槽式發(fā)電真空集熱管加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

朱富良，侯邑平，劉東旭，吳睿婧，蔡丹寧

（1.北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120；2.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著大家對環(huán)境保護的重視，清潔能源的利用開發(fā)越來越得到重視，比如太陽能、風(fēng)能等。太陽能的利用，主要分為光熱和光電兩種的形式。在光熱發(fā)電系統(tǒng)中，槽式發(fā)電是一種主要的發(fā)電模式。集熱管是槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵部件，能將反射鏡聚集的太陽直接輻射能轉(zhuǎn)化成熱能，轉(zhuǎn)化能量，用于發(fā)電。作為發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，質(zhì)量的好壞，直接影響光熱的利用率和能量的轉(zhuǎn)化率，最終影響發(fā)電的效率。提高集熱管的質(zhì)量，需要控制好加工的各個環(huán)節(jié)，排氣是整個工藝加工中的關(guān)鍵工序；在集熱管的排氣過程中，能否保證集熱管的有效加熱，直接影響集熱管放氣程度，從而影響排氣的效果。高效、平穩(wěn)、均勻的加熱，有助于集熱管的完全排氣，提高集熱管的產(chǎn)品品質(zhì)。所以，加熱成為排氣過程中的關(guān)鍵工藝步驟。加熱系統(tǒng)主要由烘箱、加熱元件、控制系統(tǒng)等組成，本加熱系統(tǒng)從烘箱布局、加熱元件的選取、控制系統(tǒng)的優(yōu)化等多方面入手，整體優(yōu)化設(shè)計，提升集熱管的整體加熱效果，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1 烘箱設(shè)計

槽式發(fā)電集熱管與普通全玻璃真空集熱管的結(jié)構(gòu)完全不同，內(nèi)層為不銹鋼管，外層玻璃管，兩端有金屬波紋管；而且體積大、質(zhì)量重，外管直徑125mm，長4022mm，質(zhì)量約為30kg～35kg（如圖1所示）。要保證排氣的效果，加熱過程中需要保持溫度的均勻性和溫度的保持性（保溫），而且加熱的溫度需要成梯度分布，實現(xiàn)集熱管不同部位的不同加熱需求。根據(jù)集熱管的特殊尺寸和結(jié)構(gòu)特點，以及加熱的需求，烘箱及加熱元件需優(yōu)化設(shè)計。

圖1 集熱管

1）烘箱布局

考慮集熱管的結(jié)構(gòu)、組成、體積、重量等因素；使用臥式烘箱加熱，而不使用立式烘箱。

（1）集熱管的高度有4米多，烘箱加上相關(guān)輔助設(shè)備，高度會超限，給廠房建設(shè)帶來不便，而且集熱管立式放置，不便運輸。使用臥式烘箱，不僅烘箱的高度降低了，而且臥式放置集熱管，便于集熱管的搬運和人員的操作。

（2）排氣尾管位于集熱管尾部的側(cè)面，臥式放置，便于尾管與排氣設(shè)備的連接，也便于集熱管的封離操作。

（3）集熱管兩端有金屬波紋管，立式放置，集熱管固定困難，波紋管也承受不了集熱管的重量，容易變形、損壞；臥式放置，在外管做支撐，操作方便，也不會損壞集熱管兩端的波紋管。

（4）臥式烘箱的橫向加熱空間相比立式的縱向加熱空間，有利于加熱元件的布置，減少上下溫差，保持溫度均勻性。

所以，使用臥式烘箱加熱，將集熱管水平放置于烘箱；這樣即控制了烘箱的高度，為集熱管的搬運、封離等操作提供了便利。

根據(jù)集熱管的結(jié)構(gòu)：管頂、主體、管底（排氣尾管）的分布；以及集熱管各部位的不同加熱要求，將烘箱在水平方向分為3個區(qū)：加熱一區(qū)（管頂位置）、加熱二區(qū)（主體位置）、加熱三區(qū)（排氣尾管位置）。如圖2所示。

圖2 烘箱俯視圖

2）加熱元件

集熱管的主體就是玻璃管和金屬吸熱片；而集熱管的兩端有金屬波紋管，金屬和玻璃熔封壓接的連接點也在兩端，排氣尾管又位于其中一端。這樣的結(jié)構(gòu)，以及玻璃和金屬的不同加熱特性，要求不同部位有不同的加熱溫度，且保持溫度的均勻性。

