鑄錠冷卻水系統(tǒng)安全節(jié)能研究及應(yīng)用

劉茂生，崔宏杰，高 炳

(山西中電科新能源技術(shù)有限公司，山西 太原030024)

光伏太陽能作為可在生能源，是取之不盡的綠色能源，未來將逐步代替化石能源。而多晶硅太陽能電池占太陽能電池產(chǎn)品的90%以上，而且在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)也依然是以多晶硅電池為主。多晶硅鑄錠為晶硅電池生產(chǎn)中最重要的工藝環(huán)節(jié)，對電池的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生直接影響。鑄錠爐做為多晶硅太陽能生產(chǎn)專用設(shè)備，采用先進(jìn)的多晶硅定向凝固技術(shù)，利用石墨加熱多晶硅料，高溫熔化后采用特殊工藝定向冷凝結(jié)晶，從而達(dá)到太陽能電池生產(chǎn)用多晶硅品質(zhì)的要求。在融化、長晶、冷卻過程中均產(chǎn)生大量熱量，通過鑄錠工藝水系統(tǒng)循環(huán)將產(chǎn)生的熱量帶出，從而使?fàn)t體內(nèi)溫度在可控制范圍內(nèi)，保障多晶硅長晶的順利完成。因此，水系統(tǒng)的穩(wěn)定，尤其是工藝水的溫度突然升高或降低，對多晶硅的品質(zhì)造成極大的影響；同時由于多晶硅生產(chǎn)屬于長工藝周期，在工藝生產(chǎn)周期內(nèi)保障鑄錠工藝水的連續(xù)、安全可靠的供應(yīng)，對鑄錠連續(xù)化規(guī)模化生產(chǎn)極其重要，如果工藝水壓力波動巨大或者斷供，將產(chǎn)生極大的安全隱患。

根據(jù)2015年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》中資源綜合利用和能耗條款中要求，現(xiàn)有硅錠項目平均綜合能耗小于8.5 kW·h/kg，如采用多晶鑄錠爐生產(chǎn)高效多晶產(chǎn)品，平均綜合能耗的增加幅度不得超過0.5 kW·h/kg，即平均綜合耗能小于9 kW·h/kg。

隨著產(chǎn)能的不斷釋放，能耗也在大幅增加，僅2013年度鑄錠工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)年耗電量就在60 萬/kW·h，約占鑄錠生產(chǎn)年綜合耗能的14%，平均每錠的水系統(tǒng)能耗為462/kW·h。為實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高能源利用率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力，同時考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，保障鑄錠生產(chǎn)安全運行，提出了鑄錠工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)安全節(jié)能改造方案，應(yīng)用后取得良好效果。

1 改造前鑄錠工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)運行狀況

鑄錠工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)由鑄錠外循環(huán)水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、和鑄錠內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)（工藝水）三部分組成，在冬季及過渡季節(jié)，由于室外氣溫較低，鑄錠內(nèi)循環(huán)水和鑄錠外循環(huán)水通過一次板換進(jìn)行換熱，通過一次電動調(diào)節(jié)閥的開閉，控制進(jìn)入板換的外循環(huán)水量進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，鑄錠外循環(huán)水泵為工頻運行，多余流量通過一次電動調(diào)節(jié)閥回流冷卻塔（不做功，造成電能浪費）；在夏季，鑄錠內(nèi)循環(huán)水通過一次板換進(jìn)行換熱，由于外部氣溫較高，如外循環(huán)無法保障溫度穩(wěn)定，鑄錠內(nèi)循環(huán)水通過二次板換與冷凍水系統(tǒng)換熱，通過二次電動調(diào)節(jié)閥的開閉，控制進(jìn)入板換的冷凍水流量進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)（如圖1所示）。

圖1 鑄錠冷卻水系統(tǒng)運行原理圖（改造前）

在此系統(tǒng)運行中存在以下問題：

（1）外循環(huán)一次板換沒有備用，板式熱交換器一旦出現(xiàn)問題，系統(tǒng)將面臨停產(chǎn)的嚴(yán)重問題，對鑄錠生產(chǎn)連續(xù)性造成極大的沖擊；

（2）控制系統(tǒng)存在諸多不穩(wěn)定因素，由于控制簡單，操作人員僅限于簡單的水泵啟動、停止及運行維護(hù)，受操作人員自身水平限制，無法及時根據(jù)水系統(tǒng)的負(fù)載變化進(jìn)行及時調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)全自動運行，只能依靠人工進(jìn)行處理；

（3）控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)對冷卻塔風(fēng)機(jī)的控制，冷卻塔風(fēng)機(jī)通過人員手動操作進(jìn)行啟動和停止，由于調(diào)節(jié)不及時，風(fēng)機(jī)無法根據(jù)熱負(fù)荷合理開啟關(guān)閉，造成能耗浪費；

