光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺(tái)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(chǎng)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(tái)。設(shè)備由真空、加熱、自動(dòng)控制三個(gè)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(fù)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(jìn)行高精度溫度控制，直接對(duì)內(nèi)管加熱。新型排氣臺(tái)將光熱發(fā)電真空管長(zhǎng)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(dá)到了高精度控溫和節(jié)能的設(shè)計(jì)目的，而且整個(gè)生產(chǎn)工藝過程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)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(guó)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(zhǎng)主辦的國(guó)家科技學(xué)術(shù)期刊。該報(bào)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(tái)、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(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家服務(wù)。

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

　　引言

　　隨著國(guó)內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電推廣力度的增強(qiáng)，市場(chǎng)對(duì)光熱發(fā)電真空管的需求量越來越大，消費(fèi)者對(duì)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(guó)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(jìn)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(dāng)?shù)乃健３Ｒ?guī)工藝為：將太陽能光熱發(fā)電真空管置于以燃?xì)饣蚴须姙槟茉吹谋睾嫦鋬?nèi)，加熱太陽能光熱發(fā)電真空管外部，通過真空機(jī)組抽真空，達(dá)到真空排氣的目的。該常規(guī)工藝的缺點(diǎn)為能耗巨大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、溫度場(chǎng)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(xiàn)[1]進(jìn)行了特大型超高真空排氣臺(tái)的研制，表明排氣臺(tái)能夠有效規(guī)避上述常規(guī)工藝的缺點(diǎn)。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(diǎn)的新型排氣臺(tái)，是光熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展的必然。文獻(xiàn)[2-7]結(jié)合目前國(guó)內(nèi)真空排氣系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，開展了大量的實(shí)驗(yàn)，但是對(duì)光熱發(fā)電真空排氣自動(dòng)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(shí)現(xiàn)真空排氣的新型排氣臺(tái)設(shè)備。結(jié)合光熱發(fā)電真空管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先簡(jiǎn)要介紹新型排氣臺(tái)的功能及性能指標(biāo);接著介紹機(jī)架結(jié)構(gòu)和真空、加熱、自動(dòng)三個(gè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)協(xié)同工作原理，詳細(xì)論述設(shè)備結(jié)構(gòu)及配置;最后歸納設(shè)備運(yùn)行原理，并評(píng)估其實(shí)際運(yùn)行情況。

　　1 設(shè)備功能及技術(shù)指標(biāo)

　　光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺(tái)的作用是按照特定的工藝流程，對(duì)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(shí)現(xiàn)排氣口自動(dòng)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(zhǎng)期保持，使光熱發(fā)電真空管達(dá)到真空絕熱保溫的效果，降低實(shí)際運(yùn)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(duì)排氣工藝的要求很高，對(duì)排氣臺(tái)設(shè)備的抽速、溫度控制的精度及自動(dòng)化程度等提出了更高的要求。該新型排氣臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)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(tái)主要由機(jī)架、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、自動(dòng)電封離系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，各部件具體如圖2所示。

　　2.1 機(jī)架

　　機(jī)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(jiǎn)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(jī)械泵、渦輪復(fù)合分子泵及夾緊氣囊組成。每個(gè)排氣臺(tái)設(shè)置2套可獨(dú)立控制的真空獲得系統(tǒng)，每套系統(tǒng)對(duì)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(gè)單元獨(dú)立工作，既可以獲得穩(wěn)定的抽速，盡量縮短整個(gè)排氣工藝時(shí)間，又方便設(shè)備維護(hù)。產(chǎn)品選用國(guó)內(nèi)外知名品牌，性能穩(wěn)定。排氣臺(tái)真空系統(tǒng)具體配置如表2所示。

　　真空測(cè)量采用數(shù)字式復(fù)合真空計(jì)和與之對(duì)應(yīng)的電離、電阻規(guī)管組成，用于檢測(cè)爐內(nèi)實(shí)時(shí)真空度。真空計(jì)配有2個(gè)狀態(tài)設(shè)定點(diǎn)，用于安全加熱。渦輪復(fù)合分子泵安全啟動(dòng)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(dòng)導(dǎo)致排氣尾管斷裂;3)便于工件實(shí)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(tái)的最大特點(diǎn)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(fù)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(jìn)行高精度溫度控制，直接對(duì)內(nèi)管加熱。該加熱方式的最大特點(diǎn)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(duì)其保溫，最大程度降低了熱的傳導(dǎo)和對(duì)流。另外，工作臺(tái)上加裝一個(gè)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(shí)在工藝過程中起到對(duì)玻璃外管的保護(hù)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(tái)工作溫度：550℃，最高使用溫度：600℃。在450℃保溫30 min后，沿每個(gè)吸熱管軸向長(zhǎng)度方向的溫度均勻性為±5℃，周向方向誤差小于5℃。排氣臺(tái)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?zé)犭娕甲x取的溫度信號(hào)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率?？梢杂脺囟瓤刂苾x來設(shè)定溫度控制曲線，最大可進(jìn)行400步設(shè)定，并可以同時(shí)設(shè)定存儲(chǔ)20條工藝曲線，實(shí)現(xiàn)各溫度的同步控制。儀表精度等級(jí)均為0.1級(jí)，控溫精度±1℃，帶有自整定功能，自動(dòng)選擇最合理的控制參數(shù)，保證溫度均勻性。

