光热发电真空管用新型排气台的研制

　　摘 要： 为解决传统太阳能光热发电真空管排气工艺能耗巨大、温度场不均匀、排气效果差等不足，研制了一种光热发电真空管用新型排气台。设备由真空、加热、自动控制三个系统联合组成，改变了传统的烘烤加热方式，利用太阳能光热发电真空管的内管作为阻性负载，采用KT晶闸管调压器作为加热电源，通过温度控制仪进行高精度温度控制，直接对内管加热。新型排气台将光热发电真空管长度方向上的控温精度保持在±5℃以内，加热能耗节约40%以上，不仅达到了高精度控温和节能的设计目的，而且整个生产工艺过程实现了全自动控制。

　　本文源自工业技术创新 2020年5期《工业技术创新》是由中国电子信息产业发展研究院和工业和信息化部部长主办的国家科技学术期刊。该报主要面向工业技术创新领域的相关产业部门、工业企业、科研创新学术交流平台、技术创新成果宣传转化领域以及战略政策研究的理论讨论阵地。该杂志的宗旨是促进产业技术创新，促进产业转型升级，为建设创新型国家服务。

　　关键词： 光热发电真空管;排气台;真空;加热;控温精度;能耗节约

　　引言

　　随着国内外太阳能光热发电推广力度的增强，市场对光热发电真空管的需求量越来越大，消费者对光热发电真空管的光热性能要求也越来越高。然而，在光热发电领域中，我国起步比较晚，基础研究不足，工艺水平和核心装备水平有待进一步提升，产业链有待更加成熟。

　　真空排气设备是光热发电真空管关键部件，其工艺还处于与普通全玻璃太阳能光热发电真空管相当的水平。常规工艺为：将太阳能光热发电真空管置于以燃气或市电为能源的保温烘箱内，加热太阳能光热发电真空管外部，通过真空机组抽真空，达到真空排气的目的。该常规工艺的缺点为能耗巨大、资源浪费严重、温度场不均匀、排气效果差等，且影响太阳能光热发电真空管的使用寿命。

　　真空排气设备的研究解决了部分问题。文献[1]进行了特大型超高真空排气台的研制，表明排气台能够有效规避上述常规工艺的缺点。研制一种专门供光热发电集真空管使用，并克服以上缺點的新型排气台，是光热发电行业发展的必然。文献[2-7]结合目前国内真空排气系统的研究现状，开展了大量的实验，但是对光热发电真空排气自动控制系统缺乏研究。

　　本文为光热发电真空管专门研制出一种在高温环境下实现真空排气的新型排气台设备。结合光热发电真空管的结构特点，首先简要介绍新型排气台的功能及性能指标;接着介绍机架结构和真空、加热、自动三个系统联动协同工作原理，详细论述设备结构及配置;最后归纳设备运行原理，并评估其实际运行情况。

　　1 设备功能及技术指标

　　光热发电真空管用新型排气台的作用是按照特定的工艺流程，对总装后的光热发电真空管(兼容2 000 mm及4 060 mm两种规格)完成高真空高温烘烤排气，并实现排气口自动封离，使真空腔体内尽可能排尽金属和玻璃表面及近表面吸附的残余气体，产生高真空并长期保持，使光热发电真空管达到真空绝热保温的效果，降低实际运行过程中的热损。光热发电真空管结构如图1所示。

　　光热发电真空管对排气工艺的要求很高，对排气台设备的抽速、温度控制的精度及自动化程度等提出了更高的要求。该新型排气台主要技术指标如表1所示。

　　2 设备结构及配置

　　光热发电真空管用新型排气台主要由机架、真空系统、加热系统、自动电封离系统和自动控制系统等组成，各部件具体如图2所示。

　　2.1 机架

　　机架采用不锈钢材质框架结构，表面抛光喷塑处理，整体结构简洁，刚性好，保证牢固、稳定，与工件接触部位作隔热处理。

　　2.2 真空系统

　　真空系统全称是真空获得系统，由直联机械泵、涡轮复合分子泵及夹紧气囊组成。每个排气台设置2套可独立控制的真空获得系统，每套系统对应2支太阳能光热发电真空管。整体结构紧凑，每个单元独立工作，既可以获得稳定的抽速，尽量缩短整个排气工艺时间，又方便设备维护。产品选用国内外知名品牌，性能稳定。排气台真空系统具体配置如表2所示。

　　真空测量采用数字式复合真空计和与之对应的电离、电阻规管组成，用于检测炉内实时真空度。真空计配有2个状态设定点，用于安全加热。涡轮复合分子泵安全启动真空度设定。

　　夹紧气囊是连接太阳能光热发电真空管排气尾管和真空获得系统的关键部件，其结构如图3所示。要求：1)夹紧气囊与排气尾管夹持牢固可靠，保证高真空密封;2)采用软联结，避免震动导致排气尾管断裂;3)便于工件实现快速装夹和拆卸。

