光熱發電真空管用新型排氣臺的研制

　　摘 要： 為解決傳統太陽能光熱發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，研制了一種光熱發電真空管用新型排氣臺。設備由真空、加熱、自動控制三個系統聯合組成，改變了傳統的烘烤加熱方式，利用太陽能光熱發電真空管的內管作為阻性負載，采用KT晶閘管調壓器作為加熱電源，通過溫度控制儀進行高精度溫度控制，直接對內管加熱。新型排氣臺將光熱發電真空管長度方向上的控溫精度保持在±5℃以內，加熱能耗節約40%以上，不僅達到了高精度控溫和節能的設計目的，而且整個生產工藝過程實現了全自動控制。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是由中國電子信息產業發展研究院和工業和信息化部部長主辦的國家科技學術期刊。該報主要面向工業技術創新領域的相關產業部門、工業企業、科研創新學術交流平臺、技術創新成果宣傳轉化領域以及戰略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進產業技術創新，促進產業轉型升級，為建設創新型國家服務。

　　關鍵詞： 光熱發電真空管;排氣臺;真空;加熱;控溫精度;能耗節約

　　引言

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

　　真空排氣設備是光熱發電真空管關鍵部件，其工藝還處于與普通全玻璃太陽能光熱發電真空管相當的水平。常規工藝為：將太陽能光熱發電真空管置于以燃氣或市電為能源的保溫烘箱內，加熱太陽能光熱發電真空管外部，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電真空管的使用壽命。

　　真空排氣設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避上述常規工藝的缺點。研制一種專門供光熱發電集真空管使用，并克服以上缺點的新型排氣臺，是光熱發電行業發展的必然。文獻[2-7]結合目前國內真空排氣系統的研究現狀，開展了大量的實驗，但是對光熱發電真空排氣自動控制系統缺乏研究。

　　本文為光熱發電真空管專門研制出一種在高溫環境下實現真空排氣的新型排氣臺設備。結合光熱發電真空管的結構特點，首先簡要介紹新型排氣臺的功能及性能指標;接著介紹機架結構和真空、加熱、自動三個系統聯動協同工作原理，詳細論述設備結構及配置;最后歸納設備運行原理，并評估其實際運行情況。

　　1 設備功能及技術指標

　　光熱發電真空管用新型排氣臺的作用是按照特定的工藝流程，對總裝后的光熱發電真空管(兼容2 000 mm及4 060 mm兩種規格)完成高真空高溫烘烤排氣，并實現排氣口自動封離，使真空腔體內盡可能排盡金屬和玻璃表面及近表面吸附的殘余氣體，產生高真空并長期保持，使光熱發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。光熱發電真空管結構如圖1所示。

　　光熱發電真空管對排氣工藝的要求很高，對排氣臺設備的抽速、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指標如表1所示。

　　2 設備結構及配置

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

　　2.1 機架

　　機架采用不銹鋼材質框架結構，表面拋光噴塑處理，整體結構簡潔，剛性好，保證牢固、穩定，與工件接觸部位作隔熱處理。

　　2.2 真空系統

　　真空系統全稱是真空獲得系統，由直聯機械泵、渦輪復合分子泵及夾緊氣囊組成。每個排氣臺設置2套可獨立控制的真空獲得系統，每套系統對應2支太陽能光熱發電真空管。整體結構緊湊，每個單元獨立工作，既可以獲得穩定的抽速，盡量縮短整個排氣工藝時間，又方便設備維護。產品選用國內外知名品牌，性能穩定。排氣臺真空系統具體配置如表2所示。

　　真空測量采用數字式復合真空計和與之對應的電離、電阻規管組成，用于檢測爐內實時真空度。真空計配有2個狀態設定點，用于安全加熱。渦輪復合分子泵安全啟動真空度設定。

　　夾緊氣囊是連接太陽能光熱發電真空管排氣尾管和真空獲得系統的關鍵部件，其結構如圖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)采用軟聯結，避免震動導致排氣尾管斷裂;3)便于工件實現快速裝夾和拆卸。

　　2.3 加熱系統

　　該光熱發電真空管用新型排氣臺的最大特點是改變了傳統的烘烤加熱方式。利用太陽能光熱發電真空管的內管(不銹鋼管)作為阻性負載，采用KT晶閘管調壓器作為加熱電源，通過溫度控制儀進行高精度溫度控制，直接對內管加熱。該加熱方式的最大特點就是節能和溫度控制精度高。內管加熱后，由內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的厚重保溫烘箱，操作輕便，效率高，熱損小，節能。

　　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℃。排氣臺加熱系統具體配置下如表3所示。

　　溫度控制儀表采用PID調節方式，根據由控溫熱電偶讀取的溫度信號的變化，自動調節輸出功率。可以用溫度控制儀來設定溫度控制曲線，最大可進行400步設定，并可以同時設定存儲20條工藝曲線，實現各溫度的同步控制。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，保證溫度均勻性。

　　整個加熱系統由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置加熱速率，使系統按照升溫速率加熱到設定溫度。4支測溫熱電偶可采用溫度巡檢儀的方式進行巡檢。系統真空度(低真空、高真空)通過數字顯示，并將信號采集到PLC中。系統真空與加熱系統互鎖(即當系統真空度不滿足設定值時，停止加熱)。

　　2.4 自動控制系統

　　自動控制系統由晶閘管調壓器、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。自動控制系統可以對設備上的溫度、真空度進行檢測和存儲，并實現各功能單元的自動控制。采用PLC作為系統控制核心，完成系統控制、傳感器信號采集、儀表數據分析處理、故障檢測和報警，進行處理分析后，輸出控制信號到直接執行設備，完成設備動作。控制程序設有手動和自動兩種模式，可在控制柜面板上隨時進行切換，且不中斷設備運行狀態。系統自動記錄并保存工藝參數(主控溫度、高真空度)，保存時間不少于3年。

　　3 設備運行原理

　　如前所述，該光熱發電真空管用新型排氣臺改變了太陽能光熱發電真空管排氣過程中的傳統加熱方式。利用太陽能光熱發電真空管的內管(不銹鋼管)作為阻性負載，采用KT晶閘管調壓器作為加熱電源，直接加熱太陽能光熱發電真空管的內管(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，關閉保溫罩，按中央控制系統上的“運行”按鈕，設備開始按設定工藝工作。設備的具體運行過程：

　　(1)機械泵和分子泵開始通過排氣尾管對光熱發電真空管進行持續抽真空;

　　(2)真空度達到設定值，自動啟動加熱電源對光熱發電真空管進行加熱，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，關閉加熱系統，啟動封離電爐，對排氣尾管進行自動封離;

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

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

　　4 設備實際運行情況

　　該光熱發電真空管用新型排氣臺經過長期的生產考驗和優化，完全達到了預期的設計指標。該設備的設計原理簡單，故障率低，制造成本低，全自動運行，操作簡單，生產效率高，適合光熱發電真空管生產線的批量生產。

　　光熱發電真空管用新型排氣臺的優點是：

　　(1)節能效果明顯，加熱能耗節約40%以上;

　　(2)內管(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，對環境友好。

　　5 結束語

　　光熱發電真空管用新型排氣臺的研發設計、試制和實際驗證表明，該設備工藝簡單，結構設計緊湊合理，效率高，不僅達到了高精度控溫和節能的設計目的，而且整個生產工藝過程實現了全自動控制。該設備滿足了光熱發電真空管的排氣工藝要求，為國內太陽能光熱發電真空管設備領域創造了價值，有很好的推廣意義。

　　參考文獻

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