　　整個(gè)加熱系統(tǒng)由4臺(tái)溫度控制儀和4支測(cè)溫?zé)犭娕冀M成，其中測(cè)溫?zé)犭娕夹盘?hào)需采集到可編程控制器(PLC)中，控溫?zé)犭娕寂c儀表的操作也由PLC進(jìn)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(cè)溫?zé)犭娕伎刹捎脺囟妊矙z儀的方式進(jìn)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(hào)采集到PLC中。系統(tǒng)真空與加熱系統(tǒng)互鎖(即當(dāng)系統(tǒng)真空度不滿足設(shè)定值時(shí)，停止加熱)。

　　2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)由晶閘管調(diào)壓器、溫度控制儀、記錄儀、真空計(jì)、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(dòng)控制模塊三大部分。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備上的溫度、真空度進(jìn)行檢測(cè)和存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)各功能單元的自動(dòng)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(hào)采集、儀表數(shù)據(jù)分析處理、故障檢測(cè)和報(bào)警，進(jìn)行處理分析后，輸出控制信號(hào)到直接執(zhí)行設(shè)備，完成設(shè)備動(dòng)作?？刂瞥绦蛟O(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，可在控制柜面板上隨時(shí)進(jìn)行切換，且不中斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄并保存工藝參數(shù)(主控溫度、高真空度)，保存時(shí)間不少于3年。

　　3 設(shè)備運(yùn)行原理

　　如前所述，該光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺(tái)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(fù)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(jìn)行高精度溫度控制，真空機(jī)組抽真空，達(dá)到真空排氣的目的。

　　人工打開保溫罩，通過機(jī)械手將光熱發(fā)電真空管裝在工作臺(tái)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(yùn)行”按鈕，設(shè)備開始按設(shè)定工藝工作。設(shè)備的具體運(yùn)行過程：

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

　　(2)真空度達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)啟動(dòng)加熱電源對(duì)光熱發(fā)電真空管進(jìn)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(dòng)封離電爐，對(duì)排氣尾管進(jìn)行自動(dòng)封離;

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

　　在整個(gè)工作過程中，計(jì)算機(jī)隨時(shí)檢測(cè)、采集各項(xiàng)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(jìn)入工位前讀取產(chǎn)品編號(hào)信息，通過數(shù)據(jù)傳送通道集中上傳并保存到上位計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)中。上位機(jī)畫面中動(dòng)態(tài)顯示各類型產(chǎn)品所處的具體位置及對(duì)應(yīng)工步，再?gòu)墓綞RP系統(tǒng)中讀取條碼所對(duì)應(yīng)的管型數(shù)據(jù)(如集熱管長(zhǎng)度等)，以此為依據(jù)調(diào)整對(duì)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(shí)際運(yùn)行情況

　　該光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺(tái)經(jīng)過長(zhǎng)期的生產(chǎn)考驗(yàn)和優(yōu)化，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。該設(shè)備的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，故障率低，制造成本低，全自動(dòng)運(yùn)行，操作簡(jiǎn)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(tái)的優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)度方向的溫度均勻性明顯提高，可達(dá)到±5℃;

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

　　5 結(jié)束語

　　光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺(tái)的研發(fā)設(shè)計(jì)、試制和實(shí)際驗(yàn)證表明，該設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊合理，效率高，不僅達(dá)到了高精度控溫和節(jié)能的設(shè)計(jì)目的，而且整個(gè)生產(chǎn)工藝過程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)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(guó)內(nèi)太陽能光熱發(fā)電真空管設(shè)備領(lǐng)域創(chuàng)造了價(jià)值，有很好的推廣意義。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 邊悅， 劉春艷. 特大型超高真空排氣臺(tái)的研制[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2019， 39(12)： 1079-1082.

　　[2] 滕飛， 鐘福春， 崔賢基， 等. 槽式光熱發(fā)電與光伏發(fā)電對(duì)比分析[J]. 科技尚品， 2017(1)： 209.

　　[3] 李東玲. 真空微電子加速度傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)， 2016.

　　[4] 郭寧勃. 太陽能熱發(fā)電真空傳輸管的熱性能測(cè)試與研究[D]. 北京： 華北電力大學(xué)， 2016.

　　[5] 高子涵， 喬婧， 黃裕榮. 淺析我國(guó)太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 情報(bào)工程， 2015， 1(2)： 49-56.

　　[6] 李昊軍. 真空系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2015.

　　[7] 殷志強(qiáng). 全玻璃真空太陽集熱管[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 1998： 59-61.