光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺的研制

　　摘 要： 為解決傳統(tǒng)太陽能光熱發(fā)電真空管排氣工藝能耗巨大、溫度場不均勻、排氣效果差等不足，研制了一種光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺。設(shè)備由真空、加熱、自動控制三個系統(tǒng)聯(lián)合組成，改變了傳統(tǒng)的烘烤加熱方式，利用太陽能光熱發(fā)電真空管的內(nèi)管作為阻性負載，采用KT晶閘管調(diào)壓器作為加熱電源，通過溫度控制儀進行高精度溫度控制，直接對內(nèi)管加熱。新型排氣臺將光熱發(fā)電真空管長度方向上的控溫精度保持在±5℃以內(nèi)，加熱能耗節(jié)約40%以上，不僅達到了高精度控溫和節(jié)能的設(shè)計目的，而且整個生產(chǎn)工藝過程實現(xiàn)了全自動控制。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院和工業(yè)和信息化部部長主辦的國家科技學(xué)術(shù)期刊。該報主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新學(xué)術(shù)交流平臺、技術(shù)創(chuàng)新成果宣傳轉(zhuǎn)化領(lǐng)域以及戰(zhàn)略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，為建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 光熱發(fā)電真空管;排氣臺;真空;加熱;控溫精度;能耗節(jié)約

　　引言

　　隨著國內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電推廣力度的增強，市場對光熱發(fā)電真空管的需求量越來越大，消費者對光熱發(fā)電真空管的光熱性能要求也越來越高。然而，在光熱發(fā)電領(lǐng)域中，我國起步比較晚，基礎(chǔ)研究不足，工藝水平和核心裝備水平有待進一步提升，產(chǎn)業(yè)鏈有待更加成熟。

　　真空排氣設(shè)備是光熱發(fā)電真空管關(guān)鍵部件，其工藝還處于與普通全玻璃太陽能光熱發(fā)電真空管相當?shù)乃健３Ｒ?guī)工藝為：將太陽能光熱發(fā)電真空管置于以燃氣或市電為能源的保溫烘箱內(nèi)，加熱太陽能光熱發(fā)電真空管外部，通過真空機組抽真空，達到真空排氣的目的。該常規(guī)工藝的缺點為能耗巨大、資源浪費嚴重、溫度場不均勻、排氣效果差等，且影響太陽能光熱發(fā)電真空管的使用壽命。

　　真空排氣設(shè)備的研究解決了部分問題。文獻[1]進行了特大型超高真空排氣臺的研制，表明排氣臺能夠有效規(guī)避上述常規(guī)工藝的缺點。研制一種專門供光熱發(fā)電集真空管使用，并克服以上缺點的新型排氣臺，是光熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展的必然。文獻[2-7]結(jié)合目前國內(nèi)真空排氣系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，開展了大量的實驗，但是對光熱發(fā)電真空排氣自動控制系統(tǒng)缺乏研究。

　　本文為光熱發(fā)電真空管專門研制出一種在高溫環(huán)境下實現(xiàn)真空排氣的新型排氣臺設(shè)備。結(jié)合光熱發(fā)電真空管的結(jié)構(gòu)特點，首先簡要介紹新型排氣臺的功能及性能指標;接著介紹機架結(jié)構(gòu)和真空、加熱、自動三個系統(tǒng)聯(lián)動協(xié)同工作原理，詳細論述設(shè)備結(jié)構(gòu)及配置;最后歸納設(shè)備運行原理，并評估其實際運行情況。

　　1 設(shè)備功能及技術(shù)指標

　　光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺的作用是按照特定的工藝流程，對總裝后的光熱發(fā)電真空管(兼容2 000 mm及4 060 mm兩種規(guī)格)完成高真空高溫烘烤排氣，并實現(xiàn)排氣口自動封離，使真空腔體內(nèi)盡可能排盡金屬和玻璃表面及近表面吸附的殘余氣體，產(chǎn)生高真空并長期保持，使光熱發(fā)電真空管達到真空絕熱保溫的效果，降低實際運行過程中的熱損。光熱發(fā)電真空管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　光熱發(fā)電真空管對排氣工藝的要求很高，對排氣臺設(shè)備的抽速、溫度控制的精度及自動化程度等提出了更高的要求。該新型排氣臺主要技術(shù)指標如表1所示。

　　2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及配置

　　光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺主要由機架、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、自動電封離系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成，各部件具體如圖2所示。

