槽式發電真空集熱管加熱系統優化設計

朱富良，侯邑平，劉東旭，吳睿婧，蔡丹寧

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

0 引言

隨著大家對環境保護的重視，清潔能源的利用開發越來越得到重視，比如太陽能、風能等。太陽能的利用，主要分為光熱和光電兩種的形式。在光熱發電系統中，槽式發電是一種主要的發電模式。集熱管是槽式太陽能發電系統中的一個關鍵部件，能將反射鏡聚集的太陽直接輻射能轉化成熱能，轉化能量，用于發電。作為發電系統的關鍵部件，質量的好壞，直接影響光熱的利用率和能量的轉化率，最終影響發電的效率。提高集熱管的質量，需要控制好加工的各個環節，排氣是整個工藝加工中的關鍵工序；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、均勻的加熱，有助于集熱管的完全排氣，提高集熱管的產品品質。所以，加熱成為排氣過程中的關鍵工藝步驟。加熱系統主要由烘箱、加熱元件、控制系統等組成，本加熱系統從烘箱布局、加熱元件的選取、控制系統的優化等多方面入手，整體優化設計，提升集熱管的整體加熱效果，從而提高產品品質。

1 烘箱設計

槽式發電集熱管與普通全玻璃真空集熱管的結構完全不同，內層為不銹鋼管，外層玻璃管，兩端有金屬波紋管；而且體積大、質量重，外管直徑125mm，長4022mm，質量約為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，實現集熱管不同部位的不同加熱需求。根據集熱管的特殊尺寸和結構特點，以及加熱的需求，烘箱及加熱元件需優化設計。

圖1 集熱管

1）烘箱布局

考慮集熱管的結構、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，烘箱加上相關輔助設備，高度會超限，給廠房建設帶來不便，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面，臥式放置，便于尾管與排氣設備的連接，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。

根據集熱管的結構：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：加熱一區（管頂位置）、加熱二區（主體位置）、加熱三區（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。這樣的結構，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，是主要加熱區。為了保證這個區域的加熱效果，選用爐絲電加熱結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，輻射率高，無磁性，耐腐蝕性強，使用壽命長等優點。碳化硅主要用于鋼鐵、冶金行業，具有耐高熱、強度大、導熱性能好、耐腐蝕等優點；具有良好的導熱和熱穩定性。鎳鉻電熱爐絲作為加熱的元件，碳化硅板作為熱交換器；充分利用兩者的優點，實現高效、快速、均衡的加熱。即減少能耗、節約能源，又提高了生產效率、保證烘箱主體溫度的均勻性、穩定性。

加熱一區和加熱三區，加熱集熱管的兩端。集熱管兩端的結構特殊，有金屬波紋管集和壓接熔封點，加熱三區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，依據加熱棒的數量、功率的不同均勻布置，達到加熱需求。

2 控制系統設計

2.1 加熱系統組成

加熱系統采用基于PLC的分區多點溫控方式的控制。整個加熱系統分為兩部分：第一部分實現烘箱溫度的采集、加熱控制等功能；第二部分實現手/自動操作、監控、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：實現溫度的采集、設定、顯示、加熱控制的功能。

2）三相電力調整器（SSR）：加熱執行單元，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，控制執行元件SSR。溫控表通過熱電偶采集現場溫度，根據采集到的現場溫度與自身設定溫度比較，控制SSR的工作狀態；使用PWM方式控制SSR，完成電爐絲、加熱棒加熱控制，從而實現對整個烘箱的加熱。溫控表自身有加熱調節控制功能，啟用溫控表的PID控制功能，實現閉環控制，達到精準控溫的目的如圖3所示。

第二部分的監視、控制系統組成如下：

1）電腦：遠程監控，數據顯示、記錄。

2）觸摸屏：現場操作、數據設定、顯示等。

3）PLC：控制中樞，現場數據采集處理、加熱優化控制、自動控制等功能。

PLC是整套控制系統的控制中樞，排氣、加熱的控制都有它完成。PLC使用Modbus RTU協議，與溫控表建立通訊，實現對溫控表參數的讀、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的自身體調節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、遠程電腦以以太網方式組成控制網絡；通過觸摸屏完成現場的各種操作，顯示重要數據并作簡單記錄，實現參數的設定、修改等功能；通過電腦監控軟件，實現遠程控制的功能，顯示、記錄設備的狀態及工藝參數等數據，用于數據查詢和工藝分析（如圖3所示）。