（4）溫度控制部分不能使內(nèi)循環(huán)給水維持在一個比較穩(wěn)定的溫度范圍，經(jīng)常出現(xiàn)溫度劇烈變化，對鑄錠品質(zhì)產(chǎn)生極大的影響；

（5）由于控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，各運行水泵均為人員進(jìn)行啟動和停止，當(dāng)某臺水泵發(fā)生故障，無法及時啟動，造成鑄錠工藝水波動或斷供，對鑄錠安全生產(chǎn)造成極大的隱患。

在節(jié)能改造前，公司鑄錠生產(chǎn)過程中，鑄錠工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)平均能耗約為1.25 kW·h/kg；鑄錠硅錠綜合耗能為9.05 kW·h/kg，鑄錠工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)耗能占鑄錠綜合耗能約13.8%。

2 鑄錠工藝水系統(tǒng)安全節(jié)能可行性分析

鑄錠工藝水系統(tǒng)運行的目的是冷卻鑄錠爐，根據(jù)內(nèi)循環(huán)水吸收的熱量、流量、溫差及壓力間的關(guān)系，影響鑄錠工藝水系統(tǒng)的主要原因有外循環(huán)水的溫度和流量、終端鑄錠爐所需的冷量、內(nèi)循環(huán)水的壓力等，通過對以上變量可控部分進(jìn)行分析調(diào)整，達(dá)到節(jié)能的目的。表1為所用設(shè)備。

表1 鑄錠工藝水系統(tǒng)中關(guān)鍵用電設(shè)備及熱交換設(shè)備

鑄錠工藝水循環(huán)的主要參數(shù)為：

設(shè)備臺數(shù)：40 臺；

單臺設(shè)備流量需求：10 m3/h；

工藝水進(jìn)水溫度：31 ℃；

工藝水回水溫度：39 ℃

由此可知，40 臺鑄錠爐同時生產(chǎn)所需的流量為400 m3/h，而兩臺鑄錠工藝水泵在滿負(fù)荷運行時可以提供的流量為480 m3/h，因此根據(jù)終端鑄錠爐生產(chǎn)所需的流量，對鑄錠工藝水泵進(jìn)行變頻控制是可以滿足生產(chǎn)。

鑄錠工藝水在最大負(fù)荷情況下可以計算出鑄錠爐所產(chǎn)生的熱量：

其中：Q內(nèi)為鑄錠工藝水每小時吸收的熱量

m內(nèi)為鑄錠工藝水每小時流量

c 為水的比熱容，J/kg·℃

△t內(nèi)為鑄錠工藝水進(jìn)回水的溫差

Q內(nèi)=13.44×109÷（3.6×106）=3733 kW

即：當(dāng)40 臺鑄錠全部生產(chǎn)，進(jìn)出水溫差達(dá)到最大，所產(chǎn)生的熱量為：3733 kW。由此可知：鑄錠一次板換滿足生產(chǎn)需求。

而外循環(huán)水泵流量為300 m3/h，根據(jù)季節(jié)不同，以及運行3年的數(shù)據(jù)記錄，外循環(huán)水進(jìn)出水溫差在夏季最大為8 ℃。

外循環(huán)在原系統(tǒng)中，工頻運轉(zhuǎn)時，如果全部進(jìn)行熱交換，所吸收的熱量遠(yuǎn)大于內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的熱量，因此在原系統(tǒng)中，大量外循環(huán)水未做功回流至冷卻塔，產(chǎn)生大量的熱量及能耗浪費，因此，對外循環(huán)水泵采取變頻控制，根據(jù)熱量需求，改變進(jìn)入板換流量，是可以滿足生產(chǎn)需求。

同時由于水泵的流量Q、揚程H、轉(zhuǎn)速N 和功率P 存在以下關(guān)系：

Q1/Q2=N1/N2；H1/H2=（N1/N2）2；P1/P2=（N1/N2）3

由上述公式可知，水泵的功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系下降，在調(diào)節(jié)流量的過程中，采用變頻控制，降低水泵轉(zhuǎn)速，可以取得很好的節(jié)能效果。

3 鑄錠工藝水系統(tǒng)的節(jié)能改造實施

圖2所示改造后的鑄錠水系統(tǒng)的運行方式，以鑄錠一次板換為主進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，鑄錠二次板換冷凍水系統(tǒng)做為備用。正常情況下鑄錠內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)不通過鑄錠二次板換，打開閘閥F6，關(guān)閉閘閥F3 和F4，減少工藝水運行管阻，降低鑄錠工藝水泵的運行頻率；當(dāng)鑄錠一次板換外循環(huán)水側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重?fù)Q熱效果不佳時，可以通過關(guān)閉閘閥F1、F2 和F6，打開閥門F5、F3 和F4，通過鑄錠二次板換進(jìn)行換熱，從而實現(xiàn)不停機(jī)對鑄錠一次板換進(jìn)行清洗。