　　2.1 機架

　　機架采用不銹鋼材質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，表面拋光噴塑處理，整體結(jié)構(gòu)簡潔，剛性好，保證牢固、穩(wěn)定，與工件接觸部位作隔熱處理。

　　2.2 真空系統(tǒng)

　　真空系統(tǒng)全稱是真空獲得系統(tǒng)，由直聯(lián)機械泵、渦輪復(fù)合分子泵及夾緊氣囊組成。每個排氣臺設(shè)置2套可獨立控制的真空獲得系統(tǒng)，每套系統(tǒng)對應(yīng)2支太陽能光熱發(fā)電真空管。整體結(jié)構(gòu)緊湊，每個單元獨立工作，既可以獲得穩(wěn)定的抽速，盡量縮短整個排氣工藝時間，又方便設(shè)備維護。產(chǎn)品選用國內(nèi)外知名品牌，性能穩(wěn)定。排氣臺真空系統(tǒng)具體配置如表2所示。

　　真空測量采用數(shù)字式復(fù)合真空計和與之對應(yīng)的電離、電阻規(guī)管組成，用于檢測爐內(nèi)實時真空度。真空計配有2個狀態(tài)設(shè)定點，用于安全加熱。渦輪復(fù)合分子泵安全啟動真空度設(shè)定。

　　夾緊氣囊是連接太陽能光熱發(fā)電真空管排氣尾管和真空獲得系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。要求：1)夾緊氣囊與排氣尾管夾持牢固可靠，保證高真空密封;2)采用軟聯(lián)結(jié)，避免震動導(dǎo)致排氣尾管斷裂;3)便于工件實現(xiàn)快速裝夾和拆卸。

　　2.3 加熱系統(tǒng)

　　該光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺的最大特點是改變了傳統(tǒng)的烘烤加熱方式。利用太陽能光熱發(fā)電真空管的內(nèi)管(不銹鋼管)作為阻性負載，采用KT晶閘管調(diào)壓器作為加熱電源，通過溫度控制儀進行高精度溫度控制，直接對內(nèi)管加熱。該加熱方式的最大特點就是節(jié)能和溫度控制精度高。內(nèi)管加熱后，由內(nèi)管與外管之間的真空腔對其保溫，最大程度降低了熱的傳導(dǎo)和對流。另外，工作臺上加裝一個耐熱不銹鋼保溫罩，最大程度降低了內(nèi)管加熱的輻射傳熱，同時在工藝過程中起到對玻璃外管的保護作用。該保溫方式摒除了傳統(tǒng)的厚重保溫烘箱，操作輕便，效率高，熱損小，節(jié)能。

　　排氣臺工作溫度：550℃，最高使用溫度：600℃。在450℃保溫30 min后，沿每個吸熱管軸向長度方向的溫度均勻性為±5℃，周向方向誤差小于5℃。排氣臺加熱系統(tǒng)具體配置下如表3所示。

　　溫度控制儀表采用PID調(diào)節(jié)方式，根據(jù)由控溫熱電偶讀取的溫度信號的變化，自動調(diào)節(jié)輸出功率。可以用溫度控制儀來設(shè)定溫度控制曲線，最大可進行400步設(shè)定，并可以同時設(shè)定存儲20條工藝曲線，實現(xiàn)各溫度的同步控制。儀表精度等級均為0.1級，控溫精度±1℃，帶有自整定功能，自動選擇最合理的控制參數(shù)，保證溫度均勻性。

　　整個加熱系統(tǒng)由4臺溫度控制儀和4支測溫熱電偶組成，其中測溫熱電偶信號需采集到可編程控制器(PLC)中，控溫熱電偶與儀表的操作也由PLC進行。其中控溫部分可任意設(shè)置加熱速率，使系統(tǒng)按照升溫速率加熱到設(shè)定溫度。4支測溫熱電偶可采用溫度巡檢儀的方式進行巡檢。系統(tǒng)真空度(低真空、高真空)通過數(shù)字顯示，并將信號采集到PLC中。系統(tǒng)真空與加熱系統(tǒng)互鎖(即當系統(tǒng)真空度不滿足設(shè)定值時，停止加熱)。

　　2.4 自動控制系統(tǒng)