集熱管的主體在加熱二區(qū)，是主要加熱區(qū)。為了保證這個區(qū)域的加熱效果，選用爐絲電加熱結(jié)合碳化硅板散熱的方式進行加熱。鎳鉻電熱爐絲具有強度高，高溫使用不易變形，塑性較好，易修復(fù)，輻射率高，無磁性，耐腐蝕性強，使用壽命長等優(yōu)點。碳化硅主要用于鋼鐵、冶金行業(yè)，具有耐高熱、強度大、導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕等優(yōu)點；具有良好的導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性。鎳鉻電熱爐絲作為加熱的元件，碳化硅板作為熱交換器；充分利用兩者的優(yōu)點，實現(xiàn)高效、快速、均衡的加熱。即減少能耗、節(jié)約能源，又提高了生產(chǎn)效率、保證烘箱主體溫度的均勻性、穩(wěn)定性。

加熱一區(qū)和加熱三區(qū)，加熱集熱管的兩端。集熱管兩端的結(jié)構(gòu)特殊，有金屬波紋管集和壓接熔封點，加熱三區(qū)有排氣尾管需要延伸到烘箱外，要求兩端的加熱溫度不宜過高；故在烘箱兩端均勻布置加熱棒，依據(jù)加熱棒的數(shù)量、功率的不同均勻布置，達到加熱需求。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 加熱系統(tǒng)組成

加熱系統(tǒng)采用基于PLC的分區(qū)多點溫控方式的控制。整個加熱系統(tǒng)分為兩部分：第一部分實現(xiàn)烘箱溫度的采集、加熱控制等功能；第二部分實現(xiàn)手/自動操作、監(jiān)控、記錄、自動控制等功能。

第一部分的加熱回路組成如下：

1）溫控表：實現(xiàn)溫度的采集、設(shè)定、顯示、加熱控制的功能。

2）三相電力調(diào)整器（SSR）：加熱執(zhí)行單元，連接加熱元件（電爐絲、加熱棒），控制元件的加熱。

3）熱電偶：溫度傳感器，用于溫度采集。

這就組成了一個標準的加熱控制回路，溫控表作為控制的中樞，控制執(zhí)行元件SSR。溫控表通過熱電偶采集現(xiàn)場溫度，根據(jù)采集到的現(xiàn)場溫度與自身設(shè)定溫度比較，控制SSR的工作狀態(tài)；使用PWM方式控制SSR，完成電爐絲、加熱棒加熱控制，從而實現(xiàn)對整個烘箱的加熱。溫控表自身有加熱調(diào)節(jié)控制功能，啟用溫控表的PID控制功能，實現(xiàn)閉環(huán)控制，達到精準控溫的目的如圖3所示。

第二部分的監(jiān)視、控制系統(tǒng)組成如下：

1）電腦：遠程監(jiān)控，數(shù)據(jù)顯示、記錄。

2）觸摸屏：現(xiàn)場操作、數(shù)據(jù)設(shè)定、顯示等。

3）PLC：控制中樞，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理、加熱優(yōu)化控制、自動控制等功能。

PLC是整套控制系統(tǒng)的控制中樞，排氣、加熱的控制都有它完成。PLC使用Modbus RTU協(xié)議，與溫控表建立通訊，實現(xiàn)對溫控表參數(shù)的讀、寫功能；PLC通過通訊的方式控制溫控表，為第一部分加熱系統(tǒng)的自身體調(diào)節(jié)控制增加了一層保障，提高了整體加熱的自動化程度和控制的可靠性。同時，PLC、觸摸屏、遠程電腦以以太網(wǎng)方式組成控制網(wǎng)絡(luò)；通過觸摸屏完成現(xiàn)場的各種操作，顯示重要數(shù)據(jù)并作簡單記錄，實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、修改等功能；通過電腦監(jiān)控軟件，實現(xiàn)遠程控制的功能，顯示、記錄設(shè)備的狀態(tài)及工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)查詢和工藝分析（如圖3所示）。

圖3 加熱系統(tǒng)控制框架簡圖

2.2 控制流程分析

1）分區(qū)控制：為了滿足不同加熱區(qū)的加熱需求，三個加熱區(qū)分別單獨控制，每個加熱區(qū)有一塊溫控表單獨控制，溫控表采集本區(qū)域內(nèi)的溫度信息，啟用自身的PID調(diào)節(jié)功能控制本區(qū)域加熱（如圖3所示）。

2）PLC集中控制：PLC、溫控表直接通過RS485的通訊方式串聯(lián)（如圖3所示）。使用標準的Modbus協(xié)議，PLC可以讀/寫溫控表的各種參數(shù)，完全實現(xiàn)溫控表的遠程控制、從而達到自動控制的目的。使用的相關(guān)參數(shù)如下：設(shè)定溫度SV、實際溫度（測量值）PV、PID參數(shù)（比例帶PB1、積分時間IT1、微分時間DT1）、通訊控制（COM）、輸出上限、輸出下限、報警模式等。通過程序，將溫控表調(diào)至通訊狀態(tài)（設(shè)定COM的值為1），溫控表本身操作面板失效，所有控制均通過PLC程序來實現(xiàn)。這樣，就形成了觸摸屏/電腦—PLC—溫控表的控制回路，操作集中到觸摸屏，現(xiàn)場溫控表只有顯示、控制功能；減少操作點，防止操作失誤，保證操作的可靠性。

