本文属于类型a，是一篇关于熔盐储热（TES）系统集成燃煤电厂动态运行性能的原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

研究团队与发表信息

该研究由Congyu Wang（山东大学热科学与技术研究所）、Fangfang Chen（山东大学）、Luyun Wang（山东大学）、Hongmei Cao（华能山东发电有限公司）、Lin Gao（西安热工研究院）、Shuang Tian（西安热工研究院）、Wei Wang（山东大学控制科学与工程学院）及Qie Sun（山东大学先进技术研究院）共同完成，发表于Applied Energy期刊（2025年10月，卷402，文章编号126876）。

学术背景

科学领域与研究动机

研究聚焦于燃煤电厂灵活性改造，属于能源存储与动力工程交叉领域。当前，可再生能源并网对电力系统灵活性需求激增，而燃煤电厂因锅炉热惯性和最低稳态负荷限制（通常为30%额定功率），难以满足电网对负荷范围（20%-100%）和爬坡速率（5%/min）的要求。熔盐储热（Thermal Energy Storage, TES）技术因其高温稳定性（150-1050°C）和成本优势，被视为提升燃煤电厂灵活性的潜在解决方案。

研究目标

1. 填补知识空白：现有研究多关注负荷范围（灵活性幅度），但忽视爬坡速率（灵活性速度）。
   
2. 开发动态模型：建立系统级动态模型，量化熔盐TES对燃煤电厂动态性能的影响。
   
3. 能效与循环效率评估：分析不同负荷范围和爬坡速率下的㶲效率（exergy efficiency）和熔盐TES往返效率（Round-Trip Efficiency, RTE）。
   
4. 验证实际响应能力：评估集成系统对自动发电控制（Automatic Generation Control, AGC）指令的响应性能。
   

研究方法与流程

1. 系统建模与验证

• 研究对象：基于330 MW亚临界燃煤机组，集成熔盐TES单元（采用Hitec盐，成分为53% KNO₃ + 40% NaNO₂ + 7% NaNO₃）。
  
• 模型开发：
  
  • 动态模型：在MATLAB Simulink中构建，包含燃煤电厂核心组件（锅炉、汽轮机、冷凝器等）和熔盐TES单元（冷/热盐罐、换热器、泵）。
    
  • 熔盐TES子模型：基于质量-能量-动量守恒方程，考虑蒸汽-熔盐换热（充电过程）和熔盐-水换热（放电过程）。
    
  • 控制逻辑：采用锅炉-汽轮机协调控制系统与熔盐TES控制系统的双层架构，通过PID控制器实现功率偏差补偿。
    
• 验证方法：
  
  • 电厂模型：对比实际330 MW机组运行数据，验证功率、主蒸汽压力等参数的准确性（平均绝对百分比误差MAPE %）。
    
  • 熔盐TES模型：参照实验数据验证换热流体温度动态特性（均方根误差RMSE °C）。
    

2. 动态仿真设计

• 负荷变化过程：模拟负荷下降（100%→30%）和负荷上升（30%→100%），目标爬坡速率覆盖2%/min至5%/min。
  
• 关键参数监测：包括热交换速率、熔盐质量迁移量、㶲效率、RTE等。
  

3. AGC响应测试

• 指令来源：基于中国山东电力市场的1小时AGC指令，包含负荷下降、往复和上升三个阶段。
  
• 评价指标：综合性能指标（Kp）、爬坡速率（K1）、调节精度（K2）和响应速度（K3）。
  

主要结果

1. 负荷下降过程（100%→30%）

• 爬坡速率：集成系统可达-5%/min，远超独立电厂的-1.8%/min。
  
• 热交换动态：峰值热交换功率随爬坡速率提高（-2%/min时为56.2 MW，-5%/min时为339.2 MW），但受锅炉热惯性限制，后期热交换功率归零。
  
• 㶲效率：初始低于独立电厂（因熔盐充电额外损失），但在负荷率<45%时反超（验证MAPE %），表明低负荷下TES可减少㶲损失。
  

2. 负荷上升过程（30%→100%）

• 爬坡限制：受低压缸蒸汽流量上限约束，爬坡速率无法持续保持>1.8%/min。
  
• 熔盐利用量：爬坡速率>4%/min时，熔盐用量低于反向负荷下降过程。
  
• 㶲效率反转：初始高于独立电厂，但负荷率>45%后逐渐落后。
  

3. 熔盐TES往返效率（RTE）

• 变化范围：49.4%-62.3%，取决于负荷范围和爬坡速率。
  
• 影响因素：
  
  • 负荷范围：低负荷区间（如30%-40%）RTE更高（62.3%），因蒸汽参数动态偏离稳态值的影响更显著。
    
  • 爬坡速率：高爬坡速率导致更高泵功损失，RTE降低（如90%-100%区间5%/min时为49.4%）。
    

4. AGC响应性能

• 综合性能提升：Kp在负荷下降、上升和往复阶段分别从1.62、1.78、0.51提升至4.56、3.42、3.07。
  
• 关键指标优化：
  
  • 平均爬坡速率：从1.69%/min（独立电厂）提升至5.35%/min（集成系统）。
    
  • 响应时间：从35.4秒缩短至19.8秒（负荷下降阶段）。
    

结论与价值

科学价值

1. 首次量化动态性能：揭示了熔盐TES集成系统在不同爬坡速率下的㶲效率和RTE变化规律，填补了灵活性速度研究的空白。
   
2. 动态模型贡献：开发的系统级动态模型为复杂热力系统仿真提供了方法论参考。
   

应用价值

1. 灵活性提升：为燃煤电厂满足高比例可再生能源电网的调频需求提供了技术路径。
   
2. 设计指导：揭示了熔盐TES单元容量、换热器设计参数与爬坡速率的关联性，支撑工程优化。
   

研究亮点

1. 动态性能创新：首次量化了熔盐TES对燃煤电厂爬坡速率的提升效果（可达5%/min）。
   
2. 能效悖论破解：发现低负荷下TES集成系统的㶲效率优势，为灵活性与能效协同优化提供依据。
   
3. 工程验证：通过AGC指令响应测试，证实了集成系统的实际应用潜力。
   

其他有价值内容

• 非理想场景分析：探讨了负荷率<30%的超低负荷运行可行性，指出长期运行需大规模熔盐储备。
  
• 阶跃响应测试：±10%负荷指令下，集成系统时间常数从500秒降至80秒，但存在因熔盐热惯性导致的超调现象。
  

（注：模型可通过申请获取，详见原文附录。）