　　自動控制系統(tǒng)由晶閘管調(diào)壓器、溫度控制儀、記錄儀、真空計、可編程控制器及各種傳感器組成，分為溫度采集模塊、真空度采集模塊和PLC自動控制模塊三大部分。自動控制系統(tǒng)可以對設(shè)備上的溫度、真空度進行檢測和存儲，并實現(xiàn)各功能單元的自動控制。采用PLC作為系統(tǒng)控制核心，完成系統(tǒng)控制、傳感器信號采集、儀表數(shù)據(jù)分析處理、故障檢測和報警，進行處理分析后，輸出控制信號到直接執(zhí)行設(shè)備，完成設(shè)備動作。控制程序設(shè)有手動和自動兩種模式，可在控制柜面板上隨時進行切換，且不中斷設(shè)備運行狀態(tài)。系統(tǒng)自動記錄并保存工藝參數(shù)(主控溫度、高真空度)，保存時間不少于3年。

　　3 設(shè)備運行原理

　　如前所述，該光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺改變了太陽能光熱發(fā)電真空管排氣過程中的傳統(tǒng)加熱方式。利用太陽能光熱發(fā)電真空管的內(nèi)管(不銹鋼管)作為阻性負載，采用KT晶閘管調(diào)壓器作為加熱電源，直接加熱太陽能光熱發(fā)電真空管的內(nèi)管(不銹鋼管)，通過溫度控制儀進行高精度溫度控制，真空機組抽真空，達到真空排氣的目的。

　　人工打開保溫罩，通過機械手將光熱發(fā)電真空管裝在工作臺的支架上，將排氣尾管插入分子泵的夾緊氣囊并鎖死，關(guān)閉保溫罩，按中央控制系統(tǒng)上的“運行”按鈕，設(shè)備開始按設(shè)定工藝工作。設(shè)備的具體運行過程：

　　(1)機械泵和分子泵開始通過排氣尾管對光熱發(fā)電真空管進行持續(xù)抽真空;

　　(2)真空度達到設(shè)定值，自動啟動加熱電源對光熱發(fā)電真空管進行加熱，通過溫度控制儀和溫度傳感器按“升溫—保溫—冷卻”控制加熱工藝;

　　(3)加熱完成，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，啟動封離電爐，對排氣尾管進行自動封離;

　　(4)自動關(guān)閉真空系統(tǒng)，自動打開保溫罩，人工通過機械手取下排氣完成的光熱發(fā)電真空管，裝入新的工件進入下一個工作循環(huán)。

　　在整個工作過程中，計算機隨時檢測、采集各項數(shù)據(jù)并保存。生產(chǎn)線采用條碼管理方式，設(shè)備配置有條形碼掃描器，在進入工位前讀取產(chǎn)品編號信息，通過數(shù)據(jù)傳送通道集中上傳并保存到上位計算機的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中。上位機畫面中動態(tài)顯示各類型產(chǎn)品所處的具體位置及對應(yīng)工步，再從公司ERP系統(tǒng)中讀取條碼所對應(yīng)的管型數(shù)據(jù)(如集熱管長度等)，以此為依據(jù)調(diào)整對應(yīng)的工藝參數(shù)，以指導(dǎo)生產(chǎn)，并通過以太網(wǎng)上傳至公司的電子隨工單系統(tǒng)中。

　　4 設(shè)備實際運行情況

　　該光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺經(jīng)過長期的生產(chǎn)考驗和優(yōu)化，完全達到了預(yù)期的設(shè)計指標。該設(shè)備的設(shè)計原理簡單，故障率低，制造成本低，全自動運行，操作簡單，生產(chǎn)效率高，適合光熱發(fā)電真空管生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)。

　　光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺的優(yōu)點是：

　　(1)節(jié)能效果明顯，加熱能耗節(jié)約40%以上;

　　(2)內(nèi)管(不銹鋼管)壁厚均勻，長度方向的溫度均勻性明顯提高，可達到±5℃;

　　(3)內(nèi)管和外管間真空夾層對散熱起到阻斷作用，對外散熱少，對環(huán)境友好。

　　5 結(jié)束語

　　光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺的研發(fā)設(shè)計、試制和實際驗證表明，該設(shè)備工藝簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊合理，效率高，不僅達到了高精度控溫和節(jié)能的設(shè)計目的，而且整個生產(chǎn)工藝過程實現(xiàn)了全自動控制。該設(shè)備滿足了光熱發(fā)電真空管的排氣工藝要求，為國內(nèi)太陽能光熱發(fā)電真空管設(shè)備領(lǐng)域創(chuàng)造了價值，有很好的推廣意義。

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