3）程序修正：一般溫控表控制加熱回路，溫控表參數(shù)從面板設(shè)定后，就是固定的，加熱過程中，人工重新設(shè)定或干預(yù)的可能性很?。患词谷斯じ深A(yù)，參數(shù)的調(diào)整也很難把握，操作不當就會使加熱失控?，F(xiàn)在，PLC和溫控表建立了通訊，PLC可以讀/寫溫控表的參數(shù)，就可以在加熱過程中，根據(jù)實際的加熱情況，實時調(diào)整溫控表的控制參數(shù)（PID），從而進一步優(yōu)化溫控表的加熱控制。也可調(diào)整相關(guān)報警、控制參數(shù)，增加安全性。

但是，PID控制有自身的特點，參數(shù)設(shè)定后，頻繁修改參數(shù)無法實現(xiàn)PID控制效果的，需要穩(wěn)定一段時間才能確定PID的效果。所以，在加熱過程中，PLC不會隨意修改PID，需要有判斷條件。程序?qū)崟r監(jiān)視加熱過程中的溫度變化，根據(jù)溫度曲線分析比例帶寬大小、升溫速度、溫度過沖情況、溫度平穩(wěn)度等信息，根據(jù)分析結(jié)果修改PID參數(shù)如圖4所示。

圖4 PLC修正PID控制

為了保證每次加熱的升溫速度和升溫的平穩(wěn)度，程序中增加了一套溫度跟隨程序。簡單講，就是將加熱分段、分時的加熱。例如：需要溫度在60分鐘內(nèi)加熱到400度，將整個加熱分成4段，每段15分鐘，溫升100度。加熱啟動，設(shè)定溫度為100度，加熱時間為15分鐘；時間到，設(shè)定溫度改為200度，加熱時間為15分鐘；依次類推。這樣處理的好處是分時段啟用PID，在整個過程中4次啟用PID控制，相比啟用一次PID控制，有更好的加熱穩(wěn)定性；而且，可以使用4次不同的PID參數(shù)，使控制更加精確。

程序的處理，實現(xiàn)加熱的雙重控制優(yōu)化。第一、三個加熱區(qū)分別獨立控制，確保每個區(qū)都能滿足自身區(qū)域的加熱工藝需求。三個加熱區(qū)的加熱由同一個PLC控制，在PLC程序中協(xié)同控制三個加熱區(qū)，確保烘箱的加熱滿足整體的加熱工藝要求。這是分區(qū)加熱和統(tǒng)一加熱協(xié)調(diào)作用的雙重控制。第二，整個加熱控制中，溫控表自身的加熱回路已經(jīng)形成了一個PID控制回路。PLC通過程序，對溫控表參數(shù)的實時監(jiān)視、修改，又增加了一層協(xié)調(diào)控制。

4）自動加熱流程控制：充分利用PLC的順序控制功能，編寫自動程序；完全實現(xiàn)排氣過程中加熱的全自動控制。排氣過程中的加熱分為預(yù)熱、升溫、保溫、降溫四個階段，這四個階段的加熱溫度和時長根據(jù)集熱管的排氣要求來設(shè)定，保證加熱曲線符合集熱管的排氣要求。整個加熱過程全自動控制，減少人為因素的影響，實現(xiàn)規(guī)程化的生產(chǎn)，提高集熱管的排氣效果。

在觸摸屏界面設(shè)置相關(guān)參數(shù)的設(shè)定窗口，用于設(shè)定加熱過程中不同時段的溫度和時長。比如預(yù)熱階段的參數(shù)設(shè)置，加熱一區(qū)的加熱溫度設(shè)定為80攝氏度，持續(xù)時間為40分鐘；加熱二區(qū)的加熱溫度設(shè)定為120攝氏度，持續(xù)時間為40分鐘；加熱三區(qū)的加熱溫度設(shè)定為80攝氏度，持續(xù)時間為40分鐘。其他三個階段也按照排氣要求，在觸摸屏上設(shè)置。（注意：這些參數(shù)的設(shè)置不是固定的，根據(jù)不同的排氣工藝，可以適當?shù)恼{(diào)整；一般情況下，三個區(qū)的持續(xù)時間是一致的。）

