槽式发电真空集热管加热系统优化设计

2022-09-02朱富良侯邑平刘东旭吴睿婧蔡丹宁

制造业自动化 2022年8期

朱富良，侯邑平，刘东旭，吴睿婧，蔡丹宁

（1.北自所（北京）科技发展股份有限公司，北京 100120；2.北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

随着大家对环境保护的重视，清洁能源的利用开发越来越得到重视，比如太阳能、风能等。太阳能的利用，主要分为光热和光电两种的形式。在光热发电系统中，槽式发电是一种主要的发电模式。集热管是槽式太阳能发电系统中的一个关键部件，能将反射镜聚集的太阳直接辐射能转化成热能，转化能量，用于发电。作为发电系统的关键部件，质量的好坏，直接影响光热的利用率和能量的转化率，最终影响发电的效率。提高集热管的质量，需要控制好加工的各个环节，排气是整个工艺加工中的关键工序；在集热管的排气过程中，能否保证集热管的有效加热，直接影响集热管放气程度，从而影响排气的效果。高效、平稳、均匀的加热，有助于集热管的完全排气，提高集热管的产品品质。所以，加热成为排气过程中的关键工艺步骤。加热系统主要由烘箱、加热元件、控制系统等组成，本加热系统从烘箱布局、加热元件的选取、控制系统的优化等多方面入手，整体优化设计，提升集热管的整体加热效果，从而提高产品品质。

1 烘箱设计

槽式发电集热管与普通全玻璃真空集热管的结构完全不同，内层为不锈钢管，外层玻璃管，两端有金属波纹管；而且体积大、质量重，外管直径125mm，长4022mm，质量约为30kg～35kg（如图1所示）。要保证排气的效果，加热过程中需要保持温度的均匀性和温度的保持性（保温），而且加热的温度需要成梯度分布，实现集热管不同部位的不同加热需求。根据集热管的特殊尺寸和结构特点，以及加热的需求，烘箱及加热元件需优化设计。

图1 集热管

1）烘箱布局

考虑集热管的结构、组成、体积、重量等因素；使用卧式烘箱加热，而不使用立式烘箱。

（1）集热管的高度有4米多，烘箱加上相关辅助设备，高度会超限，给厂房建设带来不便，而且集热管立式放置，不便运输。使用卧式烘箱，不仅烘箱的高度降低了，而且卧式放置集热管，便于集热管的搬运和人员的操作。

（2）排气尾管位于集热管尾部的侧面，卧式放置，便于尾管与排气设备的连接，也便于集热管的封离操作。

（3）集热管两端有金属波纹管，立式放置，集热管固定困难，波纹管也承受不了集热管的重量，容易变形、损坏；卧式放置，在外管做支撑，操作方便，也不会损坏集热管两端的波纹管。

（4）卧式烘箱的横向加热空间相比立式的纵向加热空间，有利于加热元件的布置，减少上下温差，保持温度均匀性。

所以，使用卧式烘箱加热，将集热管水平放置于烘箱；这样即控制了烘箱的高度，为集热管的搬运、封离等操作提供了便利。

根据集热管的结构：管顶、主体、管底（排气尾管）的分布；以及集热管各部位的不同加热要求，将烘箱在水平方向分为3个区：加热一区（管顶位置）、加热二区（主体位置）、加热三区（排气尾管位置）。如图2所示。

图2 烘箱俯视图

2）加热元件

集热管的主体就是玻璃管和金属吸热片；而集热管的两端有金属波纹管，金属和玻璃熔封压接的连接点也在两端，排气尾管又位于其中一端。这样的结构，以及玻璃和金属的不同加热特性，要求不同部位有不同的加热温度，且保持温度的均匀性。

集热管的主体在加热二区，是主要加热区。为了保证这个区域的加热效果，选用炉丝电加热结合碳化硅板散热的方式进行加热。镍铬电热炉丝具有强度高，高温使用不易变形，塑性较好，易修复，辐射率高，无磁性，耐腐蚀性强，使用寿命长等优点。碳化硅主要用于钢铁、冶金行业，具有耐高热、强度大、导热性能好、耐腐蚀等优点；具有良好的导热和热稳定性。镍铬电热炉丝作为加热的元件，碳化硅板作为热交换器；充分利用两者的优点，实现高效、快速、均衡的加热。即减少能耗、节约能源，又提高了生产效率、保证烘箱主体温度的均匀性、稳定性。

加热一区和加热三区，加热集热管的两端。集热管两端的结构特殊，有金属波纹管集和压接熔封点，加热三区有排气尾管需要延伸到烘箱外，要求两端的加热温度不宜过高；故在烘箱两端均匀布置加热棒，依据加热棒的数量、功率的不同均匀布置，达到加热需求。