圖3 加熱系統控制框架簡圖

2.2 控制流程分析

1）分區控制：為了滿足不同加熱區的加熱需求，三個加熱區分別單獨控制，每個加熱區有一塊溫控表單獨控制，溫控表采集本區域內的溫度信息，啟用自身的PID調節功能控制本區域加熱（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（如圖3所示）。使用標準的Modbus協議，PLC可以讀/寫溫控表的各種參數，完全實現溫控表的遠程控制、從而達到自動控制的目的。使用的相關參數如下：設定溫度SV、實際溫度（測量值）PV、PID參數（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，將溫控表調至通訊狀態（設定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。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，溫控表參數從面板設定后，就是固定的，加熱過程中，人工重新設定或干預的可能性很小；即使人工干預，參數的調整也很難把握，操作不當就會使加熱失控。現在，PLC和溫控表建立了通訊，PLC可以讀/寫溫控表的參數，就可以在加熱過程中，根據實際的加熱情況，實時調整溫控表的控制參數（PID），從而進一步優化溫控表的加熱控制。也可調整相關報警、控制參數，增加安全性。

但是，PID控制有自身的特點，參數設定后，頻繁修改參數無法實現PID控制效果的，需要穩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。程序實時監視加熱過程中的溫度變化，根據溫度曲線分析比例帶寬大小、升溫速度、溫度過沖情況、溫度平穩度等信息，根據分析結果修改PID參數如圖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，設定溫度為100度，加熱時間為15分鐘；時間到，設定溫度改為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，有更好的加熱穩定性；而且，可以使用4次不同的PID參數，使控制更加精確。

程序的處理，實現加熱的雙重控制優化。第一、三個加熱區分別獨立控制，確保每個區都能滿足自身區域的加熱工藝需求。三個加熱區的加熱由同一個PLC控制，在PLC程序中協同控制三個加熱區，確保烘箱的加熱滿足整體的加熱工藝要求。這是分區加熱和統一加熱協調作用的雙重控制。第二，整個加熱控制中，溫控表自身的加熱回路已經形成了一個PID控制回路。PLC通過程序，對溫控表參數的實時監視、修改，又增加了一層協調控制。

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；完全實現排氣過程中加熱的全自動控制。排氣過程中的加熱分為預熱、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集熱管的排氣要求來設定，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，實現規程化的生產，提高集熱管的排氣效果。

在觸摸屏界面設置相關參數的設定窗口，用于設定加熱過程中不同時段的溫度和時長。比如預熱階段的參數設置，加熱一區的加熱溫度設定為80攝氏度，持續時間為40分鐘；加熱二區的加熱溫度設定為120攝氏度，持續時間為40分鐘；加熱三區的加熱溫度設定為80攝氏度，持續時間為40分鐘。其他三個階段也按照排氣要求，在觸摸屏上設置。（注意：這些參數的設置不是固定的，根據不同的排氣工藝，可以適當的調整；一般情況下，三個區的持續時間是一致的。）

整個加熱過程中的每個階段，程序都需要根據設定溫度、設定時長、加熱區當前實際溫度、集熱管內的真空度數值等參數值，實時比較所有參數，都達到要求后，才會結束本階段的操作，進入下一階段。比如預熱階段的加熱控制，當加熱一區溫度到達設定溫度后，程序需要判斷等待其他兩個加熱區的加熱情況，等待反饋；加熱二區、三區也是如此；只有當三個加熱區的溫度到達各自的設定溫度時，延時啟動，進入預熱，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。

5）數據記錄及實時操作：PLC連接觸摸屏和電腦，作為控制中樞，可以采集設備的所有數據并記錄控制流程相關的參數，同時將這些數據傳送至監控電腦，實現數據的全程實時監視、記錄并保存為歷史數據，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參數，結合硬件、程序的設計分析加熱速率、溫度均勻性等數據。

1）測溫方式及原理

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

實際的控溫方式是在加熱一區、加熱二區、加熱三區各自的中心點設置了一個溫控點，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論（注：圖6溫度曲線為加熱二區1個控溫點和6個測量點的溫度去點；圖7是加熱一區、加熱二區、加熱三區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，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：加熱到設定溫度后，保持加熱大約1個半小時，溫度趨于平穩；停止加熱約1小時，溫度下降平穩，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良好，且溫度的均勻性、連續性都很好。

（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、加熱二區、加熱三區整體溫度梯度分布。烘箱整體上10點、1點、11點這三個溫控點呈現出完整的梯度分布。加熱二區橫向的2、3點至1、6、7點再到4、5點，整體溫度分布有梯度，縱向的各自區域內的溫度偏差很小（如圖6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間段的實驗所得數據，正式生產時，由于集熱管會達到正常載量，其效果將優于實驗數據。

4 結語

此加熱系統從硬件、軟件多方面進行優化設計，實現了設備的操作自動化，規范了生產工藝流程，從而也提高了產品質量，提高了生產效率。設備已用于實際生產，對產品質量、產量的提升效果明顯。