光纖拉絲能源綜合利用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

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隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛿?shù)據(jù)量有了更高的要求。光纖作為光信號(hào)傳播的主要通道，由于自身傳輸量大、不容易失真等特性而被廣泛使用。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2013年以來(lái)，我國(guó)光纖光纜行業(yè)銷售收入增長(zhǎng)率呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，2011～2016年，我國(guó)光纖光纜行業(yè)銷售收入從643.1億元上升至1 692億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)21.35%，2016年，全球光纖需求量達(dá)4.25億芯千米，我國(guó)占57%市場(chǎng)份額。在耗能方面，生產(chǎn)1 km光纖將消耗大約2.5 kWh電能。

1 光纖生產(chǎn)能耗狀況

光纖生產(chǎn)中主要能耗源于以下方面：①原材料預(yù)制棒熔化；②紫外線固化系統(tǒng)；③恒溫車(chē)間空調(diào)系統(tǒng)。圖1所示為光纖生產(chǎn)系統(tǒng)能耗。

1.1 原材料預(yù)制棒熔化

作為光纖成形的主要設(shè)備，加熱爐將光纖的高純度二氧化硅母材預(yù)制棒加熱到2 100℃左右，形成熔融態(tài)，在拉絲張力和精密控制的光纖直徑測(cè)量?jī)x的雙重作用下，形成一定直徑范圍內(nèi)的裸光纖，設(shè)備功率在110 kW左右。

▲圖1 光纖生產(chǎn)系統(tǒng)能耗

1.2 紫外線固化系統(tǒng)

成品光纖由芯層、包層和涂覆層三部分組成，裸光纖由芯層和包層組成，如圖2所示。以G652光纖為例，芯層直徑為80 μm，包層直徑為125 μm，涂覆后直徑為245 μm。涂覆層主要采用對(duì)紫外線敏感的樹(shù)脂，通過(guò)涂覆模具將樹(shù)脂涂覆在光纖包層外上，然后通過(guò)紫外線燈實(shí)現(xiàn)固化[1]。隨著光纖拉絲速度的提高，紫外線燈的數(shù)量也在不斷增加[2]。以1 800 m/min拉絲速度為例，需要使用六盞紫外線燈，以每盞功率20 kW計(jì)算，總功率為120 kW。

▲圖2 裸光纖組成

1.3 恒溫車(chē)間空調(diào)系統(tǒng)

光纖生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境要求比較高，尤其是溫度和濕度，見(jiàn)表1。因此，每個(gè)光纖廠都要配套一組甚至多組冷、熱鍋爐和加濕系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)車(chē)間溫度和濕度的控制。筆者所在企業(yè)年產(chǎn)光纖4 000萬(wàn)芯千米，車(chē)間空間大約為80 000 m3。根據(jù)計(jì)算，在江蘇范圍內(nèi)要維持上述面積光纖生產(chǎn)環(huán)境要求，空調(diào)系統(tǒng)總功率為200 kW。

表1 光纖生產(chǎn)環(huán)境要求

2 能源相互利用

光纖拉絲系統(tǒng)主要能源由供氣系統(tǒng)、光纖生產(chǎn)系統(tǒng)、車(chē)間溫度控制系統(tǒng)等組成。光纖生產(chǎn)系統(tǒng)消耗的電能一部分被抽風(fēng)系統(tǒng)帶至室外，其余都以熱量的形式散發(fā)在車(chē)間內(nèi)，所以需要具有吸收熱量功能的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備就是氣體供應(yīng)系統(tǒng)。能源相互利用示意圖如圖3所示。

▲圖3 能源相互利用示意圖

供應(yīng)企業(yè)的氣體以液態(tài)形式存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，在使用時(shí)進(jìn)行氣化。氣化時(shí)需要吸收大量熱量，大量熱量通過(guò)散熱片吸收。氣體降壓后供應(yīng)到生產(chǎn)系統(tǒng)中使用。圖4所示為光纖生產(chǎn)車(chē)間氣體供應(yīng)系統(tǒng)。

▲圖4 光纖生產(chǎn)車(chē)間氣體供應(yīng)系統(tǒng)

3 散熱量和吸熱量計(jì)算

3.1 氣體轉(zhuǎn)換中釋放的能量

氣體膨脹過(guò)程中，如果不考慮氣體流動(dòng)和摩擦損失，那么體積與壓力的變化規(guī)律為[3]：

式中：P1、P2為氣體兩種不同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的壓力；V1、V2為氣體兩種不同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的體積；K為絕熱指數(shù)，也稱熱容比，是一定溫度下氣體恒壓熱容與恒容熱容的比值。