圖2 鑄錠冷卻水系統(tǒng)運行原理圖（改造后）

在正常情況下，如圖3所示，鑄錠工藝水泵根據(jù)管道壓力傳感器檢測的壓力，及時反饋給PLC控制中心，通過PLC 控制工藝水泵變頻器，實現(xiàn)恒壓輸出；鑄錠工藝水溫度控制則通過工藝水管路上的溫度傳感器檢測的溫度反饋給PLC 控制中心，通過PLC 控制外循環(huán)水泵變頻器，改變外循環(huán)水泵的輸水量，來實現(xiàn)溫度控制，同時通過鑄錠一次板換外循環(huán)水管路上的溫度傳感器檢測的溫度變換，通過PLC 控制冷卻塔風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉，從而最大程度的實現(xiàn)節(jié)能控制。界面示意圖見圖4、圖5、圖6、圖7。

通過對系統(tǒng)進(jìn)行改造，達(dá)到了以下優(yōu)點：

圖3 PLC 控制原理圖

圖4 改造完成后鑄錠工藝水系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖5 改造完后各水泵參數(shù)設(shè)置界面

圖6 改造完后各水泵聯(lián)鎖設(shè)置界面

圖7 水泵控制PID 參數(shù)設(shè)置

（1）系統(tǒng)通過采用PLC+HMI 的方式，可實現(xiàn)全自動化的內(nèi)、外循環(huán)水系統(tǒng)的水泵、風(fēng)機(jī)、閥門的啟停和調(diào)節(jié)，無需人工進(jìn)行干預(yù)，在發(fā)生故障時，控制中心，自動啟動備用泵，保障恒壓供水，解決了鑄錠工藝水壓力波動、斷供等情況的發(fā)生，為鑄錠連續(xù)生產(chǎn)提供安全保障；

（2）系統(tǒng)對內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)水泵均采取變頻控制，內(nèi)外循環(huán)水的壓力、溫度采用PID 的方式，并通過設(shè)置合理的參數(shù)，通過控制各水泵的運行頻率及各閥門的開啟度，實現(xiàn)溫度及壓力的恒定，最大化地實現(xiàn)節(jié)能。由于各個水泵的實際應(yīng)用具有不同的水力特性和負(fù)荷條件，根據(jù)實際的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)就能穩(wěn)定性能；

（3）實現(xiàn)對冷卻塔風(fēng)扇的自動控制，有利于系統(tǒng)的節(jié)能；

（4）當(dāng)外循環(huán)冷卻水冷卻效果不能達(dá)到設(shè)定溫度要求時，則啟用冷凍水進(jìn)行冷卻補(bǔ)充，以達(dá)到系統(tǒng)冷卻優(yōu)化的目的。

4 節(jié)能效果分析

節(jié)能改造方案于2014年5月運行以來，節(jié)能效果明顯，達(dá)到預(yù)期效果。改造前后4 個月的鑄錠工 藝水系統(tǒng)用電統(tǒng)計見表2。

表2 改造前后鑄錠工藝水系統(tǒng)用電量統(tǒng)計

由上表可知，鑄錠工藝水系統(tǒng)實施節(jié)能改造方案以后，平均單錠水系統(tǒng)耗能由原來462 kW·h 下降到372 kW·h，下降幅度為19.5%，從每月的用電統(tǒng)計分析，到冬季及過度季節(jié)，氣溫越低節(jié)能效果越明顯。預(yù)計全年節(jié)電量約為226 800 kW·h，節(jié)能效果明顯。

同時，采用自動化控制后，水泵、溫度、壓力等故障報警均可實現(xiàn)無縫切換，避免因人員操作而造成控制偏差、斷供等，有力保障鑄錠工藝水的安全運行，為鑄錠生產(chǎn)提供了可靠的保障。

5 結(jié) 語

通過對鑄錠工藝水系統(tǒng)運行的統(tǒng)計分析，以生產(chǎn)需量為主導(dǎo)的原則進(jìn)行各水泵流量、溫度、壓力的調(diào)整，實現(xiàn)設(shè)備變頻自動化控制，對能耗利用進(jìn)行優(yōu)化，從而設(shè)計出鑄錠工藝水系統(tǒng)能效管理的新平臺，經(jīng)驗證，此管理平臺可以達(dá)到理想的節(jié)能效果。

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