整個加熱過程中的每個階段，程序都需要根據(jù)設(shè)定溫度、設(shè)定時長、加熱區(qū)當前實際溫度、集熱管內(nèi)的真空度數(shù)值等參數(shù)值，實時比較所有參數(shù)，都達到要求后，才會結(jié)束本階段的操作，進入下一階段。比如預(yù)熱階段的加熱控制，當加熱一區(qū)溫度到達設(shè)定溫度后，程序需要判斷等待其他兩個加熱區(qū)的加熱情況，等待反饋；加熱二區(qū)、三區(qū)也是如此；只有當三個加熱區(qū)的溫度到達各自的設(shè)定溫度時，延時啟動，進入預(yù)熱，延時時間到，進入升溫；然后是保溫，降溫，最后判斷真空度、封離；從而完成整個加熱過程，期間無需人工干預(yù)。

5）數(shù)據(jù)記錄及實時操作：PLC連接觸摸屏和電腦，作為控制中樞，可以采集設(shè)備的所有數(shù)據(jù)并記錄控制流程相關(guān)的參數(shù)，同時將這些數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控電腦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全程實時監(jiān)視、記錄并保存為歷史數(shù)據(jù)，便于查詢、分析。觸摸屏有豐富的畫面顯示和實用的操作功能，相關(guān)操作通過觸摸屏控制，保證信息的實時交互，而且操作方便、顯示直觀。

3 控制效果分析

測試烘箱整體加熱效果，記錄加熱過程中的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合硬件、程序的設(shè)計分析加熱速率、溫度均勻性等數(shù)據(jù)。

1）測溫方式及原理

烘箱的加熱主體是加熱二區(qū)，加熱二區(qū)占烘箱主體的80%，是集熱管加熱的主體區(qū)域；此區(qū)域的加熱效果對排氣質(zhì)量影響最大，需要保證此區(qū)域的溫度均勻性，所以，此區(qū)域采用了電爐絲加熱結(jié)合碳化硅板導(dǎo)熱的方式設(shè)計。加熱一區(qū)和加熱二區(qū)主要加熱加熱管兩端，且區(qū)域小，均勻布置加熱棒實現(xiàn)加熱。

實際的控溫方式是在加熱一區(qū)、加熱二區(qū)、加熱三區(qū)各自的中心點設(shè)置了一個溫控點，分別是圖5中的10、1、11三個點。在加熱二區(qū)的溫控點（圖5中1號點）周圍分別均勻布置6個測溫點（圖5中2、3、4、5、6、7號點，縱橫間距分別為1米、0.45米）。加熱過程中實時監(jiān)控、記錄這9個點的溫度變化，用于溫度分析。

圖5 測溫點分布

2）實際加熱效果分析

對實驗加熱溫度曲線分析，可以得出以下得出結(jié)論（注：圖6溫度曲線為加熱二區(qū)1個控溫點和6個測量點的溫度去點；圖7是加熱一區(qū)、加熱二區(qū)、加熱三區(qū)三個控溫點的溫度曲線）。

圖6 主體溫度曲線

圖7 整體溫度曲線

（1）升溫速度：從室溫加熱到最高溫度用時大約1小時，這樣的速度完全符合集熱管的加熱需求；整個升溫曲線平穩(wěn)，各測試點的加熱速率基本一致，升溫間斷的溫度均勻性符合加熱要求。

（2）烘箱整體保溫：加熱到設(shè)定溫度后，保持加熱大約1個半小時，溫度趨于平穩(wěn)；停止加熱約1小時，溫度下降平穩(wěn)，只下降了100℃左右（圖6中標出的停止加熱部分）。

（3）溫度均勻性：整個加熱、保溫、降溫的過程中，溫度升降同步，分布均勻。烘箱整體保溫效果表現(xiàn)良好，且溫度的均勻性、連續(xù)性都很好。

（4）溫度梯度分布：集熱管從管頂至管尾（排氣尾管）溫度成梯度分布，即加熱一區(qū)、加熱二區(qū)、加熱三區(qū)整體溫度梯度分布。烘箱整體上10點、1點、11點這三個溫控點呈現(xiàn)出完整的梯度分布。加熱二區(qū)橫向的2、3點至1、6、7點再到4、5點，整體溫度分布有梯度，縱向的各自區(qū)域內(nèi)的溫度偏差很?。ㄈ鐖D6所示）。烘箱的整體加熱的溫度均勻、梯度分布（如圖6所示）。可有效的提高集熱管的排氣效果。

注：以上曲線均是在試生產(chǎn)間段的實驗所得數(shù)據(jù)，正式生產(chǎn)時，由于集熱管會達到正常載量，其效果將優(yōu)于實驗數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

此加熱系統(tǒng)從硬件、軟件多方面進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)備的操作自動化，規(guī)范了生產(chǎn)工藝流程，從而也提高了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。設(shè)備已用于實際生產(chǎn)，對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的提升效果明顯。