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(fā)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(jié)約40%以上，不僅達到了高精度控溫和節(jié)能的設計目的，而且整個生產工藝過程實現了全自動控制。

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

中圖分類號：TB753+.2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-023-05

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.005

引言

隨著國內外太陽能光熱發(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(yè)鏈有待更加成熟。

真空排氣設備是光熱發(fā)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(fā)電真空管相當的水平。常規(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，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]結合目前國內真空排氣系統(tǒng)的研究現狀，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)境下實現真空排氣的新型排氣臺設備。結合光熱發(fā)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(tǒng)聯(lián)動協(xié)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(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(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)電真空管結構如圖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(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(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(tǒng)，每套系統(tǒng)對應2支太陽能光熱發(fā)電真空管。整體結構緊湊，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，又方便設備維護。產品選用國內外知名品牌，性能穩(wěn)定。排氣臺真空系統(tǒng)具體配置如表2所示。

真空測量采用數字式復合真空計和與之對應的電離、電阻規(guī)管組成，用于檢測爐內實時真空度。真空計配有2個狀態(tài)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(fā)電真空管排氣尾管和真空獲得系統(tǒng)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(lián)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(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(jié)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(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調節(jié)方式，根據由控溫熱電偶讀取的溫度信號的變化，自動調節(jié)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(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置加熱速率，使系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)真空與加熱系統(tǒng)互鎖（即當系統(tǒng)真空度不滿足設定值時，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(tǒng)控制核心，完成系統(tǒng)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(zhí)行設備，完成設備動作?？刂瞥绦蛟O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(tài)。系統(tǒng)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(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(fā)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(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，關閉保溫罩，按中央控制系統(tǒng)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(fā)電真空管進行持續(xù)抽真空;

（2）真空度達到設定值，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(tài)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(tǒng)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(tǒng)中。

4? 設備實際運行情況

該光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺經過長期的生產考驗和優(yōu)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(fā)電真空管生產線的批量生產。

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(huán)境友好。

5? 結束語

光熱發(fā)電真空管用新型排氣臺的研發(fā)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(jié)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(fā)電真空管的排氣工藝要求，為國內太陽能光熱發(fā)電真空管設備領域創(chuàng)造了價值，有很好的推廣意義。

參考文獻

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作者簡介：

康延濱（1972—），通信作者，男，漢族，山東德州人，工程碩士，高級工程師。研究方向：太陽能熱利用。

E-mail： kyb19740715@163.com

（收稿日期：2020-07-22）