2 控制系统设计

2.1 加热系统组成

加热系统采用基于PLC的分区多点温控方式的控制。整个加热系统分为两部分：第一部分实现烘箱温度的采集、加热控制等功能；第二部分实现手/自动操作、监控、记录、自动控制等功能。

第一部分的加热回路组成如下：

1）温控表：实现温度的采集、设定、显示、加热控制的功能。

2）三相电力调整器（SSR）：加热执行单元，连接加热元件（电炉丝、加热棒），控制元件的加热。

3）热电偶：温度传感器，用于温度采集。

这就组成了一个标准的加热控制回路，温控表作为控制的中枢，控制执行元件SSR。温控表通过热电偶采集现场温度，根据采集到的现场温度与自身设定温度比较，控制SSR的工作状态；使用PWM方式控制SSR，完成电炉丝、加热棒加热控制，从而实现对整个烘箱的加热。温控表自身有加热调节控制功能，启用温控表的PID控制功能，实现闭环控制，达到精准控温的目的如图3所示。

第二部分的监视、控制系统组成如下：

1）电脑：远程监控，数据显示、记录。

2）触摸屏：现场操作、数据设定、显示等。

3）PLC：控制中枢，现场数据采集处理、加热优化控制、自动控制等功能。

PLC是整套控制系统的控制中枢，排气、加热的控制都有它完成。PLC使用Modbus RTU协议，与温控表建立通讯，实现对温控表参数的读、写功能；PLC通过通讯的方式控制温控表，为第一部分加热系统的自身体调节控制增加了一层保障，提高了整体加热的自动化程度和控制的可靠性。同时，PLC、触摸屏、远程电脑以以太网方式组成控制网络；通过触摸屏完成现场的各种操作，显示重要数据并作简单记录，实现参数的设定、修改等功能；通过电脑监控软件，实现远程控制的功能，显示、记录设备的状态及工艺参数等数据，用于数据查询和工艺分析（如图3所示）。

图3 加热系统控制框架简图

2.2 控制流程分析

1）分区控制：为了满足不同加热区的加热需求，三个加热区分别单独控制，每个加热区有一块温控表单独控制，温控表采集本区域内的温度信息，启用自身的PID调节功能控制本区域加热（如图3所示）。

2）PLC集中控制：PLC、温控表直接通过RS485的通讯方式串联（如图3所示）。使用标准的Modbus协议，PLC可以读/写温控表的各种参数，完全实现温控表的远程控制、从而达到自动控制的目的。使用的相关参数如下：设定温度SV、实际温度（测量值）PV、PID参数（比例带PB1、积分时间IT1、微分时间DT1）、通讯控制（COM）、输出上限、输出下限、报警模式等。通过程序，将温控表调至通讯状态（设定COM的值为1），温控表本身操作面板失效，所有控制均通过PLC程序来实现。这样，就形成了触摸屏/电脑—PLC—温控表的控制回路，操作集中到触摸屏，现场温控表只有显示、控制功能；减少操作点，防止操作失误，保证操作的可靠性。

3）程序修正：一般温控表控制加热回路，温控表参数从面板设定后，就是固定的，加热过程中，人工重新设定或干预的可能性很小；即使人工干预，参数的调整也很难把握，操作不当就会使加热失控。现在，PLC和温控表建立了通讯，PLC可以读/写温控表的参数，就可以在加热过程中，根据实际的加热情况，实时调整温控表的控制参数（PID），从而进一步优化温控表的加热控制。也可调整相关报警、控制参数，增加安全性。

但是，PID控制有自身的特点，参数设定后，频繁修改参数无法实现PID控制效果的，需要稳定一段时间才能确定PID的效果。所以，在加热过程中，PLC不会随意修改PID，需要有判断条件。程序实时监视加热过程中的温度变化，根据温度曲线分析比例带宽大小、升温速度、温度过冲情况、温度平稳度等信息，根据分析结果修改PID参数如图4所示。

图4 PLC修正PID控制

为了保证每次加热的升温速度和升温的平稳度，程序中增加了一套温度跟随程序。简单讲，就是将加热分段、分时的加热。例如：需要温度在60分钟内加热到400度，将整个加热分成4段，每段15分钟，温升100度。加热启动，设定温度为100度，加热时间为15分钟；时间到，设定温度改为200度，加热时间为15分钟；依次类推。这样处理的好处是分时段启用PID，在整个过程中4次启用PID控制，相比启用一次PID控制，有更好的加热稳定性；而且，可以使用4次不同的PID参数，使控制更加精确。

程序的处理，实现加热的双重控制优化。第一、三个加热区分别独立控制，确保每个区都能满足自身区域的加热工艺需求。三个加热区的加热由同一个PLC控制，在PLC程序中协同控制三个加热区，确保烘箱的加热满足整体的加热工艺要求。这是分区加热和统一加热协调作用的双重控制。第二，整个加热控制中，温控表自身的加热回路已经形成了一个PID控制回路。PLC通过程序，对温控表参数的实时监视、修改，又增加了一层协调控制。