氣態(tài)所吸收的熱量W為：

式中：n為物質(zhì)質(zhì)量；T為熱力學(xué)溫度；R為普適氣體常數(shù)，取 8.3 J/（mol·K）。

對(duì)于筆者研究的氣體，K取1.40。

對(duì)于年產(chǎn)光纖4 000萬(wàn)芯千米而言，1 km光纖消耗氬氣0.2 m3，氣體由液態(tài)轉(zhuǎn)換為常壓需要吸收熱量，若 n=1.428×109g，P2=13.5 MPa，P1=0.1 MPa， 由式（1）、式 （2）可以得出，每年生產(chǎn)過(guò)程中氣體所做的功為2.07×108kWh。

3.2 光纖生產(chǎn)過(guò)程中釋放的熱量

由光纖生產(chǎn)過(guò)程得知，原材料以常溫運(yùn)進(jìn)，通過(guò)光纖生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)出常溫光纖運(yùn)出，并沒(méi)有產(chǎn)生溫度降。因此，作為光纖生產(chǎn)的主要耗能設(shè)備，如拉絲爐、紫外線燈、收線機(jī)等，設(shè)備消耗的電能最終都轉(zhuǎn)換成了熱量散發(fā)至生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，這些熱量都是要通過(guò)冷凍系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)而消耗的能量。根據(jù)上述光纖生產(chǎn)中的耗能量，對(duì)于一家年產(chǎn)光纖L為4 000萬(wàn)芯千米的光纖制造廠，一年的電能消耗WT為[4]：

式中：W1為1 km光纖的電能消耗。

W1以1.5 kWh計(jì)，根據(jù)計(jì)算，一家年產(chǎn)4 000萬(wàn)芯千米的光纖制造廠，1年的電能消耗為：

4 能源綜合利用的必要性

由表2可知，如果年產(chǎn)4 000萬(wàn)芯千米的熱能回收率達(dá)到10%，那么可以節(jié)能6×106kWh?；厥章试礁?，節(jié)能效果越明顯。

由表3可以看出，如果年產(chǎn)4 000萬(wàn)芯千米光纖時(shí)氣體吸熱回收率為10%，那么可以節(jié)能2.07×107kWh?；厥章试礁撸?jié)能效果越明顯。

5 光纖拉絲能源綜合利用系統(tǒng)方案

▲圖5 光纖拉絲廠能源綜合利用系統(tǒng)

6 微機(jī)控制系統(tǒng)

建立光纖拉絲能源綜合利用系統(tǒng)后，筆者通過(guò)傳感器將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾韱T操作平臺(tái)[5]，通過(guò)事先設(shè)置好的比例積分微分程序?qū)崿F(xiàn)最高效的能源交換，如圖6所示。管理員操作平臺(tái)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，設(shè)置的參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過(guò)比

表2 年產(chǎn)4 000萬(wàn)芯千米光纖熱能回收率與節(jié)能

表3 年產(chǎn)4 000萬(wàn)芯千米氣體吸熱回收率與效益

由表2和表3可見(jiàn)，對(duì)于一家年產(chǎn)4 000萬(wàn)芯千米的光纖制造廠而言，如果能實(shí)現(xiàn)在氣體降壓過(guò)程中吸收的熱量與光纖生產(chǎn)過(guò)程中散發(fā)的熱量中和，哪怕是中和10%的回收率，那么效益也是非?？捎^的。筆者為此開(kāi)發(fā)了光纖拉絲能源綜合利用系統(tǒng)，系統(tǒng)工作原理為：液態(tài)氣體罐中的液態(tài)氣體通過(guò)由浸泡在媒介內(nèi)的散熱片冷卻后的媒介，與通過(guò)由浸泡在媒介內(nèi)的熱量回收裝置加熱后的媒介，在熱交換器的作用下混合，達(dá)到能量交換的目的。整個(gè)過(guò)程由設(shè)在車(chē)間內(nèi)的溫濕度傳感器及熱交換器通過(guò)執(zhí)行器在微機(jī)比例積分微分程序控制下執(zhí)行。光纖拉絲能源綜合利用系統(tǒng)如圖5所示。例積分微分程序控制器將調(diào)節(jié)命令傳給執(zhí)行器。執(zhí)行器調(diào)節(jié)冷、熱媒介在熱交換器中的量，如此反復(fù)不斷調(diào)節(jié)，就可以達(dá)到調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度和濕度的目的。

▲圖6 微機(jī)控制系統(tǒng)

7 總結(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)光纖的需求量不斷提升，同時(shí)國(guó)家對(duì)節(jié)能要求也逐步提高[6]，資源的統(tǒng)籌利用已經(jīng)開(kāi)始變得急迫。筆者設(shè)計(jì)的光纖拉絲能源綜合利用系統(tǒng)將氣體減壓的吸熱特性與光纖生產(chǎn)過(guò)程中大量的放熱過(guò)程結(jié)合起來(lái)，形成能源的相互利用。雖然只是利用了光纖生產(chǎn)中的一部分能源，但是從節(jié)能角度而言，已經(jīng)是一個(gè)較大的進(jìn)步。