　　2.3 加热系统

　　该光热发电真空管用新型排气台的最大特点是改变了传统的烘烤加热方式。利用太阳能光热发电真空管的内管(不锈钢管)作为阻性负载，采用KT晶闸管调压器作为加热电源，通过温度控制仪进行高精度温度控制，直接对内管加热。该加热方式的最大特点就是节能和温度控制精度高。内管加热后，由内管与外管之间的真空腔对其保温，最大程度降低了热的传导和对流。另外，工作台上加装一个耐热不锈钢保温罩，最大程度降低了内管加热的辐射传热，同时在工艺过程中起到对玻璃外管的保护作用。该保温方式摒除了传统的厚重保温烘箱，操作轻便，效率高，热损小，节能。

　　排气台工作温度：550℃，最高使用温度：600℃。在450℃保温30 min后，沿每个吸热管轴向长度方向的温度均匀性为±5℃，周向方向误差小于5℃。排气台加热系统具体配置下如表3所示。

　　温度控制仪表采用PID调节方式，根据由控温热电偶读取的温度信号的变化，自动调节输出功率。可以用温度控制仪来设定温度控制曲线，最大可进行400步设定，并可以同时设定存储20条工艺曲线，实现各温度的同步控制。仪表精度等级均为0.1级，控温精度±1℃，带有自整定功能，自动选择最合理的控制参数，保证温度均匀性。

　　整个加热系统由4台温度控制仪和4支测温热电偶组成，其中测温热电偶信号需采集到可编程控制器(PLC)中，控温热电偶与仪表的操作也由PLC进行。其中控温部分可任意设置加热速率，使系统按照升温速率加热到设定温度。4支测温热电偶可采用温度巡检仪的方式进行巡检。系统真空度(低真空、高真空)通过数字显示，并将信号采集到PLC中。系统真空与加热系统互锁(即当系统真空度不满足设定值时，停止加热)。

　　2.4 自动控制系统

　　自动控制系统由晶闸管调压器、温度控制仪、记录仪、真空计、可编程控制器及各种传感器组成，分为温度采集模块、真空度采集模块和PLC自动控制模块三大部分。自动控制系统可以对设备上的温度、真空度进行检测和存储，并实现各功能单元的自动控制。采用PLC作为系统控制核心，完成系统控制、传感器信号采集、仪表数据分析处理、故障检测和报警，进行处理分析后，输出控制信号到直接执行设备，完成设备动作。控制程序设有手动和自动两种模式，可在控制柜面板上随时进行切换，且不中断设备运行状态。系统自动记录并保存工艺参数(主控温度、高真空度)，保存时间不少于3年。

　　3 设备运行原理

　　如前所述，该光热发电真空管用新型排气台改变了太阳能光热发电真空管排气过程中的传统加热方式。利用太阳能光热发电真空管的内管(不锈钢管)作为阻性负载，采用KT晶闸管调压器作为加热电源，直接加热太阳能光热发电真空管的内管(不锈钢管)，通过温度控制仪进行高精度温度控制，真空机组抽真空，达到真空排气的目的。

　　人工打开保温罩，通过机械手将光热发电真空管装在工作台的支架上，将排气尾管插入分子泵的夹紧气囊并锁死，关闭保温罩，按中央控制系统上的“运行”按钮，设备开始按设定工艺工作。设备的具体运行过程：

　　(1)机械泵和分子泵开始通过排气尾管对光热发电真空管进行持续抽真空;

　　(2)真空度达到设定值，自动启动加热电源对光热发电真空管进行加热，通过温度控制仪和温度传感器按“升温—保温—冷却”控制加热工艺;

　　(3)加热完成，关闭加热系统，启动封离电炉，对排气尾管进行自动封离;

　　(4)自动关闭真空系统，自动打开保温罩，人工通过机械手取下排气完成的光热发电真空管，装入新的工件进入下一个工作循环。

　　在整个工作过程中，计算机随时检测、采集各项数据并保存。生产线采用条码管理方式，设备配置有条形码扫描器，在进入工位前读取产品编号信息，通过数据传送通道集中上传并保存到上位计算机的产品数据库中。上位机画面中动态显示各类型产品所处的具体位置及对应工步，再从公司ERP系统中读取条码所对应的管型数据(如集热管长度等)，以此为依据调整对应的工艺参数，以指导生产，并通过以太网上传至公司的电子随工单系统中。

　　4 设备实际运行情况

　　该光热发电真空管用新型排气台经过长期的生产考验和优化，完全达到了预期的设计指标。该设备的设计原理简单，故障率低，制造成本低，全自动运行，操作简单，生产效率高，适合光热发电真空管生产线的批量生产。

　　光热发电真空管用新型排气台的优点是：

　　(1)节能效果明显，加热能耗节约40%以上;

　　(2)内管(不锈钢管)壁厚均匀，长度方向的温度均匀性明显提高，可达到±5℃;

　　(3)内管和外管间真空夹层对散热起到阻断作用，对外散热少，对环境友好。

　　5 结束语

　　光热发电真空管用新型排气台的研发设计、试制和实际验证表明，该设备工艺简单，结构设计紧凑合理，效率高，不仅达到了高精度控温和节能的设计目的，而且整个生产工艺过程实现了全自动控制。该设备满足了光热发电真空管的排气工艺要求，为国内太阳能光热发电真空管设备领域创造了价值，有很好的推广意义。

　　参考文献

　　[1] 边悦， 刘春艳. 特大型超高真空排气台的研制[J]. 真空科学与技术学报， 2019， 39(12)： 1079-1082.

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