4）自动加热流程控制：充分利用PLC的顺序控制功能，编写自动程序；完全实现排气过程中加热的全自动控制。排气过程中的加热分为预热、升温、保温、降温四个阶段，这四个阶段的加热温度和时长根据集热管的排气要求来设定，保证加热曲线符合集热管的排气要求。整个加热过程全自动控制，减少人为因素的影响，实现规程化的生产，提高集热管的排气效果。

在触摸屏界面设置相关参数的设定窗口，用于设定加热过程中不同时段的温度和时长。比如预热阶段的参数设置，加热一区的加热温度设定为80摄氏度，持续时间为40分钟；加热二区的加热温度设定为120摄氏度，持续时间为40分钟；加热三区的加热温度设定为80摄氏度，持续时间为40分钟。其他三个阶段也按照排气要求，在触摸屏上设置。（注意：这些参数的设置不是固定的，根据不同的排气工艺，可以适当的调整；一般情况下，三个区的持续时间是一致的。）

整个加热过程中的每个阶段，程序都需要根据设定温度、设定时长、加热区当前实际温度、集热管内的真空度数值等参数值，实时比较所有参数，都达到要求后，才会结束本阶段的操作，进入下一阶段。比如预热阶段的加热控制，当加热一区温度到达设定温度后，程序需要判断等待其他两个加热区的加热情况，等待反馈；加热二区、三区也是如此；只有当三个加热区的温度到达各自的设定温度时，延时启动，进入预热，延时时间到，进入升温；然后是保温，降温，最后判断真空度、封离；从而完成整个加热过程，期间无需人工干预。

5）数据记录及实时操作：PLC连接触摸屏和电脑，作为控制中枢，可以采集设备的所有数据并记录控制流程相关的参数，同时将这些数据传送至监控电脑，实现数据的全程实时监视、记录并保存为历史数据，便于查询、分析。触摸屏有丰富的画面显示和实用的操作功能，相关操作通过触摸屏控制，保证信息的实时交互，而且操作方便、显示直观。

3 控制效果分析

测试烘箱整体加热效果，记录加热过程中的相关参数，结合硬件、程序的设计分析加热速率、温度均匀性等数据。

1）测温方式及原理

烘箱的加热主体是加热二区，加热二区占烘箱主体的80%，是集热管加热的主体区域；此区域的加热效果对排气质量影响最大，需要保证此区域的温度均匀性，所以，此区域采用了电炉丝加热结合碳化硅板导热的方式设计。加热一区和加热二区主要加热加热管两端，且区域小，均匀布置加热棒实现加热。

实际的控温方式是在加热一区、加热二区、加热三区各自的中心点设置了一个温控点，分别是图5中的10、1、11三个点。在加热二区的温控点（图5中1号点）周围分别均匀布置6个测温点（图5中2、3、4、5、6、7号点，纵横间距分别为1米、0.45米）。加热过程中实时监控、记录这9个点的温度变化，用于温度分析。

图5 测温点分布

2）实际加热效果分析

对实验加热温度曲线分析，可以得出以下得出结论（注：图6温度曲线为加热二区1个控温点和6个测量点的温度去点；图7是加热一区、加热二区、加热三区三个控温点的温度曲线）。

图6 主体温度曲线

图7 整体温度曲线

（1）升温速度：从室温加热到最高温度用时大约1小时，这样的速度完全符合集热管的加热需求；整个升温曲线平稳，各测试点的加热速率基本一致，升温间断的温度均匀性符合加热要求。

（2）烘箱整体保温：加热到设定温度后，保持加热大约1个半小时，温度趋于平稳；停止加热约1小时，温度下降平稳，只下降了100℃左右（图6中标出的停止加热部分）。

（3）温度均匀性：整个加热、保温、降温的过程中，温度升降同步，分布均匀。烘箱整体保温效果表现良好，且温度的均匀性、连续性都很好。

（4）温度梯度分布：集热管从管顶至管尾（排气尾管）温度成梯度分布，即加热一区、加热二区、加热三区整体温度梯度分布。烘箱整体上10点、1点、11点这三个温控点呈现出完整的梯度分布。加热二区横向的2、3点至1、6、7点再到4、5点，整体温度分布有梯度，纵向的各自区域内的温度偏差很小（如图6所示）。烘箱的整体加热的温度均匀、梯度分布（如图6所示）。可有效的提高集热管的排气效果。

注：以上曲线均是在试生产间段的实验所得数据，正式生产时，由于集热管会达到正常载量，其效果将优于实验数据。