發電站可克服光伏發電、風電的隨機性、波動性缺點，在多云天氣下仍能維持穩定高功率輸出，同時其還能根據用電需求靈活、快速調整輸出功率，并維持低功率持續運行，表現出良好能量調節能力。

2)該太陽能熱發電站可以在光伏發電、風力發電高峰期時，快速降功率運行；而在光伏發電、風力發電處于谷值時，快速升功率運行，使電網最大限度地消納光伏發電和風電。

研究結果可為參與電網調峰的大規模商業化塔式太陽能熱發電站的設計和運行提供理論支撐。

參考文獻

[1]張宏宇，印永華，申洪，等.大規模風電接入后的系統調峰充裕性評估[J].中國電機工程學報，2011，31(22)：26-31.

[2]張虹，孫權，李占軍，等.風氫耦合系統協同控制發電策略研究[J].東北電力大學學報，2018，38(3)：15-23.

[3]葛曉琳，郝廣東，夏澍，等.高比例風電系統的優化調度方法[J].電網技術，2019，43(2)：390-400.

[4]翁振星，石立寶，徐政，等.計及風電成本的電力系統動態經濟調度[J].中國電機工程學報，2014，34(4)：514-523.

[5]崔楊，修志堅，劉闖，等.計及需求響應與火–儲深度調峰定價策略的電力系統雙層優化調度[J].中國電機工程學報，2021，41(13)：4403-4415.

[6]代佳豪，肖剛，祝培旺，等.太陽能布雷頓循環耦合蓄電池平抑光伏輸出波動策略研究[J].動力工程學報，2023，43(6)：717-723.

[7]FORRESTER J.The value of CSP with thermal energystorage in providing grid stability[J].Energy procedia，2014，49：1632-1641.

[8]GIL A，MEDRANO M，MARTORELL I，et al.Stateof the art on high temperature thermal energy storagefor power generation.Part 1：concepts，materials andmodellization[J].Renewable and sustainable energyreviews，2010，14(1)：31-55.

[9]XU T，ZHANG N.Coordinated operation of concentratedsolar power and wind resources for the provision of energyand reserve services[J].IEEE transactions on powersystems，2017，32(2)：1260-1271.

[10]杜雅鑫.含光熱發電的高占比新能源電力系統優化調度研究[D].北京：華北電力大學，2022.

[11]杜爾順，張寧，康重慶，等.太陽能光熱發電并網運行及優化規劃研究綜述與展望[J].中國電機工程學報，2016，36(21)：5765-5775，6019.

[12]孫驍強，楊楠，李慶海，等.基于“雙碳”目標的光熱電站調峰能力規劃研究[J].電網技術，2023，47(1)：73-83.

[13]BOUKELIA T E，MECIBAH M S，KUMAR B N，et al.Investigation of solar parabolic trough power plants withand without integrated TES(thermal energy storage)andFBS(fuel backup system)using thermic oil and solar salt[J].Energy，2015，88：292-303.

[14]崔楊，楊志文，嚴干貴，等.降低火電機組調峰成本的光熱電站儲熱容量配置方法[J].中國電機工程學報，2018，38(6):1605-1611，1896.

[15]張堯翔，劉文穎，李瀟，等.高比例新能源接入電網光熱發電-火電聯合調峰優化控制方法[J].電力自動化設備，2021，41(4)：1-7，32.

[16]贠韞韻，董海鷹，馬志程，等.考慮需求響應與光熱電站參與的多源系統優化經濟調度[J].電力系統保護與控制，2020，48(14)：140-149.

[17]董海鷹，房磊，丁坤，等.基于熱電聯產運行模式的光熱發電調峰策略[J].太陽能學報，2019，40(10):2763-2772.

[18]邢振中.火力發電機組深度調峰技術研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[19]歐陽子區，王宏帥，呂清剛，等.煤粉鍋爐發電機組深度調峰技術進展[J].中國電機工程學報，2023，43(22)：8772-8790.

[20]趙雨蘭.調峰對鍋爐壽命影響分析[D].北京：華北電力大學，2018.

[21]張桂燕.300 MW火電調峰機組運行問題的研究[D].保定：華北電力大學(河北)，2008.

[22]張順.火電機組的功率快速調節和深度調峰技術[D].蘭州：蘭州理工大學，2017.

[23]劉彤.電站鍋爐承壓部件壽命分析及在線監測[D].北京：華北電力大學，2008.

[24]張保衡.大容量火電機組壽命管理與調峰運行[M].北京：水利電力出版社，1988：146-291.

[25]國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟.深度！太陽能光熱儲能獨特的調峰調頻作用[EB/OL].(2021-06-21).http://www.cnste.org/html/fangtan/2021/0621/8029.html.